储能飞轮风损的理论计算与试验研究

高速旋转的储能飞轮与真空室内的稀薄气体因摩擦而产生的能量损耗即风损,从理论上对飞轮转子外壁和端面与气体的摩擦损耗功率进行推导,得到了飞轮风损的计算公式,依据对计算结果的分析,提出降低飞轮风损的措施。在飞轮储能系统试验系统上进行的风损测试结果与理论计算基本相符。当真空低于0.01Pa时,试验复合材料飞轮的风损可以忽略不计。     

储能飞轮转子轴承系统动力学设计与试验研究

飞轮储能系统通过飞轮升速和降速来实现电能储存和释放,研究飞轮转子轴承系统固有频率预计、临界转速设计、动平衡等动力学问题。采用永磁轴承与螺旋槽动压轴承的混合支承方式,建立储能飞轮强度、动力学和充放电特性试验研究装置,进行了动平衡、阻尼支承调整、飞轮储能系统损耗和发电量测试等试验,试验飞轮达到设计转速42.0 kr/min,总储能497 W·h,从42.0 kr/min降速到13.8 kr/min,可用放电能达到290 W·h。     

基于正交实验法的水润滑轴承结构参数优化设计

建立了8直槽水润滑轴承的数值模型，以偏心率、半径间隙、沟槽数量为影响因素，以摩擦因数、承载力为目标函数，进行正交试验，对水润滑轴承进行优化设计分析，结果表明：增大偏心率、减小轴承间隙、减少沟槽数量有助于降低摩擦因数与提高承载力。     

环形进气锥腔结构静压气体轴承性能研究

中心进气锥腔轴承承载力较高,但气腔容积较大,稳定性较差。对中心进气锥腔轴承结构进行改进,提出环形进气锥腔气体轴承;建立供气孔和轴承间隙组成的完整气体轴承流场,采用层流模式计算不同轴承结构参数时的压力分布、承载力和气容比,并计算优化结构的轴承的承载力和刚度。结果表明,在一定范围内增大锥腔高度和锥腔半径可以提高承载力,增大气容比;改进后的气体轴承承载力和刚度较高,气腔容积大大减小,稳定性提高。     

储能/姿控一体化飞轮能耗试验研究

给出了储能/姿控一体化飞轮在高速运转下能量损耗测试原理及方法,建立了飞轮能耗试验系统,进行了能耗试验,分析了飞轮能耗的组成及其影响因素,在试验的基础上,给出了降低飞轮系统能耗的方法。飞轮能耗包括机械损耗、风阻损耗及电损耗,其中比重最大的部分为轴承摩擦导致的机械损耗。提高真空度可以有效降低风阻损耗及电损耗,但机械损耗不受影响,机械损耗随转速升高而增大。在10 000 r/min以下飞轮能耗较低,飞轮具有较好的性能,当转速高于10 000 r/min后机械损耗急剧上升,需要采用磁轴承支撑来降低机械损耗。     

推力滑动轴承表面织构的优化设计

在推力滑动轴承表面设计轴对称分布的扇形直槽织构,以提高轴承的流体动压润滑性能。为对扇形直槽的参数(直槽的数目、深度和面积比)进行优化设计,将轴承的内外径、转速、润滑油黏度、轴承间隙以及直槽参数作为变量,求解不同变量值下的Reynolds方程,得到油膜承载力,运用最小二乘法对承载力的离散数据进行拟合,得到承载力的拟合函数,并推导出摩擦因数的表达式。针对"轴承间隙已知,要求承载力最大或者摩擦因数最小,以及承载力已知,要求轴承间隙最大或者摩擦因数最小"这四种约束条件及优化目标,利用承载力和摩擦因数的拟合公式,得到对应的直槽参数的最优值。通过数值试验,将拟合公式计算的承载力、轴承间隙和摩擦因数与直接求解Reynolds方程得到的结果进行对比,验证了直槽参数优化结果的正确性。设计加工三种具有不同直槽数目和深度的扇形直槽织构并进行摩擦试验,通过对比摩擦因数的计算值和试验值后发现,承载力和摩擦因数的拟合公式在趋势上是正确的,直槽参数的优化结果是可信的。     

