透平膨胀机磁气混合轴承特性研究

发布时间：2017-12-24 11:32

本文关键词：透平膨胀机磁气混合轴承特性研究　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本研究主要针对透平膨胀机的工作特性,对磁气混合轴承转子系统的动力学特性展开研究。文献研究表明,电磁轴承和气体轴承作为两种典型的高速支承方式,都具有几乎无摩擦、无磨损、无污染、能在高温和低温环境下工作的优点。电磁轴承通过给定子交流线圈通电,使电磁铁定子与转子之间产生电磁力,因此,电磁轴承会产生功耗,线圈的发热会对制冷膨胀机,特别是低温膨胀机产生不利影响。气体轴承运行的稳定性差、低速阶段摩擦较强、相对于油轴承其承载能力小。若将电磁轴承和气体轴承结合起来,其性能要比单独的电磁轴承和气体轴承优越。首先,在转子启停或低速阶段,由电磁轴承支承,改善了气体轴承启停阶段的干摩擦;其次,当转子的转速升高到一定的气浮转速后,由气体轴承承担全部载荷或大部分载荷,电磁轴承不承担载荷或仅承担一小部分载荷,这可降低电磁轴承的功耗,减少线圈的发热。另外,对于小型的低温透平膨胀机来说,由于膨胀机的输出功率较小,没有对这部分能量回收,使膨胀机发出的功率全部浪费掉。本文提出将膨胀机的风机轮改为增压机,将增压后的气体供给到气体轴承,不仅可以提高动压气体轴承的承载能力,缩短转子长度,而且提高了转子系统的稳定性,有利于改善系统的动力学特性。为了更好的了解磁气混合轴承的性能,本文首先对电磁轴承和动压气体轴承的承载特性进行单独研究,为磁气混合轴承的性能研究奠定基础,其主要研究工作如下:首先,针对透平膨胀机转子系统,研究电磁轴承的承载特性。利用ANSYS软件对电磁轴承的磁场分析,确定电磁轴承的磁场分布。另外,轴向电磁轴承与转轴之间存在漏磁,实际工作过程中,轴向轴承因加工精度、安装误差和运行状态的改变,轴心和轴承中心会产生偏离,使轴向电磁轴承在转轴两侧产生不平衡的径向力,研究了轴向电磁轴承漏磁对电磁轴承系统的影响。同时,对电磁轴承支承的转子系统的动力学特性进行研究,分析轴承支承刚度和阻尼对转子系统临界转速的影响。另外,对电磁轴承支承的透平膨胀机样机实验测试,将测试结果与理论结果对比,验证了此转子系统运行的可靠性,为后续磁气混合轴承转子系统的研究奠定基础。其次,针对透平膨胀机转子系统,研究环境压力对动压气体轴承承载特性的影响。动压气体轴承的润滑介质为可压缩流体,可压缩润滑膜的流动压力与环境压力有关。本文提出将小型低温透平膨胀机风机轮改为增压轮,将增压后的气体供给到气体轴承,以提高气体轴承端部的环境压力。本文研究了轴承端部环境压力对动压气体轴承静动态特性的影响。研究表明,增加气体轴承的环境压力,可提高气体轴承的承载能力。提高环境压力能够提高动压气体轴承性能的这一优点,可扩大动压气体轴承的应用范围,使动压气体轴承不仅仅局限于高速轻载的场合。另外,转子系统在小偏心率下容易失稳,环境压力增加可提高转子系统在小偏心率下的稳定性。因此,在其他条件不变的情况下,提高轴承环境压力,不仅可以提高轴承的承载能力,缩短转子长度,而且提高了转子系统的稳定性,有利于改善系统的动力学特性。再次,上述结果表明提高轴承的环境压力可提高动压气体轴承的承载特性。本文研究作为增压机的风机叶轮,通过消耗透平膨胀机的机械功压缩气体,提高出口管气体压力。在透平膨胀机功率耦合匹配的前提下,设计高压比增压叶轮,并对其流场进行分析,验证了通过增压轮提高动压气体轴承环境压力的可行性。最后,磁气轴承相结合,改变了原有的转子系统的动力学特性。在电磁轴承和气体轴承性能研究的基础上,分析磁气混合轴承支承的透平膨胀机转子系统的动力学特性,对磁气混合轴承支承的转子系统进行模态分析、临界转速分析、不平衡响应分析和瞬态动力学分析。分析结果表明,在一定转速范围内,可通过改变磁气混合轴承的位置调整转子系统的临界转速。转子系统在匀加速状态和冲击载荷作用下,都不会产生较大响应和碰撞,系统安全可靠,为后续磁气混合轴承的研究奠定了基础。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH133.3;TB653

【参考文献】