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[博士论文] 孙琦
流体机械及工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:压缩机在运行过程中受气候影响及客户需求需要经常调节气体的流量,很多情况下通过在进口加装进口导向叶片的方法来控制流量,但目前由于进口导向叶片调节流量的能力普遍不足,导致在冬季由于气量过剩而排空浪费掉,最多的时候要浪费高达30%的气量,造成能源的浪费,目前国际先进水平最多仅需排空15%的气量,因此改进进口导叶的设计,开发出高效流量调节装置是中国目前压缩机行业急需解决的关键技术之一,对于提高中国压缩机设计技术,提升企业竞争力具有重要的意义,同时对于节能减排具有重大的现实意义。
  本文从进口导叶调节装置的结构、调节机理和对叶轮压缩功的影响等方面对导叶调节的基本理论做了详细论述,并以导叶自身的调节能力和对压缩机性能的影响两方面阐明了进口导叶调节装置的评价体系。介绍了应用于叶轮机械数值模拟技术的相关理论知识,建立了带进口导叶的压缩机实体模型,利用计算流体力学的方法对导叶不同开度下的流场分布规律做全面的研究与分析,揭示了导叶调节时的一些重要流动现象。导叶在绕其自身转轴旋转时为了避免与机匣端壁发生碰撞,会在导叶顶部留有圆弧状的间隙,部分气流从间隙处流过而得不到有效调节,并形成叶顶间隙泄漏涡,对主流造成影响,使压缩机性能下降。针对这一问题,本文提出了三种导叶通道结构形式的改进方案,有效地提高了导叶的调节能力,扩大了压缩机的稳定工况范围,减少了压缩机的功耗,提高了压缩机的效率。
  为了探究导叶叶片形状对导叶调节能力和压缩机性能的影响,本文分别对导叶叶片型面的厚度、弯曲度和最大挠度位置做系统的研究和分析,总结出这几项参数的变化对导叶调节性能影响的规律。为了找出调节性能最好的进口导叶叶片形状,本文采用现代优化方法对进口导叶的叶片型面进行三维的优化设计,主要的方法学思想是以人工神经网络对连续设计进行适应度评价,并用遗传算法进行全局寻优。经过优化后,导叶的调节性能有了显著的提高,大大增强了导叶的预旋能力,并减少了压力损失,使压缩机的流量和功率在导叶安装角较大时大幅减少,效率显著提高,同时使导叶通道内的流场有了明显改善,使原来的流场分布不均匀和流动分离等现象大幅减弱,甚至完全消失。最后,对本文所提出的三种改进后的叶顶通道结构形式和优化叶型的进口导叶装置进行试验测试,并与原始形式进行对比,结果证明了本文研究成果的可靠性。
  最终,应用改进优化后的进口导叶调节装置可使压缩机在冬季运行时减少20%左右的压缩气体排空浪费量,同时降低压缩机20%左右的功耗,并提高了压缩机的效率和稳定工况范围。此项课题的研究成果可应用到工业生产各个领域中的离心压缩机中,在压缩机进口处加装这种高效的流量调节装置可以使其在冬季运行时大幅减少压缩气体的排空浪费量及功耗,并提高压缩机的效率,提升能源的利用率,避免能源的浪费,因此具有很广阔的应用前景。
[硕士论文] 李长鹏
动力工程及工程热物理 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:现阶段前混合磨料射流切割系统的工作压力大致在30-50MPa的压力范围内,已经难以满足实际工况的需求,为此提出建立100MPa的超高压前混合磨料射流切割装置已经势在必行。超高压前混合磨料射流的核心所在于磨料混合装置。水经泵出后,沿着胶管注入超高压前混合磨料罐中进行水与磨料的混合,形成局部流态化,水与磨料充分混合后途经喷嘴喷射而出,形成超高压前混合磨料射流。超高压前混合磨料罐作为一种压力容器,不仅要储存磨料,还要承载磨料与水混合形成局部流态化时产生的压力,为此对超高压前混合磨料罐的强度具有十分高的要求,需要对其进行合理的设计与研究,由此引出本课题。本论文对超高压前混合磨料罐的进行了理论设计和研究。主要做了以下工作:
  对纤维缠绕超高压前混合磨料罐进行了力学分析,通过网格理论设计方法分析磨料罐纤维铺层筒身段和封头段力学特性,推导出磨料罐筒身段及罐体段缠绕纤维厚度及缠绕角的计算方程,为纤维缠绕超高压前混合磨料罐的有限元建模提供理论基础。
