液體火箭發(fā)動機渦輪泵用軸承壽命試驗研究

毛 凱，苗旭升，陳 暉，牛小轍

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

液體火箭發(fā)動機渦輪泵用軸承壽命試驗研究

毛 凱，苗旭升，陳 暉，牛小轍

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

基于液體火箭發(fā)動機渦輪泵軸承工作要求的特殊性，介紹了一種考核液體火箭發(fā)動機渦輪泵用軸承壽命的試驗方法，設(shè)計了軸承試驗方案，并研制了專門的試驗系統(tǒng)。以某型號發(fā)動機氧泵用軸承為研究對象，對其進行了常溫水介質(zhì)和低溫液氮介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗。試驗系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好，并且通過該方法試驗后的同批次軸承參加發(fā)動機熱試車工作正常。

渦輪泵；軸承壽命；試驗

0 引言

軸承屬于精密的旋轉(zhuǎn)機械基礎(chǔ)件和易損件。統(tǒng)計表明，旋轉(zhuǎn)機械大約30%的機械故障是因軸承失效導(dǎo)致［1］。渦輪泵是液體火箭發(fā)動機的心臟，軸承是保證渦輪泵正常工作的關(guān)鍵部件之一，影響發(fā)動機的工作可靠性［2］。

軸承壽命獲取最直接的方法為理論計算。其發(fā)展歷程依次經(jīng)過Weibul分布［3］、載荷容量理論［4］、L-P理論［5-7］、修正發(fā)展理論［6-7］、新壽命理論［5］、ISO 281：1990/Amd.1：2000［3］理論等幾個階段。軸承的壽命與結(jié)構(gòu)、材料、運轉(zhuǎn)工況、冷卻液和潤滑劑特性以及安裝方式等因素均有關(guān)系，根據(jù)目前國內(nèi)外的研究水平，理論計算僅能考慮部分因素對軸承壽命的影響［1］，很難獲取較為準確的數(shù)據(jù)。因此，對于可靠性要求極高的火箭發(fā)動機，通過試驗方法得到較為精準的軸承壽命顯得尤為重要。

液體火箭發(fā)動機渦輪泵軸承不同于普通機械用軸承，通常用推進劑冷卻和潤滑，相比常規(guī)潤滑油，推進劑粘度非常低，約10-6～10-7m2/s量級，潤滑效果有限。軸承轉(zhuǎn)速高，一般不低于10 000 r/min，高可達60 000 r/min。軸承承受軸向、徑向載荷約幾百至上千公斤，DN值高達100萬至200萬。發(fā)動機起動極快，軸承轉(zhuǎn)速和載荷在極短的時間（通常數(shù)秒）內(nèi)由零增加至工作值，承受較大沖擊。

我國軸承試驗早期一直沿用前蘇聯(lián)的ZS型軸承試驗機以及從美國引進的F&M5試驗機，試驗精度低，加載系統(tǒng)不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速和功率均很低［8］。90年代，國內(nèi)研制了新一代軸承疲勞壽命強化試驗機B10-60R及其改進的ABLT系列［8］，功率小，對于內(nèi)徑120軸承，轉(zhuǎn)速只有3000 r/min。因此，對于比較特殊的火箭發(fā)動機渦輪泵用軸承，需研制專門的試驗系統(tǒng)進行試驗。

1 軸承試驗方案設(shè)計

液體火箭發(fā)動機常溫推進劑主要有偏二甲肼、四氧化二氮、煤油等，低溫推進劑主要有液態(tài)氧、液態(tài)氫等。直接采用推進劑介質(zhì)進行軸承運轉(zhuǎn)試驗的成本或者試驗風(fēng)險較大，如偏二甲肼和四氧化二氮均屬于劇毒介質(zhì)，不僅成本很高，對試驗安全性要求苛刻，液態(tài)氫和液態(tài)氧屬于低溫易爆炸介質(zhì)，對試驗系統(tǒng)清潔性要求很高，無成熟操作經(jīng)驗的情況下試驗風(fēng)險極大。因此，火箭發(fā)動機軸承性能和壽命考核通常采用模擬介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗?？紤]到水介質(zhì)的安全性、容易獲取及成本低的優(yōu)點，常溫推進劑介質(zhì)通常采用水模擬運轉(zhuǎn)。低溫推進劑介質(zhì)通常采用溫度為-196℃的液氮，液氮安全穩(wěn)定，并能提供與發(fā)動機工作介質(zhì)相近的低溫環(huán)境。

