离心式压缩机转子过盈配合的弹塑性接触分析

为了更合理地确定离心压缩机叶轮与轴之间的配合关系,综合研究了叶轮外径及转子转速对接触应力的影响,并提出相应的装配过盈量计算模型。叶轮外径沿轴向方向呈一定的规律变化,轴向方向上不同位置叶轮的刚度随之变化,进而影响接触应力和位移;叶轮因转速产生径向位移,进而对接触应力形成减小效应,接触应力的减少程度与转速及轴向不同位置的叶轮结构有关;综合考虑叶轮轴径和转速的影响,结合压缩机转子接触应力和轴向力矩约束条件,提出了最优过盈量计算模型。基于Abaqus的分析结果验证了理论模型的合理性。     

斜流压缩机转子与蜗壳匹配的内流分析

用时均N—S方程对包含斜流叶轮、无叶扩压器与蜗壳一体的斜流压气机进行了整机计算。通过特定截面的不同流动谱图，初步比较了3种不同结构的蜗壳和扩压器的配置方式，讨论了这种型式的斜流压缩机转子子午面流动状况，为叶轮流道及其匹配设计提供了依据。并将转子出口的计算结果和实验值进行了比较。计算得到的子午面流线分布、转子上下游的子午面速度分布与设计值较吻合。     

片状转子磁悬浮控制系统的研究

转子轴向尺寸大幅缩小后形状趋于片状,轴向转动惯量与径向转动惯量之比增大,称为片状转子。片状转子磁悬浮轴承系统因陀螺效应而存在耦合,随着转子转速的升高,耦合现象也随之加强。针对片状转子的数学模型,基于交叉反馈算法,推算了轴向三控制点间的交叉反馈系数,对系统进行Simulink仿真,仿真结果表明以此算法为基础开发的控制系统能够完全消除因陀螺效应产生的耦合作用。实验对比了分散控制系统和交叉反馈解耦控制系统下控制电流和位移的幅值。交叉反馈控制系统下的控制电流和位移有明显减小。     

感应式主动磁悬浮球形电动关节的机理研究

多自由度磁阻式主动磁悬浮球形电动关节机械集成度高,在控制和轨迹规划方面占有优势。但由于磁阻式球形电动关节悬浮和旋转精度受限于转子位姿和瞬时步距角,且不能实现绕过球心的任意轴旋转,致使响应速度不能达到最快。提出感应式主动磁悬浮球形电动关节,研究其旋转和悬浮机理,基于气隙磁感应强度分布建立关节的电磁悬浮力和电磁转矩数学模型;通过有限元仿真分析磁感应强度、电磁悬浮力和电磁转矩等的分布特性,建立主动磁悬浮球形电动关节系统的试验台,对关节转子位移特性、悬浮和旋转特性进行测试试验研究。     

传感器径向安装检测转子轴向位移的试验

在磁悬浮轴承中,经常采用转子轴向位移轴向检测的方法,但是不能满足某些空间受限场合的应用要求。针对此问题,本试验采用在转子回转表面加工台阶,传感器径向安装在台阶处,研究了不同安装间隙、不同高度台阶、不同转子径向位移情况下对转子轴向位移测量结果的影响。试验结果表明,在传感器线性测量范围内,传感器输出电压与转子轴向位移成正比,利用径向安装传感器对转子轴向位移进行测量的方法是可行的。     

电涡流传感器检测磁悬浮转子轴向位移的方法

磁悬浮转子的轴向位移常常利用电涡流传感器从转子轴向方向来检测,这一方法具有一定局限性。针对这一情况,在分析了电涡流传感器的工作原理以及输出特性的影响因素后,研究了利用被测导体的台阶表面来检测导体沿传感器径向方向的位移的方法。在该方法中,采用与差动相反的思想,将关于被测导体对称布置的两个传感器的输出进行加和,来消除传感器线圈与导体间距离的变化对检测结果的影响。结合磁悬浮转子的特性,提出了磁悬浮转子轴向位移径向检测的方法,并进行了实验验证,结果表明传感器的输出电压之和与转子轴向位移之间具有良好的线性关系和灵敏度,验证了该方法的正确性和可行性。     

TA150离心空压机叶轮故障分析及处理

TA150离心空气压缩机在一次电力故障中停车,因压缩机出口放散阀动作滞后,压缩后的空气倒流,导致空压机瞬间反转,一、二级转子位移超差,造成二级叶轮前端变形。为恢复叶轮性能,采取措施对变形的二叶轮进行修复,对修复后的叶轮进行动平衡试验,验证修复效果,确保TA150空压机的正常运行。     

