在空间运载系统中,以液氢、液氧为燃料的液体火箭发动机在商用和军用中都占据着重要地位,而工作在超低温、高转速以及大载荷下的涡轮泵轴承的性能好坏将直接影响整机的运转。涡轮泵轴承通常采用角接触球轴承,工作时DN值超过2×10~6,保持架受力的复杂程度显著增加,常出现保持架失稳甚至断裂的严重故障,因此对超低温环境下保持架进行动力学特性分析以及流-固-热耦合的分析研究,对解决超低温条件下轴承的延寿及可靠性问题具有十分重要的意义。本文考虑超低温和高速对保持架变形及径向游隙的影响,建立涡轮泵角接触球轴承动力学分析模型,分析不同结构参数和工况参数对轴承保持架动态特性及轴承摩擦功耗的影响。最后考虑冷却介质的流速及压力,建立流-固-热三相耦合模型,对超低温环境下保持架的温度场和强度进行分析。主要结论有:1.由于保持架结构复杂,传统理论公式难以精确计算保持架变形量,可以利用有限元数值模拟方法获取保持架在超低温环境下的变形量,并通过实验验证了数值分析方法的可靠性。2.角接触球轴承在超低温环境下保持架兜孔形状为椭圆形,保持架打滑率随轴承转速、径向游隙以及兜孔轴向间隙增加而增加;随轴承载荷、引导间隙及保持架兜孔周向间隙增加而减小。轴承摩擦功耗随轴承转速、轴向载荷、引导间隙、兜孔周向间隙以及轴向间隙增加而增加;随径向载荷和径向游隙增加而减小。3.建立了流-固-热三相耦合分析模型,分析了在不同入口流速下的流体流速和流体压力。然后在考虑流体温度和轴承摩擦功耗的情况下,对轴承保持架进行温度场分析,得出保持架最高温度在兜孔周向位置处,且温度随着流体入口流速的增加而降低。最后综合考虑流体对轴承的冲击作用以及温度场对保持架的影响,分析了保持架的强度,得出保持架最大应力在兜孔轴向位置处,且随着入口流速增加,保持架应力增大,因此在进行保持架结构设计时应合理设计兜孔周向和轴向大小。由于目前超低温试验条件的限制,难以直接进行真空液氢环境下的轴承台架试验。本文所建立的涡轮泵轴承动力学仿真模型是在考虑了超低温对轴承尺寸的影响后,基于常温下角接触轴承动力学模型建立的,所以采用常温角接触球轴承保持架打滑率试验,对比验证常温下的涡轮泵轴承的仿真结果,间接的验证了本文所建立的动力学模型可靠性。研究结果可为超低温涡轮泵用角接触球轴承的研究和设计提供一定的理论依据。