径向螺旋槽空气轴承起飞速度与承载能力试验研究

起飞转速是空气轴承的重要性能指标。以螺旋槽空气轴承为研究对象,运用摄动法求解等温可压缩条件下螺旋槽气体润滑轴承压力分布的微分方程,得到空气轴承压力分布及承载力等特性;以最大承载力为目标,计算螺旋槽空气轴承的结构参数,并对设计的空气轴承进行试验,探究其不同载荷下的起飞速度。试验结果表明：空载状态下,转速约为1 200 r/min时空气轴承的转子与轴承套脱离接触,达到起飞速度;螺旋槽空气轴承的起飞速度与起飞转矩均随着的载荷的增加而逐渐升高,随着转速的升高,轴承的承载能力也越来越大。研究表明所设计的螺旋槽空气轴承具有良好的性能,为后续螺旋槽轴承设计优化及实际应用提供了理论与实践基础。     

基于有限元法的不同带槽球面轴承结构的对比分析

为进一步优化最佳带槽的球面轴承结构,建立螺旋槽和环形槽球面轴承模型,应用有限元软件分析球面轴承槽数目和槽半径对球面轴承力学性能的影响。结果表明:对于螺旋槽球面轴承,随螺旋槽槽数增大,最大应力和体积应变值都增大,随螺旋槽半径增大,最大应力值减小,而最大体积应变值则增大,螺旋槽槽数和半径太大或太小时,都易使轴承位移量增大;对于环形槽球面轴承,其最大位移量随槽数和半径的增大而增大,最大应力和体积应变量随着槽数目增大及槽半径的减小而增大;螺旋槽球面轴承的最大位移、最大应力和体积应变量大于环形槽球面轴承,但环形槽球面轴承的位移分布变化较快且范围大,压力分布不均匀,多次出现压力峰值,容易造成应力集中现象;对比环形槽球面轴承,槽数为5、半径为2.5 mm的螺旋槽球面轴承最大位移量最小,形变位置分布相对合理。     

飞轮储能用径向磁悬浮轴承结构优化设计

为了提高磁轴承的承载力,同时考虑损耗、临界转速、控制刚度等问题,应对磁轴承的结构尺寸进行最优设计。本文将果蝇优化算法引进到飞轮储能用径向磁悬浮轴承的优化设计中,以尺寸参数为优化变量,以承载力、体积和轴向长度为优化目标,对径向磁悬浮轴承进行多目标优化。通过优化,径向磁悬浮轴承的承载力提高了50%,轴向长度和体积分别减小了30.6%和19.3%。结果表明,本文设计的优化算法简单有效,减小了优化工作量,具有普遍适用性。     

螺旋槽狭缝节流动静压气体止推轴承静态特性

为优化动静压气体止推轴承的承载特性,设计一种具有螺旋槽和狭缝节流器结构的动静压气体止推轴承,采用Fluent对轴承静态特性进行仿真分析,通过改变主轴转速、供气压力,研究气膜厚度、螺旋槽宽度、狭缝厚度等参数对轴承静态特性的影响。结果表明:相对狭缝节流止推轴承,增加螺旋槽结构可以提升轴承的动压效应增强,从而提升轴承的承载力和刚度;相同条件下,气膜厚度越大,轴承的承载力和刚度越小;主轴转速和供气压力增加,承载力和刚度均提升明显;螺旋槽宽度增加,轴承的承载力和刚度先增大后减小;狭缝厚度增大,轴承的承载力先增大后不变,刚度先增加后减小;狭缝深度提升,轴承的承载力减小,刚度先增大后减小。     

螺旋槽上游泵送机械密封性能的解析计算

利用螺旋槽轴承的“窄槽”理论,计算分析了螺旋槽上游泵送机械密封的开启力、摩擦功耗和上游泵送速率等性能,给出了可用于该类密封设计的计算式。     

On the vibration of rotor-bearing system with squeeze film damper in an energy storage flywheel

The permanent magnetic bearing and the small-sized hydrodynamic spiral groove bearing are utilized as supports for the rotor of the energy storage flywheel system. The hydrodynamic bearing and the squeeze film damper do not need the oil cycle to remove the heat caused by friction because the friction loss is small. The linear dynamics model with four degrees of freedom is built to describe the vibration of the flywheel rotor-bearing system. The squeeze film dampers show good behavior in suppressing the vibration and improving the stability of the rotor-bearing system. The analytical solution of the dynamic characteristic coefficients of the squeeze film is achieved from Reynolds equation after some simplifications are taken. The numerical computation shows that the moment unbalance excites larger vibration of the rotor than the force unbalance. The upper damper plays an important role in helping the rotor pass its critical speed. The damping coefficient of the squeeze film dampers should be selected carefully. The flywheel arrived at the speed of 39,000 rpm and stored the energy of 308 Wh in the experiment. The calculated unbalance response is compared to the test response of the rotor storing quantities of kinetic energy. The comparison indicates that the dynamics model of the rotor-bearing-damper system is appropriate.     