体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵原理及关键技术研究

在中国国家自然科学基金资助项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵的研究》,河北省回国留学人员择优资助经费项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋轴流血泵研究》,以及流体传动及控制国家重点实验室(浙江大学)开放基金资助项目《磁悬浮外磁场驱动轴流血泵的研究》的共同资助下,开展体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵(TMSCSI-BP-DOD)工作原理及关键技术研究,制造出物理原型样机,对研究取得的成果进行学术总结报告.为减少和消除血泵流道结构不合理引发的溶血和血栓问题,以减小血液流动剪切速度为目标,基于“静止进口导叶导轮+锥形螺旋叶轮转子+静止出口导叶导轮”的结构,提出一种体外驱动、在轴向和径向完全实现磁悬浮的新式血泵——TMSCSI-BP-DOD,建立起锥形螺旋叶轮转子及其流道内的血液学和流体动力学模型,模拟分析血液流场和流动规律.运用计算流体动力学(CFD)方法考察一定转动速度下,锥形螺旋叶轮转子叶片数、叶片螺距、转子锥度、进出口导轮叶片形状和导轮叶片数等参量对血泵流场、输出流量和压力的影响规律,模拟血泵结构参数变化对血泵性能的影响.通过仿真计算得到21条研究推论,归纳出5条研究结论.提出了TMSCSI-BP-DOD转子、叶片、导轮设计应遵循的7条设计准则:血泵进口端壳体和出口端壳体内表面应该设计成流线形状;进出口导轮应该设计成锥弧形曲面,并能与血泵进口端壳体和出口端壳体内表面相匹配;转子应该设计成锥形,转子锥度应该选取为9.46°;与转子对应的血泵壳体部分内表面应该设计成锥形,并与转子的锥度相同;锥形转子上的叶片应为螺旋状,且选取螺旋头数为3,即螺旋叶片数为3;锥形转子上螺旋叶片的螺距应该选取为35 mm;进出口导轮上的导叶片形状应设计成圆弧状,进出口导轮上的叶片数分别为8.为了解决血泵机械轴承在运转过程中由于磨损而引发血泵的失效,以及轴承摩擦热对血液可能产生的破坏作用,提出采用磁悬浮轴承(MSB)替代机械轴承的锥形螺旋叶轮血泵转子(RCSIP)径向和轴向混合被动式磁悬浮结构,构成了血泵锥形螺旋转子的轴向和径向磁悬浮轴承;建立了径向永磁轴承内磁环径向有偏移、轴向有偏移情况下轴向悬浮力、径向悬浮力的数学模型;建立了轴向永磁轴承动环轴向有偏移情况下轴向悬浮力的数学模型.采用ANSYS/Emag中的电磁场模块,仿真分析了不同气隙及径向偏移量下永磁轴承的磁力线分布,内磁环所受径向悬浮力与径向偏移量之间的关系,不同轴向偏移量时径向永磁轴承磁感应强度矢量分布,径向永磁轴承轴向悬浮力与轴向偏移量之间的关系.通过上述数值计算分析数据,得到了14条研究推论,归纳出10条研究结论.根据上述推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD轴向和径向永磁轴承设计所应遵循的5条设计准则:径向永磁轴承应该由轴向充磁的两个磁环组成;为保证产生足够的径向悬浮力,径向气隙g0应取值0.2 mm;轴向永磁轴承应该由轴向充磁的两个永磁环组成;为保证产生足够的轴向悬浮力,轴向间隙应控制在0.2 mm附近;为保证对血泵转子磁悬浮的稳定性,轴向和径向永磁轴承应该成对出现.针对血泵动力导线与控制导线穿越皮肤引起人体感染等问题,构思出体外磁场驱动方案——血泵转子驱动永磁铁采用高磁性永磁体NdFeB制成,运用永磁电机驱动原理,对线圈组加载交变电流来产生旋转磁场,对永磁转子产生旋转力矩,从而驱动转子持续转动.提出呈120°均匀周向排列的三线圈驱动系统和呈60°均匀周向排列的六线圈驱动系统等两种设计方案.针对旋转磁场的构建,以三线圈驱动方案和六线圈驱动方案为研究对象,应用ANSYS/Emag的电磁场模块通过剩磁、内禀矫顽力、转子内径、转子外径、转子与线圈中心距等参量仿真模拟了加载电流与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,以及线圈与永磁转子之间的距离与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,得到了14条研究推论,归纳出5条研究结论.根据上述研究推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD血泵转子外磁场驱动设计所应遵循的3条设计准则:转子上必须有4个径向充磁的永磁磁条;驱动线圈取为6个,且沿转子周向均匀布置;驱动线圈与转子之间的中心距应控制在40～60 mm之间,以保证永磁转子上产生足够的驱动力矩.为验证六线圈驱动方案正确性,分析驱动距离、驱动电流对永磁转子转速的影响规律,构建起TMSCSI-BP-DOD转子外磁场驱动实验装置,通过改变线圈组与转子中心距离,获得其在定值输入电流下永磁转子所能达到的最高转速与距离关系曲线;保持线圈绕组与永磁转子中心距一定,获得测量输入驱动线圈电流变化的情况下永磁转子最大转速与驱动电流的关系曲线.据此得到了2个推论,实现了距转子40～60 mm范围内无机械连接磁场驱动.为了验证所构思的新型血泵工作结构的可实现性,制造出TMSCSI-BP-DOD物理原型样机.以锥形螺旋转子、导轮及外壳等3个关键零件为对象,规划了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机零件的制造过程和制造工艺,编制数控加工程序,建立了血泵总装配流程图和装配步骤,得到了血泵物理原型样机的总装配图.通过机械制造,得到了锥形螺旋转子、导轮及外壳等实际加工体,通过测量,得到实际加工公差,证明上述3个关键零件的加工步骤、加工工艺流程正确.搭建了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机实验测试系统,测试了血泵扬程与转速、流量之间的关系,血泵转速与控制器电流、电压和输出功率之间的关系,血泵扬程与功率和效率之间的关系,得到了5条研究推论,证明TMSCSI-BP-DOD的工作原理是正确的,其最高驱动转速可达5 750 r/min,对应的流量达2 L/min,压力达18.49 kPa,输出流量和压力可以满足人体辅助血液循环的要求,但尚不能满足完全代替人体心脏的要求.     