  通过solidworks软件建立磨料罐三维模型,运用ANSYS软件的APDL参数化语言完成纤维缠绕超高压前混合磨料罐的有限元分析。因为磨料罐的几何结构、约束条件以及载荷参数等存在对称性,所以选择磨料罐的1/4模型进行有限元分析计算,得到纤维缠绕超高压前混合磨料罐在100MPa(工作压力)和120MPa(安全压力)两种工作环境下磨料罐以及纤维缠绕层的应力应变情况,并对结果进行分析研究。
  优化磨料罐上罐口结构,将上罐口由外螺纹连接结构改为内螺纹连接结构,通过solidworks建立结构模型,运用ANSYS软件对其进行有限元分析,分析结果,并与传统结构磨料罐的分析结果进行对比分析,发现优化上罐口结构的纤维缠绕超高压前混合磨料罐所受到的最大等效应力值、最大等效应变值、最大节点位移值整体上小于传统结构的纤维缠绕超高压前混合磨料罐,最终确定优化结构的超高压前混合磨料罐的内径300mm,内衬壁厚6mm,碳纤维铺层层数为18层,采用正反螺旋缠绕的缠绕方式。
[硕士论文] 胡亚军
车辆工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:风机的用途极为广泛,遍及了国民经济的各个领域,在国民生产生活中占据着相当大的份额。风机的早期设计是根据实际需求,通过长期从事相关工作的工程技术人员拟出设计方案,并对该方案进行分析计算和相关校正后制作风机样机实体。随着计算机的不断更新换代,计算流体力学和风机的数值设计也取得了很大进步。
  风机叶轮叶片和导轮叶片的具体参数计算过程繁琐,并且三维叶片的成型过程复杂。本文采用自编Visual C++程序计算得到叶片不同叶高截面的空间曲线坐标,将数据导入到叶片成型的三维模型软件中自动生成曲线,避免了建模过程中的大量点的绘制,缩减了工作量。在不同流量条件下对带后置导叶以及未带后置导叶的轴流风机进行了数值模拟研究。结果表明,无论是带后置导叶的轴流风机或未带后置导叶的轴流风机,当流量接近零时,全压达到最大值;在流量比较小时,全压比较高,效率不高;当流量增加时,风机的全压值降低,当流量继续增加,全压稍有升高,效率达到最高值,此时流体流线沿叶高方向分布比较均匀,达到最佳工况。当流量再次增加,风机的全压降低,整机效率也降低。因此,当流量偏离最佳工况一定范围,流动损失会明显增大,风机效率降低。
  同一参数的叶轮与叶片参数相同而数目不同的导轮组合成的轴流风机中,流体通过高速旋转的叶片后,由于惯性的作用,接着流经不转动的弯曲叶片后置导轮。对于后置导叶数比较少,叶栅的弦节比较小的叶轮,流体在后置导叶流道中流动时,受叶片的作用较小,这对于消除经过高速旋转叶片产生的缠绕速度没有太大作用。后置导轮的叶片数增加,则叶栅稠度要增加,那么流体的流动阻力增加,同时导轮的总叶片面积也增大,增大了摩擦面积,流体流动损失增加,使得风机效率降低,整机性能下降。
  导轮叶片宽度与叶片数目成反比的风机,在小流量工况时,后置导轮叶片数目越少,导轮叶片的宽度大,流体在后置导叶流道中流动时,受叶片的作用较大,基本上消除了经过高速旋转叶片产生的缠绕速度,因此全压比较高。无论导轮叶片数目多少,导轮叶片的总表面积大小基本相同,表面摩擦损失相当,所以效率差别不大。随着流量增加,叶片数目越多,流体的流动阻力和表面摩擦阻力就会越大,并且影响程度加大,使得风机的全压和效率明显下降。
[硕士论文] 刘奇
动力工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:轴流风机由于流量大、风压低的特点,被广泛应用于生活中的各行各业,但是轴流风机的能耗较高,能源利用率低,相较于其他发达国家来说,国产轴流风机效率较低,这成为了制约我国风机行业快速发展的短板。
  针对目前我国轴流风机能耗高、效率低等现状,本论文从轴流风机设计开始着手,通过研究不同参数下轴流风机效率、压力的变化情况,寻求到轴流风机的最佳工况点,从而发现并研究轴流风机的流动特性。论文在建模初期,首先根据某使用工况下的要求进行轴流风机设计,通过数值模拟得到其性能情况,然后通过改变不同的设计要素,研究其对轴流风机性能的影响,从而得到不同设计要素下轴流风机的流动特性。在轴流风机静压升高变化不大的情况下,减小轴流风机的功率消耗,从而满足设计的需求。