螺旋槽-波锥坝组合型非接触式机械密封性能分析

针对液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下承载性能不足的问题,提出一种新型螺旋槽-波锥坝动静压组合型机械密封结构,采用MATLAB软件利用有限差分法求解考虑质量守恒空化边界的雷诺方程,并将组合槽与螺旋槽、波锥坝的密封性能进行比较,进一步分析不同结构参数与工况参数对组合槽性能参数的影响规律。结果表明:新槽型波数与螺旋槽数重合时组合密封在径向出现2个压力峰值,相较于单一槽型结构拥有更好的承载能力与较小的摩擦扭矩;液膜力与泄漏量随波锥比或径向宽度比的增加而增大,外径压力和转速越大,组合槽的承载性能提升越显著,但外径压力的升高会造成较大的径向泄漏。组合槽结合了波锥槽的静压承载与螺旋槽的动压承载综合优势,将有效提升液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下的润滑性能。     

飞轮储能系统中径向永磁轴承的设计研究

为解决飞轮系统中因轴承摩擦导致的能量损耗问题,设计了一种可以应用于飞轮系统的径向永磁轴承.分别利用Yonnet简化数学模型和有限元分析软件ANSYS Workbench,对轴承中的磁环进行了承载能力的计算和分析.结果表明,磁环所受径向力随磁环厚度、径向偏移量增加而增加,但其增加关系有所不同;另外,随着轴向偏移的增大,径向力逐渐减小、轴向力迅速增大.     

错位浮环轴承和螺线浮环轴承流体动力特性的比较

采用边界元法,对各种偏心率下错位浮环轴承和螺线浮环轴承的流体动力特性、流场和摩擦损耗进行了分析,并对各种偏心率下错位浮环轴承和螺线浮环轴承的摩擦损耗进行了定量研究,结果表明:在相同偏心率下,错位浮环轴承比螺线浮环轴承承载能力高、摩擦损耗低。     

Hydrodynamic calculation of a thrust plain bearing that operates with viscoelastic lubricant under turbulent friction conditions

An accurate self-similar solution of the problem on hydrodynamic calculation of the thrust plain bearing that operates at viscoelastic lubricant under turbulent friction conditions has been found. Two fluid states are examined separately: 1) the lubricant is fed into the bearing under total relaxation of an elastic component of deformation, and 2) the lubricant should be under an unstressed state outside the bearing and subjected to sudden shear with a certain speed at the moment of its entering into the bearing. Analysis of the obtained analytical expressions for the bearing’s basic operating performances, including bearing capacity and friction force, makes it possible to design thrust plain bearings with turbulent viscoelastic lubricant, which operate with less power loss than similar bearings with laminar viscoelastic lubricant.     

超导磁液推力轴承的结构设计及性能分析

为提高大型飞轮储能系统的效率和稳定性,设计了一种超导磁力与静压流体力相复合、由16块超导瓦和8块带小孔节流器的静压瓦组成的推力轴承。首先基于超导体局域模型和静压流体方程建立分析模型,然后采用解耦的方法分析复合轴承的刚度等性能指标,对复合轴承进行优化。结果表明复合轴承既可以保证稳定悬浮,又能保持较大的刚度,其功率损耗也在可接受范围内。     

The Effect of Viscosity Variations with Temperature on the Performance of Spiral Groove Bearings

The load capacity and power loss of spiral groove bearings, lubricated with a Newtonian, incompressible liquid with a viscosity depending on temperature only, are determined by solving the continuity and momentum equations analytically and the energy equation for the grooves and ridges numerically. It is assumed that the total flow perpendicular to the relative velocity of the bearing parts is zero. This implies that the generated heat is discharged by conduction to the bearing parts only. The effect of the “thermal entrance region” is investigated.