用于小卫星姿态控制的磁悬浮电机设计

磁悬浮电机是近年来在普通电机基础上发展起来的一种新型结构电机,它利用同一组线圈来实现电机的旋转和转子的悬浮,因此这种电机具有体积小、结构简单、无接触、寿命长等优点.介绍的轴向磁悬浮电机采用的结构是转子悬浮在两个盘式定子之间,转子的轴向位移和转速主动控制,其他的自由度采用被动控制,因此相对于径向磁悬浮电机来说这种结构更紧凑、控制更简单,因此非常适用于对体积和力矩要求严格的航空领域.介绍了一种用于小卫星姿态控制的微型磁悬浮电机的设计方法.这种电机的两个主要参数是轴向悬浮力和电机的转矩,为了对其进行优化,采用三维有限元软件对电机进行了仿真计算.     

离心压缩机机壳在基频气动力激励下的振动噪声研究

研究了离心压缩机机壳在内部基频气动力激励下的振动辐射噪声。考虑机壳与轮盘、轮盖之间的间隙,采用SSTk-co湍流模型模拟了离心压缩机的整机三维非定常流场,得到蜗壳内表面的脉动压力,然后将脉动压力的基频部分加载到蜗壳上,模拟离心压缩机蜗壳在非定常气动力激励下的振动噪声。研究表明：机壳内壁面基频压力脉动主要分布在无叶扩压器靠近叶轮出口一侧;机壳主要基频振动噪声源位于蜗壳靠近出口管道一侧;该离心压缩机机壳基频振动位移幅值很小,最大振动位移仅为11．8×10^-9m,因此可以忽略机壳的基频振动对离心压缩机运行安全性的影响。     

COMPARISON OF TWO METHODS TO INCREASE TIP CLEARANCE AND ITS EFFECT ON PERFORMANCE OF TURBOCHARGER CENTRIFUGAL COMPRESSOR STAGE