水介質(zhì)運轉(zhuǎn)主要對軸承承載能力，轉(zhuǎn)速以及軸承冷卻量進行考核，初步摸索軸承壽命情況。對于低溫推進劑用軸承，需采用液氮考核低溫介質(zhì)對軸承工作性能的影響，更為真實的模擬軸承工作環(huán)境。另外，低溫推進劑發(fā)動機具有單臺產(chǎn)品不下臺多次工作的特性，軸承除了滿足單臺長時間工作要求外，必須達到多次重復(fù)起停要求。因此，軸承模擬介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗方案主要包括多次重復(fù)起停試驗和長時間壽命運轉(zhuǎn)試驗。

2 軸承試驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1 試驗系統(tǒng)

根據(jù)制定的試驗方案，本文針對低溫發(fā)動機用軸承，設(shè)計了軸承常溫及低溫模擬介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)。圖1和圖2分別給出了常溫和低溫試驗系統(tǒng)裝置圖，其主要由驅(qū)動系統(tǒng)、軸承試驗器、供介系統(tǒng)、測試及采集系統(tǒng)組成。常溫試驗的驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻電機和增速箱結(jié)構(gòu)。低溫試驗采用渦輪驅(qū)動。

圖1 軸承常溫試驗系統(tǒng)Fig.1 Normal temperature experiment system for bearing

圖2 軸承低溫試驗系統(tǒng)Fig.2 Cryogenic experiment system for bearing

常溫試驗要求系統(tǒng)設(shè)計簡單，載荷加載速度快、精度高、轉(zhuǎn)速控制精準、軸承冷卻水流量調(diào)整迅速且精度高。低溫試驗系統(tǒng)由于試驗器端軸密封液氮泄漏，對電機工作影響較大。因此，密封是一項較為關(guān)鍵的技術(shù)。本文設(shè)計的試驗系統(tǒng)通過采用增壓系數(shù)高的液封輪和低溫密封圈結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了低溫液氮的泄露防護。液氮泄漏環(huán)境不適用于電機安全可靠工作，因此低溫試驗需設(shè)計專用的渦輪驅(qū)動。

渦輪驅(qū)動裝置是低溫試驗系統(tǒng)設(shè)計中的另外一項關(guān)鍵技術(shù)，主要由渦輪轉(zhuǎn)子及其附件組成，采用噴嘴形式的部分進氣方式，驅(qū)動渦輪的工質(zhì)為燃氣或者常溫空氣。渦輪支撐軸承采用單獨的水冷卻及潤滑系統(tǒng)。圖3給出了驅(qū)動渦輪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 驅(qū)動渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of turbine configuration

試驗器主要結(jié)構(gòu)包括軸承、軸、試驗器殼體、軸向力加載裝置、徑向力加載裝配。根據(jù)施力要求，在試驗器中同時裝配三套軸承，其中前端和后端為工藝軸承，中間為被試軸承。軸承載荷是通過氣體活塞作動筒施力，作動筒內(nèi)采用膠圈密封，需在運動的狀態(tài)下保持高壓氣體密封性能。軸向力通過傳動桿加載至軸端，從而傳遞至被試軸承，徑向力直接加載至前端工藝軸承外環(huán)，通過杠桿作用，按比例分配至被試軸承和后端工藝軸承，軸向力和徑向力均可通過氣體壓力調(diào)節(jié)。軸承試驗器構(gòu)如圖4所示。由于軸承尺寸不同，不同型號軸承需設(shè)計專門的試驗器。

圖4 軸承試驗器示意圖Fig.4 Configuration of bearing experiment facility

2.2 測試參數(shù)

軸承測試參數(shù)包括：轉(zhuǎn)速、功率、冷卻流量、軸承壁溫、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、軸承載荷。

3 某型號發(fā)動機氧泵軸承試驗情況

以某型號液體火箭發(fā)動機渦輪氧泵為對象（其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示），采用雙軸承支撐方式，一個推力軸承和一個徑向軸承配對使用。