  论文在寻找最佳工况点的过程中,采用三维数值模拟的方法研究轴流风机的内部流动情况,分析不同参数下轴流风机的流动特性。在三维建模的过程中,采用EXCEL数据库和SOLIDWORKS相结合的方法快速建立CLARK_Y翼型和C4翼型来提高工作效率。数值模拟借助FLUENT软件,对轴流风机流量—效率、流量—压头等性能进行研究,分析查看叶轮和后导流器以及后导流器后方流体的流动情况。
  通过分析轴流风机叶轮的转速、叶片数、叶片安装角、叶顶间隙和轮毂比等不同设计要素下轴流风机的流动特性,发现:风机转速由小变大时,进口气流的角度及叶型阻力减小,风机的功率先减小;转速增大到一定程度后,叶轮壁面损失、二次流损失和叶顶间隙的涡流损失增大,气动性能降低;全压性能和效率在风机叶片数为7时都要高于叶片数为5和9时;叶片安装角的增大,会使升力和阻力同时增大,空气流体的能量损失增大,从而导致轴流风机的效率下降;获得了风机效率最大时对应的叶片安装角及叶根冲角;叶顶间隙越小,轴流风机效率越高,其内部流动越平稳;轴流风机全压效率随轮毂比的增大先增大后减小,获得了平均效率最大时对应的轮毂比。
[硕士论文] 王露
车辆工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:离心风机作为一种流体机械,被广泛的应用于各个领域,发挥着自身的特性。离心风机是各大机械中的耗电大户,为了降低能源的消耗,就需要优化风机,再次提高离心风机的效率。
  目前离心风机的设计存在着半经验半理论的设计方法,对于一些影响离心风机效率的重要参数在设计取值时,不是通过理论计算得来的,而是在一定数值范围内根据经验进行取值。
  本文采用ANSYS CFD软件对离心风机数值模拟,通过分析不同蜗壳宽度和叶轮的叶片数时的速度、静压、全压云图来研究提高离心风机效率的方法。首先根据已知参数对离心风机的叶轮、蜗壳、集流器、蜗舌进行气动设计,根据气动设计的参数用CAD软件Solidworks绘制后弯式叶轮的离心风机三维模型。其次,将绘制好的离心风机在ANSYS中填充流体域,用ANSYS Meshing软件对离心风机进行网格划分,为节约计算机资源将网格控制在280万和350万之间。本文采用SIMPLE算法,一阶迎风格式对控制方程进行离散,以Fluent作为求解器进行计算。最后,将计算的结果用后处理软件CFD-POST进行处理,计算出该离心风机叶轮的扭矩,通过扭矩来计算该风机的效率。本文在结果分析时首先通过在设计流量下改变蜗壳的宽度,叶片数来研究其对离心风机内部流动的影响。通过对不同截面上的静压、全压、速度云图和速度矢量图的分析来观察离心风机内部流动的特点,通过分析发现离心风机内部流动非常复杂,在离心风机叶轮的前盖板和蜗壳近壁面常有回流产生,这对离心风机的效率有很大的影响。通过计算不同蜗壳宽度及不同叶片数下离心风机的效率发现,离心风机的蜗壳宽度,也就是蜗壳的型线对离心风机全压效率的影响较大,通过对于本文所研究离心风机的分析计算得出当蜗壳宽度为0.095 m时,离心风机效率最高的结论。而对于宽度为0.095 m的蜗壳来说,当流量小于等于0.25 m3/s时,叶片数的变化对离心风机效率的影响较小,当流量大于0.25 m3/s时,离心风机的效率则随着叶片数的增加逐渐增大。随着流量的增加,离心风机的效率呈现出先增后减的趋势,离心风机的全压及静压随着流量的增加逐渐降低。最后对本文进行了总结和展望。
[硕士论文] 李孟君
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:作为工作链中的关键设备,压缩机在制冷、石化、冶金及气体输送等工业领域中发挥着重要作用。往复压缩机吸排气间歇性的特征,容易造成管路系统内部的难以消除的气流脉动,严重时引起管道剧烈的机械振动,影响生产安全,酿成重大事故。在大容器前后添加孔板是一种消减管路内气流脉动有效而简便的方法,在工业生产中得到了广泛运用并取得了良好效果。天然气等介质气体的长输管线,由于多种因素的综合影响,其内部流场往往也会产生一定程度的气流脉动,因此本文旨在研究在管道中添加孔板对消减气流脉动的影响。此外,离心压缩机经常因发生故障而非计划停机,本文对离心压缩机常见故障进行了动态仿真。因此本文分为两部分。