Tip clearance between the blade tip and casing of a centrifugal compressor can be varied through two methods:by changing the blade height(M1)or by changing the casing diameter(M2). Numerical simulations are carried out to compare these two methods and their effect on the stage and impeller performance.The impeller and diffuser are connected through rotor stator boundary using frozen rotor approach.Overall stage performance and the flow configuration have been investigated for nine tip clearance levels from no gap to 1 mm.Impeller and diffuser performances are also pre- sented separately.It has been found that the overall and impeller performance are comparatively better for M1 below tip clearance of 0.5 mm whereas M2 is found advantageous above 0.5 mm of tip clear- ance.Both M1 and M2 show performance degradation with the increase in tip clearance.Two models have been proposed for the stage total pressure ratio and efficiency,which are found to be in agree- ment with experimental results.The impeller efficiency and the pressure ratio are found to be maxi- mum at tip clearance of 0.1 mm for both the cases however minimum diffuser effectiveness is also observed at the same clearance level.Diffuser effectiveness is found to be maximum at zero gap for both cases.As it is practically impossible to have zero gap for unshrouded impellers so it is concluded that the optimum thickness is 0.5 mm onwards for M1 and 0.5 mm for M2 in terms of diffuser effec- tiveness.Mass averaged flow parameters,entropy,blade loading diagram and relative pressure fields are presented,showing the loss production within the impeller passage with tip clearance.     

基于ANSYS的离心风机叶轮结构优化研究

叶轮是离心风机的核心部件,由于叶轮是高速旋转的部件,动静之间不能有接触,同时动静之间的间隙通过泄漏损失和二次流损失直接影响风机的效率。为有效地控制叶轮和形环之间的间隙,本文提出在叶轮轮盘侧添加凸台结构,采用4种改进设计方案。利用通用有限元分析软件ANSYS进行计算分析[1-3],综合考虑叶轮应力、应变等因素,最终得到了在新型设计方法下的最优设计方案。结果表明,新型设计改进方案有效地减小了叶轮的轴向位移量和径向位移量,为叶轮和形环之间的间隙设计提供了依据,进而可以最大限度地减少漏气损失和二次流损失。     

叶顶间隙对轴流式叶轮机械性能及噪声的影响研究进展

在轴流式叶轮机械中转子与机壳之间存在一定的间隙,该间隙的大小对叶轮机械的全压、效率和噪声等均有很大影响。结合近年来在叶顶间隙领域开展的研究,详细综述了国内外在叶顶间隙对轴流式叶轮机械性能及噪声的影响等方面的研究进展,并对叶顶间隙在今后的发展方向进行了展望,为叶轮性能的优化提供参考。     

Influence of tip clearance on pressure fluctuations in an axial flow pump

Rotor-stator interaction in axial pumps can produce pressure fluctuations and further vibrations even damage to the pump system in some extreme case. In this paper, the influence of tip clearance on pressure fluctuations in an axial flow water pump has been investigated by numerical method. Three-dimensional unsteady flow in the axial flow water pump has been simulated with different tip clearances between the impeller blade tip and the casing wall. In addition to monitoring pressure fluctuations at some typical points, a new method based on pressure statistics was proposed to determine pressure fluctuations at all grid nodes inside the whole pump. The comparison shows that the existence of impeller tip clearance magnifies the pressure fluctuations in the impeller region, from the hub to shroud. However, the effect on pressure fluctuation in the diffuser region is not evident. Furthermore, the tip clearance vortex has also been examined under different tip clearances.     

Numerical study on unsteadiness of tip clearance flow and performance prediction of axial compressor

Numerical calculations were performed to investigate unsteady features of tip clearance leakage flow in an axial compressor. The first stage rotor of a low speed axial compressor with a large tip clearance was examined. It was confirmed that the numerically calculated performance data were in good agreement with the experimentally measured performance data. Using frequency analysis, the flow characteristic near the casing induced by tip clearance leakage flow was found to be not associated with the rotating speed of the rotor. This characteristic is called rotating instability or self-induced unsteadiness. We found that the circumferential length scale of the rotating instability of the compressor was longer than a pitch of a blade passage; therefore, a multi-blade passage was adopted to study the flow structure more precisely. The flow characteristic was described by the frequency, the circumferential length, and the phase velocity, and was changed by operating points toward stall. The behavior of the flow was characterized by circumferentially traveling waves. Hence, the mechanism governing the development of the unsteady feature was further examined in terms of the rotating wave pattern of the pressure distribution. Furthermore, the unsteady feature of the tip clearance leakage flow affected the prediction of compressor performance by altering blockage, flow turning, and loss near the casing.     