圖5 某型號發(fā)動機渦輪氧泵示意圖Fig.5 Diagram of oxygen pump for a certain engine

采用上述設(shè)計的試驗方法對其推力軸承進行了模擬運轉(zhuǎn)試驗。根據(jù)發(fā)動機的工作要求，對該軸承進行了常溫水介質(zhì)重復(fù)起停試驗和低溫液氮長時間運轉(zhuǎn)試驗。試驗過程中軸承轉(zhuǎn)速、載荷、冷卻流量均在實際工況下加有一定安全裕度。其中常溫試驗共進行了22次重復(fù)起停，每次運轉(zhuǎn)約200 s，低溫液氮試驗共運轉(zhuǎn)三次，每次運轉(zhuǎn)約1 800 s。圖6和圖7分別給出了常溫和低溫試驗過程中軸承轉(zhuǎn)速變化情況。從圖中可以看出常溫試驗運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速控制精度高，而低溫試驗由于渦輪驅(qū)動，轉(zhuǎn)速波動較大。

試驗完成后對試驗器進行分解，試后軸承結(jié)構(gòu)完整、轉(zhuǎn)動靈活，滾道跑和帶正常，軸承滾珠光亮無異常。

圖6 常溫水介質(zhì)重復(fù)起停試驗轉(zhuǎn)速Fig.6 Rotation speed of repeated startup and shutoff experiment in water environment

圖7 低溫液氮介質(zhì)長時間運轉(zhuǎn)試驗轉(zhuǎn)速Fig.7 Rotation speed of long time experiment in liquid nitrogen environment

軸承通過常溫和低溫模擬介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗后，其同批次軸承進行了發(fā)動機整機熱試車考核，包括發(fā)動機低工況起動、額定工況和高工況工作、以及單臺多次重復(fù)點火試驗。渦輪泵均正常工作，試車后產(chǎn)品分解表面軸承狀態(tài)良好。目前發(fā)動機試車中未出現(xiàn)軸承性能不足或疲勞導(dǎo)致的試車失敗等問題。

4 結(jié)論

1） 針對軸承壽命理論計算的不足，本文對模擬介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗核軸承壽命的試驗方法進行了研究。

2） 以某型發(fā)動機氧泵軸承為例，進行了常溫水介質(zhì)重復(fù)起停試驗研究和低溫液氮介質(zhì)長時間運轉(zhuǎn)試驗研究，同批次軸承通過發(fā)動機整機熱試車考核。說明該試驗裝置和試驗方法基本能獲取軸承的真實壽命。

［1］朱亮亮，林素敏，吉曉民.滾動軸承壽命計算方法的發(fā)展與分析［J］.哈爾濱軸承，2014（3）：3-6.

［2］朱寧昌.液體火箭發(fā)動機設(shè)計［M］.北京：中國宇航出版社，1994.

［3］李興林.滾道軸承疲勞壽命試驗新進展［J］.結(jié)構(gòu)與強度，2013（2）：448-450.

［4］李興林，李俊卿，張仰平，等.滾動軸承快速壽命試驗現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.軸承，2006（12）：44-47.

［5］郭婧.滾動軸承疲勞壽命綜述［J］.甘肅科技，2006（4）：133-134.

［6］楊潔.新的滾動軸承壽命理論計算方法［J］.西部探礦工程，2004（11）：147-148.

［7］楊潔，張曉東.滾動軸承壽命計算方法的分析與應(yīng)用［J］.石油機械，2004（5）：27-29.

［8］李興林.滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.現(xiàn)代零部件，2007（2）：66-71.

（編輯：王建喜）

Experimental research on bearing life of turbopump in liquid rocket engine

MAO Kai，MIAO Xusheng，CHEN Hui，NIU Xiaozhe
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

An experiment method to assess the bearing life of turbopump in liquid rocket engine is introduced according to particularity of turbopump bearing working condition of liquid rocket engine. Meanwhile，the experiment projects and special experiment system were designed.The experiment，in which normal temperature water and liquid nitrogen were taken as the running medium，was performed for a bearing used in the oxygen pump in a certain engine.The results show that the experiment system works well.The other bearings produced in the same batch as the bearing used in the experiment behaved perfectlyin a rocket engine hot test.

turbopump；bearing life；experiment

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0024-04

2016-01-05；

2016-02-03

航天支撐技術(shù)項目（617010411）

毛凱（1987—），男，碩士研究生，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機渦輪泵設(shè)計