一种被动磁悬浮斜盘式液氢柱塞泵

本发明涉及液氢输送泵，具体涉及一种被动磁悬浮斜盘式液氢柱塞泵。

背景技术：

1、液氢泵是用于在超低温条件下（-253℃）输送液态氢的关键流体机械，主要分为离心泵和往复泵。离心泵：液氢通过泵入口进入叶轮，在叶轮高速旋转产生的离心力作用下，动能迅速提升，经过泵体蜗壳或扩压器部分转换为压力能，实现液氢的加压输送。往复泵：以往复柱塞泵为例，通过电机带动曲柄连杆机构，使柱塞在泵体内做往复运动。柱塞向后行程时产生吸力，将液氢吸入泵腔；向前行程时推动液氢排出，实现定量输送和加压。液氢泵在超低温（-253℃）工况下的润滑和磨损问题是制约其可靠性与寿命的核心技术瓶颈，其本质是极低温环境对润滑剂性能、摩擦副材料适配性、润滑方式的严苛限制。以下是具体问题及行业主流应对方案的结构化梳理：

2、1.润滑剂失效：具体表现为常规润滑油在液氢温度下凝固、黏度急剧升高，丧失流动性；部分润滑剂与液氢发生相溶或化学反应，产生杂质。其根本原因是液氢的超低温特性破坏润滑剂分子结构；液氢作为强溶剂，易与碳氢类润滑剂互溶。

3、2.边界润滑缺失：具体表现为摩擦副表面难以形成稳定的润滑膜，金属直接接触概率大幅提升。其根本原因是液氢的表面张力极低，无法在摩擦副表面吸附形成有效润滑层；极低温下材料表面能变化，润滑膜附着力下降。

4、3.磨损形式特殊且剧烈：具体表现为以冷焊磨损和磨粒磨损为主，伴随轻微黏着磨损。其根本原因是：一方面，超低温下金属表面氧化膜破裂，洁净金属接触发生原子级黏合（冷焊）；另一方面，液氢中微量杂质（如管道碎屑）或摩擦副剥落颗粒加剧磨粒磨损。

5、4.润滑系统适配性差：具体表现为润滑管路易因低温收缩、堵塞；润滑剂加注与回收困难，易造成液氢污染。其根本原因是：常规润滑系统的密封、管路材料无法耐受超低温，且液氢与润滑剂的分离难度大。

6、行业主流解决策略包括无油润滑技术、液氢自身作为润滑剂和低温专用润滑剂。

7、针对无油润滑技术，自润滑材料应用摩擦副采用聚四氟乙烯（ptfe）基复合材料、填充型聚酰亚胺（pi）或金属基自润滑涂层，利用材料自身的固体润滑相（如石墨、二硫化钼、氮化硼）在摩擦过程中转移形成润滑膜，避免液体润滑剂的使用。例如：液氢离心泵的叶轮轴套采用ptfe+青铜粉复合材料，可在-253℃下保持低摩擦系数（0.1~0.2）。金属摩擦副的表面改性对不锈钢、镍基合金等基体进行离子注入、激光熔覆或类金刚石涂层（dlc）处理，提升表面硬度和耐磨性，降低冷焊倾向。如dlc涂层的摩擦副在液氢环境下的冷焊发生率可降低80%以上。但是自润滑材料在超低温下的寿命衰减快（如ptfe复合材料在高载荷下的磨损率是室温下的3~5倍）。

8、针对液氢自身作为润滑剂，利用液氢的极低黏度（约0.01mpa•s）和良好的流动性，直接作为润滑介质，适用于间隙密封型摩擦副（如迷宫密封的转子与定子间隙）。无需额外润滑系统，无润滑剂污染液氢风险；仅适用于低载荷、低转速工况，高载荷下仍需依赖自润滑材料。并且液氢形成的膜的承载力和厚度远低于润滑油脂，极易发生破裂，导致零件之间干摩擦。

9、针对低温专用润滑剂，针对液氢工况开发全氟聚醚（pfpe）类润滑剂，这类润滑剂具有优异的低温流动性（可耐受-200℃以下）、与液氢的相容性好，且化学稳定性高。高载荷往复式液氢泵的柱塞与缸体密封润滑；需严格控制润滑剂加注量，避免过量润滑剂进入液氢输送系统。

