超导磁斥力与液膜力复合新型轴向径向联合轴承的建模和实验

以新一代火箭发动机液氢液氧涡轮泵为应用背景，围绕超导磁斥型小间隙约束的静动态特性、热粘磁动力学模型和稳定性等科学问题，开展超导磁斥力与液膜力复合新型轴向径向联合轴承的理论和试验研究。主要内容：研究超导磁体与永磁体形成的小间隙约束静力学和动力学特性，重点是改进现有超导磁斥力检测仪器使之适合微米级间隙下的精确检测；针对火箭发动机涡轮泵中的需求，提出超导磁斥力与液膜力复合作用下的新型轴向径向联合轴承的两种方案，进行轴承热粘磁动力学建模和性能优化；改造高速涡轮泵轴承试验台的轴承安装部分，并将转速29000rpm提高50%左右，对新型轴承的膜厚、温度等关键性能参数进行测试，进行轴承刚度阻尼系数识别、轴系稳定性特征参数提取。本项目超导磁斥力与液膜力复合的涡轮泵轴承方案不同于西方国家的固定瓦轴承方案，而是含有可倾瓦块的轴向径向组合方案，本项目的实施将提供理论成果、关键技术和新型轴承性能数据。

本项目以新一代液体火箭发动机液氢液氧涡轮泵为应用前景，将超导磁悬浮技术与液体支撑技术引入到涡轮泵轴系支撑中，提出了一种超导磁液复合轴承。其特色在于超导可倾瓦结构的提出和具体实施，最终实现了超导磁力和动压液膜力的复合。项目围绕“超导磁斥型小间隙约束的静动态特性”和“新型超导磁液复合轴承润滑性能和稳定性的实验及性能规律”两个科学问题，开展了超导磁力与液膜力复合新型轴承的理论和试验研究。主要研究内容有：研究超导体与永磁体形成的小间隙约束静力学和动力学特性，重点是改进现有超导磁力检测仪器使之适合微米级间隙下的精确检测；针对火箭发动机涡轮泵的应用需求，提出超导磁力与液膜力复合作用下的轴承承载方案，建立了复合轴承的热粘磁分析模型并分析其静动特性；对磁液复合轴承中超导磁场进行理论和实验研究，研究冷却方式、永磁体推力盘振动、振动速度及材料物理性能等对超导磁力的影响；对磁液复合轴承中的流场进行理论和实验研究，获取其膜厚、温升、刚度等特征参数；建立超导磁液复合轴承的实验平台及综合测试系统，验证理论分析结果和复合轴承的优越性。本项目最具特色的研究成果有：微小间隙超导块材-永磁系统磁力测试仪器的搭建；不同条件下超导轴承圆形瓦块的磁力-位移曲线的实验研究，发现了磁滞回线的交叉现象，建立了超导磁通平衡理论并从物理层次解释了交叉现象；研究发现永磁体推力盘的往复振动可以减弱复合轴承中磁力蠕动现象并提高系统刚度；建立了超导磁液复合轴承的热粘磁模型，研究发现超导磁力与动压液膜力复合后既可以保证系统启动阶段无接触摩擦，又可以在工作阶段具有高刚度以抵抗冲击载荷；搭建了超导磁液复合轴承性能测试试验台，初步验证了理论分析结果。本项目的科学意义在于两种不同性质力（超导磁力和动压液膜力）的物理复合和结构实现，推动了超导轴承的实际应用进程，为发展新一代高速高可靠性液体火箭发动机提供了理论和技术参考。本项目的预期指标均满足要求：已发表和录用论文19篇（含5篇SCI/EI）,在审SCI/EI论文还有5篇；申请发明专利1项，已公开；培养博士研究生3人，硕士研究生5人（均已毕业）。