本文關(guān)鍵詞：透平膨脹機(jī)磁氣混合軸承特性研究　出處：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：本研究主要針對(duì)透平膨脹機(jī)的工作特性,對(duì)磁氣混合軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性展開(kāi)研究。文獻(xiàn)研究表明,電磁軸承和氣體軸承作為兩種典型的高速支承方式,都具有幾乎無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)污染、能在高溫和低溫環(huán)境下工作的優(yōu)點(diǎn)。電磁軸承通過(guò)給定子交流線圈通電,使電磁鐵定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生電磁力,因此,電磁軸承會(huì)產(chǎn)生功耗,線圈的發(fā)熱會(huì)對(duì)制冷膨脹機(jī),特別是低溫膨脹機(jī)產(chǎn)生不利影響。氣體軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性差、低速階段摩擦較強(qiáng)、相對(duì)于油軸承其承載能力小。若將電磁軸承和氣體軸承結(jié)合起來(lái),其性能要比單獨(dú)的電磁軸承和氣體軸承優(yōu)越。首先,在轉(zhuǎn)子啟�；虻退匐A段,由電磁軸承支承,改善了氣體軸承啟停階段的干摩擦;其次,當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高到一定的氣浮轉(zhuǎn)速后,由氣體軸承承擔(dān)全部載荷或大部分載荷,電磁軸承不承擔(dān)載荷或僅承擔(dān)一小部分載荷,這可降低電磁軸承的功耗,減少線圈的發(fā)熱。另外,對(duì)于小型的低溫透平膨脹機(jī)來(lái)說(shuō),由于膨脹機(jī)的輸出功率較小,沒(méi)有對(duì)這部分能量回收,使膨脹機(jī)發(fā)出的功率全部浪費(fèi)掉。本文提出將膨脹機(jī)的風(fēng)機(jī)輪改為增壓機(jī),將增壓后的氣體供給到氣體軸承,不僅可以提高動(dòng)壓氣體軸承的承載能力,縮短轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度,而且提高了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性,有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。為了更好的了解磁氣混合軸承的性能,本文首先對(duì)電磁軸承和動(dòng)壓氣體軸承的承載特性進(jìn)行單獨(dú)研究,為磁氣混合軸承的性能研究奠定基礎(chǔ),其主要研究工作如下:首先,針對(duì)透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng),研究電磁軸承的承載特性。利用ANSYS軟件對(duì)電磁軸承的磁場(chǎng)分析,確定電磁軸承的磁場(chǎng)分布。另外,軸向電磁軸承與轉(zhuǎn)軸之間存在漏磁,實(shí)際工作過(guò)程中,軸向軸承因加工精度、安裝誤差和運(yùn)行狀態(tài)的改變,軸心和軸承中心會(huì)產(chǎn)生偏離,使軸向電磁軸承在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)產(chǎn)生不平衡的徑向力,研究了軸向電磁軸承漏磁對(duì)電磁軸承系統(tǒng)的影響。同時(shí),對(duì)電磁軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究,分析軸承支承剛度和阻尼對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的影響。另外,對(duì)電磁軸承支承的透平膨脹機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,將測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了此轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,為后續(xù)磁氣混合軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。其次,針對(duì)透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng),研究環(huán)境壓力對(duì)動(dòng)壓氣體軸承承載特性的影響。動(dòng)壓氣體軸承的潤(rùn)滑介質(zhì)為可壓縮流體,可壓縮潤(rùn)滑膜的流動(dòng)壓力與環(huán)境壓力有關(guān)。本文提出將小型低溫透平膨脹機(jī)風(fēng)機(jī)輪改為增壓輪,將增壓后的氣體供給到氣體軸承,以提高氣體軸承端部的環(huán)境壓力。本文研究了軸承端部環(huán)境壓力對(duì)動(dòng)壓氣體軸承靜動(dòng)態(tài)特性的影響。研究表明,增加氣體軸承的環(huán)境壓力,可提高氣體軸承的承載能力。提高環(huán)境壓力能夠提高動(dòng)壓氣體軸承性能的這一優(yōu)點(diǎn),可擴(kuò)大動(dòng)壓氣體軸承的應(yīng)用范圍,使動(dòng)壓氣體軸承不僅僅局限于高速輕載的場(chǎng)合。另外,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在小偏心率下容易失穩(wěn),環(huán)境壓力增加可提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在小偏心率下的穩(wěn)定性。因此,在其他條件不變的情況下,提高軸承環(huán)境壓力,不僅可以提高軸承的承載能力,縮短轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度,而且提高了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性,有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。再次,上述結(jié)果表明提高軸承的環(huán)境壓力可提高動(dòng)壓氣體軸承的承載特性。本文研究作為增壓機(jī)的風(fēng)機(jī)葉輪,通過(guò)消耗透平膨脹機(jī)的機(jī)械功壓縮氣體,提高出口管氣體壓力。在透平膨脹機(jī)功率耦合匹配的前提下,設(shè)計(jì)高壓比增壓葉輪,并對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行分析,驗(yàn)證了通過(guò)增壓輪提高動(dòng)壓氣體軸承環(huán)境壓力的可行性。最后,磁氣軸承相結(jié)合,改變了原有的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。在電磁軸承和氣體軸承性能研究的基礎(chǔ)上,分析磁氣混合軸承支承的透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,對(duì)磁氣混合軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析、臨界轉(zhuǎn)速分析、不平衡響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。分析結(jié)果表明,在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),可通過(guò)改變磁氣混合軸承的位置調(diào)整轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在勻加速狀態(tài)和沖擊載荷作用下,都不會(huì)產(chǎn)生較大響應(yīng)和碰撞,系統(tǒng)安全可靠,為后續(xù)磁氣混合軸承的研究奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH133.3;TB653

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1328227