10、随着氢能源应用的发展，液氢泵正朝着小型集成化、无接触无油化、低蒸发高效率、智能自适应方向快速演进。商用液氢飞机的开发是当前航空业脱碳最前沿、最具挑战性的领域之一。预计在2035年左右，空客推出全球首款零排放的氢动力商用客机（zeroe）。目前飞机用液氢泵技术正处于摸索阶段，尚未有成熟产品公开。与传统加氢站柱塞泵相比，飞机用柱塞泵的外形尺寸受到限制，为保证大流量输出需要增加柱塞数量并提高转速，摩擦副会产生剧烈的磨损和热量，若磨损过快、液氢汽蚀，将导致泵失效，造成严重事故。为解决无油润滑技术及液氢自润滑技术存在的局限性问题，本发明利用低温磁悬浮原理，设计出一种适用于液氢环境的柱塞泵。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有的无油润滑技术在超低温液氢环境下自润滑材料磨损快、液氢自润滑技术适配工况受限且润滑膜易破裂，难以满足小型集成化、高流量飞机用斜盘式液氢柱塞泵的长寿命高可靠性需求的问题，进而提供一种被动磁悬浮斜盘式液氢柱塞泵。

2、本发明的技术方案是：

3、本发明提供了一种被动磁悬浮斜盘式液氢柱塞泵，所述柱塞泵包括驱动轴1，所述驱动轴1上设有可沿其轴向移动且周向限位的缸筒2，所述缸筒2上设有多个用于液氢吸入与排出的柱塞腔，各所述柱塞腔中均设有可滑动的柱塞滑靴机构3；

4、所述缸筒2的后方设有用于对各所述柱塞滑靴机构3的滑靴进行定位的回程盘4，所述驱动轴1上设有与所述回程盘4匹配的球铰结构，用于所述回程盘4的限位；

5、所述缸筒2的一侧设有斜盘5，所述滑靴与斜盘5配合形成滑靴副，所述缸筒2的另一侧设有配流盘6，所述缸筒2与配流盘6配合形成配流副；

6、所述滑靴副上设有相互配合的超导材料与永磁体材料，所述配流副上也设有相互配合的超导材料与永磁体材料；

7、液氢提供的低温环境使超导材料产生磁悬浮力，配合永磁体材料的斥力作用，使滑靴副与配流副的接触面均形成悬浮间隙。

8、进一步地，所述配流盘6上设有第二被动磁悬浮结构8，所述第二被动磁悬浮结构8由超导材料制成；

9、所述缸筒2上设有第三被动磁悬浮结构9，所述第三被动磁悬浮结构9由永磁体材料制成，且第二被动磁悬浮结构8与第三被动磁悬浮结构9相对布置。

10、进一步地，所述斜盘5和第三被动磁悬浮结构9均采用铷磁铁；

11、所述第一被动磁悬浮结构7和第二被动磁悬浮结构8均采用ybco；

12、缸筒2和配流盘6均采用不锈钢，滑靴采用无氧铜；

13、斜盘5与滑靴接触的斜面经过dlc强化处理。

14、进一步地，所述柱塞泵还包括壳体10以及分别设置在所述壳体10前后两端的前盖11和后盖12，所述缸筒2外侧设有壳体10，壳体10前后两端分别设有前盖11和后盖12，所述壳体10与前盖11和后盖12围合形成用于容纳液氢的液氢容纳腔；