永磁磁浮技术在叶轮式人工心脏的应用

将永磁力跟非磁力相结合实现永磁磁浮 ,研制出永磁磁浮叶轮血泵的样机。当电机转速逐渐增加到4 0 0 0r/min以上时 ,转子在液动力的作用下从接触点与定子相脱离 ,实现完全悬浮。压力和流量之间的关系曲线显示血泵的内部没有机械摩擦和湍流。与采用机械轴承的血泵相比 ,采用永磁磁浮技术的血泵不仅效率高 ,寿命长 ,而且不会产生溶血和血栓。     

Centrifugal compressor tip clearance and impeller flow

Compressors consume a considerable portion of the electricity used in the industrial sector. Hence, improvements in compressor efficiency lead to energy savings and reduce environmental impacts. The efficiency of an unshrouded centrifugal compressor suffers from leakage flow over the blade tips. The effect of tip leakage flow on the passage flow differs between the full and splitter blade passages. In this study, the differences in the flow fields between the full and splitter blade passages were studied numerically in detail. An industrial high-speed compressor with a design pressure ratio of 1.78 was modelled. Numerical studies were conducted with six different tip clearances and three different diffuser widths. The results show that increasing tip clearance considerably increases the reversed flow into the impeller with an unpinched diffuser. The reversed flow then partly mixes into the flow in the same blade passage it entered the impeller and the rest migrates over the blade, mixing with the tip clearance flow. Furthermore, as the reversed and clearance flow mix into the wake, the wake is weakened. As pinch reduces both the reversed flow and clearance flow, the passage wakes are stronger with pinches. However, the pinch is beneficial as the losses at the impeller outlet decrease.

     

高速磁悬浮电机的发热与冷却研究

针对高速磁悬浮电机发热严重的问题,采用有限元方法建立了电机定子发热模型,并且分析了材料对电机铁心损耗的影响。考虑转子表面的摩擦,计算出电机转子风摩擦损耗。针对谐波电流引起的转子涡流损耗在高速磁悬浮电机中会引起转子很高的温升的问题,研究了一种计算高速磁悬浮电机转子涡流损耗的解析计算方法。针对转子涡流损耗的问题,采用了一种加感抗器减小谐波涡流损耗从而降低温度的有效方法。实验结果表明,加感抗器能有效减小谐波电流、降低电机温度。     

永磁体磁浮叶轮血泵的研制和试验研究

旋转血泵磁浮轴承的定子和转子之间没有机械接触,所以其内部不会发生机械磨损或产生血栓。然而,现有的磁浮轴承均采用电磁铁来实现磁浮,不仅控制复杂,而且自身消耗能量。事实上,叶轮血泵要做到用电磁铁来实现磁浮,势必要影响其装置的简易性、可靠性和可植入性。采用永久磁铁研制出磁浮叶轮血泵。泵的转子径向由永久磁铁磁力支撑,转子的一端紧固叶轮,另一端镶嵌磁钢;与转子磁钢相对,驱动磁钢连接在电动机转轴上。这样,电动机通过磁偶合来驱动转子。在实验室用生理盐水试验,当转子静止或低于4 000r/min旋转时,转子磁钢在轴向与位于转子和定子之间的隔板有一点接触,接触点位于转子的轴线上。当转子转速逐渐增加至4 000r/min以上,转子在轴向与定子脱离,从而实现完全磁浮。由于转子轴向磁浮由液动力产生,且转子磁钢有陀螺效应,所以转子在浮起的过程中运转非常平稳。作为左心室辅助装置,叶轮血泵工作转速范围在5 000～8 000r/min之间,所以实用时转子完全磁浮是不成问题的。永磁体磁浮叶轮泵保持了旋转血泵的优点,而且克服了用电磁铁来实现磁浮的诸多缺点,能够满足人工心脏叶轮血泵应用的大多数技术要求,从而更具实用价值。     

对旋轴流风机叶顶间隙对其性能的影响

为了探究改变对旋轴流风机两级叶轮的叶顶间隙对其性能的影响，建立不同叶顶间隙下风机三维模型，利用Fluent进行数值模拟，并结合风机性能试验验证仿真的正确性。分析压升、效率、轴功率、湍流动能和叶顶泄漏涡随两级叶轮叶顶间隙的变化情况，结果表明：在相同流量下，压升、效率随间隙的增大而减小；与第一级叶轮相比，间隙对第二级叶轮的轴功率、湍流动能及泄漏涡影响更加显著；随间隙增大，叶顶泄漏涡的强度和影响区域越大。