【摘要】：神光III是我國在建的激光慣性約束核聚變工程，其中終端光學組件作為慣性約束核聚變中激光光路傳輸?shù)哪┒搜b置，承擔著頻率轉(zhuǎn)換、諧波分離和光路聚焦等功能。其核心元件KDP晶體鏡片工作環(huán)境必須為高潔凈和超高真空的大型密閉容器，要求無油和無碳氫化合物等污染，且工作真空度1×10-8Pa，極限真空度甚至要達到1×10-9Pa。為了滿足神光Ⅲ終端光學組件模塊高真空、高潔凈環(huán)境的要求，研制了磁懸浮復(fù)合分子泵作為達到高真空、高潔凈環(huán)境的主要裝置，采用無物理接觸和無需潤滑的磁軸承系統(tǒng)，融合渦輪葉片結(jié)構(gòu)和多螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無油蒸汽返流以及無其它碳氫化合物污染，對額定工作轉(zhuǎn)速高于其剛性臨界轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定性、高速運轉(zhuǎn)時陀螺效應(yīng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響、結(jié)構(gòu)模態(tài)和高階撓性模態(tài)振動的抑制、系統(tǒng)基座振動等問題進行分析研究，設(shè)計了磁懸浮復(fù)合分子泵結(jié)構(gòu)和及其控制器。磁懸浮復(fù)合分子泵系統(tǒng)的研制為神光Ⅲ工程實現(xiàn)達標奠定了堅實的基礎(chǔ)。 依據(jù)神光Ⅲ終端光學組件對高真空高潔凈環(huán)境的要求，確定磁懸浮復(fù)合分子泵的技術(shù)參數(shù)，對其總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和分析；根據(jù)渦輪葉片結(jié)構(gòu)和多螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)的工作原理，分別設(shè)計多級渦輪葉片和多螺旋槽牽引的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；利用Fluent軟件分別對設(shè)計的多級渦輪葉片和多螺旋槽牽引結(jié)構(gòu)進行了流場流態(tài)分析，對抽氣通道內(nèi)的流動規(guī)律進行了數(shù)值模擬，重點分析了多螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與抽速的關(guān)系，仿真結(jié)果為其結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。其結(jié)果證明在磁懸浮復(fù)合分子泵結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)合流場數(shù)值模擬可以節(jié)約設(shè)計成本，成為今后其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方法。 根據(jù)磁軸承系統(tǒng)工作原理對磁懸浮復(fù)合分子泵的徑向和軸向磁軸承機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和改進；針對磁懸浮復(fù)合分子泵高轉(zhuǎn)速、支撐剛度可變、陀螺效應(yīng)較強的特點以及薄葉片的結(jié)構(gòu)特征，建立磁懸浮復(fù)合分子泵磁軸承支撐葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，通過有限元軟件對葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行模態(tài)分析分析了葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，，對葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象進行分析，為控制器設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。 以磁懸浮復(fù)合分子泵葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為對象建立系統(tǒng)控制模型，并以此為研究對象進行分散PID控制器設(shè)計以滿足轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和正常運轉(zhuǎn)；設(shè)計交叉反饋控制器對轉(zhuǎn)子陀螺效應(yīng)進行抑制，通過Matlab軟件進行仿真分析驗證控制器的有效性；為了避免激發(fā)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模態(tài)和撓性高頻模態(tài)的振動，設(shè)計陷波濾波器；為了順利到達葉片轉(zhuǎn)子額定工作轉(zhuǎn)速，解決轉(zhuǎn)子大范圍不穩(wěn)定和轉(zhuǎn)子過剛性臨界轉(zhuǎn)速的問題，設(shè)計了變增益自適應(yīng)控制器；為了抑制磁懸浮復(fù)合分子泵轉(zhuǎn)子同頻振動和基座振動，設(shè)計不平衡補償控制器。 利用設(shè)計的變增益自適應(yīng)控制器和不平衡補償控制器對磁懸浮復(fù)合分子泵系統(tǒng)依次進行了轉(zhuǎn)子靜態(tài)懸浮、陀螺效應(yīng)抑制、不平衡補償控制和高速旋轉(zhuǎn)實驗測試。實驗結(jié)果表明磁懸浮復(fù)合分子泵系統(tǒng)在變增益自適應(yīng)控制器和不平衡補償控制器共同作用下，不僅能實現(xiàn)順利超越轉(zhuǎn)子剛性臨界轉(zhuǎn)速的要求，而且能夠克服轉(zhuǎn)子陀螺效應(yīng)的影響和抑制轉(zhuǎn)子撓性模態(tài)頻率，大幅度降低了系統(tǒng)基座的振動，具有較強的自適應(yīng)性和魯棒性，額定工作轉(zhuǎn)速可達24000rpm，額定工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子最大徑向振動小于7.8μm，轉(zhuǎn)子可在0~24000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)任何頻率處穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。驗證了變增益自適應(yīng)控制器和不平衡補償控制器的有效性和實用性，驗證了磁懸浮復(fù)合分子泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和模態(tài)分析的有效性和實用性，積累了磁懸浮復(fù)合分子泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和運行的經(jīng)驗。磁懸浮復(fù)合分子泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子振動和穩(wěn)定性等性能指標已經(jīng)能夠基本滿足神光Ⅲ終端光學組件模塊高真空、高潔凈環(huán)境對其的要求，整體性能居于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TH38;TP273

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

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本文編號：2331929