15、所述配流盘6上沿圆周方向开设有多个配流窗口，所述前盖11上设有液氢进出口通道，所述液氢进出口通道与对应的配流窗口与柱塞腔依次连通，实现液氢输送。

16、进一步地，所述第一被动磁悬浮结构7为圆柱形超导材料，所述圆柱形超导材料镶嵌于所述滑靴后端中心；

17、所述第二被动磁悬浮结构8为直径不同的两个圆环状超导材料，两个圆环状超导材料镶嵌于所述配流盘6后端，两个圆环状超导材料分别位于所述配流窗口的内侧和外侧；

18、所述第三被动磁悬浮结构9为直径不同的两个圆环状永磁体，两个圆环状永磁体镶嵌于所述缸筒2前端，两个圆环状永磁体分别位于所述柱塞腔的内侧和外侧。

19、进一步地，所述驱动轴1上设有外花键，所述缸筒2上设有外花键，所述驱动轴1与缸筒2通过花键连接，以实现缸筒2的周向限位与轴向移动。

20、进一步地，所述柱塞泵设有力平衡机构14，所述力平衡机构14对应缸筒2的轴向受力设置，所述轴向受力由滑靴副中超导材料与永磁体材料的斥力、配流副中超导材料与永磁体材料的斥力共同产生，力平衡机构14用于平衡该轴向受力，以维持滑靴副与配流副的悬浮间隙稳定。

21、进一步地，所述力平衡机构14包括弹簧15和弹簧挡圈16，所述驱动轴1的外花键与球铰结构之间的轴段同轴嵌套有弹簧15，所述弹簧15靠近球铰结构的一侧设有弹簧挡圈16，所述驱动轴1上沿圆周方向开设有用于固定所述弹簧挡圈16的挡圈环槽，所述弹簧15一端与弹簧挡圈16的端面相抵，所述弹簧15另一端与所述缸筒2的内花键端面相抵。

22、进一步地，所述滑靴后端中心、配流盘6后端和缸筒2前端的各端面均开槽，用于镶嵌圆柱形超导材料、圆环状超导材料或圆环状永磁体。

23、本发明与现有技术相比具有以下效果：

24、本发明利用低温磁悬浮原理，在滑靴副和配流副处设置相互配合的超导材料与永磁体材料，结合液氢的超低温环境实现了摩擦副的无接触运行，相比现有技术解决了超低温液氢环境下的润滑和磨损难题，具体技术效果如下：

25、1.本发明在滑靴与斜盘5形成的滑靴副、缸筒2与配流盘6形成的配流副上均设置相互配合的超导材料与永磁体材料，液氢提供的-253℃超低温环境使超导材料产生磁悬浮力，配合永磁体材料的斥力作用，使滑靴副与配流副的接触面均形成悬浮间隙，有效减少了摩擦副之间的直接接触，降低了摩擦磨损，尤其在泵的启停阶段或者极端工况下，能有效避免零件之间的干摩擦，解决了现有无油润滑技术中自润滑材料磨损快、液氢自润滑技术润滑膜易破裂的问题。

26、2.本发明通过设置力平衡机构14，利用固定在驱动轴1上的弹簧反向支撑缸筒2，弹簧的弹性系数与滑靴副、配流副产生的轴向斥力总和相适配，能够平衡缸筒2因磁悬浮力产生的轴向受力，避免因悬浮抗力使得缸筒2与配流盘6接触面的间隙过大，维持滑靴副与配流副的悬浮间隙稳定，进而保障液氢输送的密封性，满足柱塞泵的液氢输送需求。

27、3.本发明将第一被动磁悬浮结构7设为圆柱形超导材料并镶嵌于滑靴后端中心，第二被动磁悬浮结构8设为两个圆环状超导材料并镶嵌于配流盘6后端配流窗口的内侧和外侧，第三被动磁悬浮结构9设为两个圆环状永磁体并镶嵌于缸筒2前端柱塞腔的内侧和外侧，该结构设计使超导材料与永磁体材料的相对作用面积匹配，保证磁悬浮力的有效产生，同时与柱塞泵的结构相适配，不影响液氢的吸入与排出，适配飞机用柱塞泵小型集成化的设计需求。

28、4.本发明的斜盘5与滑靴接触的斜面经过dlc强化处理，缸筒2和配流盘6采用不锈钢、滑靴采用无氧铜，在利用磁悬浮技术实现无接触运行的基础上，进一步提升了摩擦副的表面硬度和耐磨性，降低了冷焊倾向，配合磁悬浮结构的设置，进一步延长了柱塞泵的使用寿命，满足高流量飞机用斜盘式液氢柱塞泵的长寿命高可靠性需求。

29、5.本发明驱动轴1与缸筒2通过花键连接，实现缸筒2周向限位与轴向移动的配合需求。驱动轴1能够有效传递扭矩带动缸筒2转动，实现液氢的连续输送，满足高流量的输送需求。