  第一部分研究了孔板对气流脉动的影响。本文基于平面波动理论,分析了气流脉动产生和发展机制,探索了孔板抑制气流脉动的原理。利用CFX软件进行了流体力学仿真,模拟了管路中添加孔板对消减气流脉动的积极影响。以孔板与管路孔径比和安装位置为主要变量,研究了孔径比变化时的气流脉动变化规律,以及综合考虑孔径比和孔板位置时的改善效果。研究结果表明,根据管路前后的工况,结合压降损失,选择小孔径比的孔板,将其安装在远离恒压端的位置,可以达到最好的抑制效果。这一结论对往复压缩机的脉动抑制和管道减振提供了理论指导和参考,并运用到了实际的工程实例中。结合气流脉动分析选择合适的孔径比和孔板位置,有效改善了某厂管道系统中的气流脉动情况,将管道振动控制在允许范围内,达到了减振的目的。
  第二部分对离心压缩机常见故障进行了仿真。介绍了这些故障的产生机理和特征,并利用软件进行了三维实体模型的模拟演示,实现了故障过程的可视化仿真,供工厂工作人员学习培训用,提高工作效率。
[硕士论文] 宫婕
工程力学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:爆炸容器是一类特殊的内高压抗爆容器,能够有效地约束炸药爆炸产生的冲击波,限制爆轰产物及爆破碎片的作用范围,保护实验人员和周围仪器的安全。因此,广泛应用于爆炸材料性能测试、爆炸效应测试、爆炸加工及爆炸销毁等科研、工业和国防军事领域。爆炸容器内部承受较大的冲击载荷以及冲击波的反射叠加作用,其动力学响应研究对于其安全性分析具有十分重要的意义。
  本文针对安徽理工大学自行设计研制的1kg TNT当量椭球封头柱形爆炸容器展开相关研究,主要进行了爆炸容器设计参数计算校核、内爆炸冲击波超压测试、地面振动效应测试以及筒体振动效应测试。具体研究工作及相关结论有:
  (1)针对该爆炸容器,进行设计参数的计算校核。通过入射波超压计算出反射波超压,采用动力系数法将动态载荷转化为等效静载荷,进而应用强度校核理论进行壁厚、最大允许工作压力及应力校核。考虑到爆炸容器长期使用过程中的疲劳损伤和腐蚀裕度,计算校核得出:爆炸容器的椭球封头及简体计算壁厚远小于设计壁厚;最大允许工作压力远大于1kg TNT当量炸药爆炸转化的静载荷压力,该爆炸容器设计安全性较高。
  (2)通过冲击波超压测试系统,改变实验药量,测试不同水平距离处爆炸冲击波压力时程曲线,分析了冲击波传播规律,并采用经典的W.E.Baker公式和K-G公式计算了冲击波超压峰值。实验测试及理论计算结果表明:K-G公式计算值与实验测试值的误差很大,误差范围在70%~80%之间;而W.E.Baker公式计算误差更大,在75%~85%之间。本文根据爆炸相似律原理拟合得出适用于该爆炸环境的超压计算公式:△P=0.1100(R)-1-0.2965(R)-2+0.4668(R)-3。采用该公式计算,误差减小至0.5%~15%之间。
  (3)测试了乳化炸药在爆炸容器内空中及地面两种不同的起爆方式下爆炸引起的周围地面振动效应,分析了装药量及测点距离对于地面振动效应的影响;同时使用HHT方法分析地面振动的频率分布。通过研究发现:爆炸容器内地面爆炸振动速度与装药量和测点距离密切相关,通过最小二乘法拟合得到三者之间的关系式为:v=13.4(3√Q/-R)125。而装药量的增加对于爆炸容器内地面爆炸低阶频率段分布的影响较大,即5~10Hz低阶频率段的振动幅值随药量的增加逐渐增大,振动作用时间逐渐增加;而对于20~60Hz频率段振动幅值影响相对较小。随着测点距离的增加,低阶频率段的能量幅值逐渐减弱,振动作用时间逐渐缩短,与测试波形具有较高的一致性。
  (4)使用加速度传感器采集了爆炸容器内爆炸简体振动加速度信号,通过拟合多项式去除积分趋势项,从而得到有效的时间-速度曲线;使用HHT方法分析振动信号的时频分布,同时结合爆炸容器简体的固有振动频率,分析振动效应对于爆炸容器安全性的影响。分析得出:爆炸容器特殊的“钢板-缓冲隔层-钢板”结构具有一定的安全防护作用,缓冲隔层有效地吸收了爆炸产生的能量,筒体外壁面振动速度信号频率分布较内壁面更为集中,主要分布在0~200Hz的低阶频率段;同时,低阶频率段的作用时间明显缩短,振动频率明显减小,远离爆炸容器简体的固有振动频率。
[硕士论文] 马兰
化工过程机械 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:微型压缩空气储能系统以其无污染、相变损失小等特点在微型电网调峰调频、吸纳可再生能源等方面发挥着重要作用。膨胀机作为压缩空气储能系统的重要组成部分,其效率的高低是系统能量转化效率提高的关键。本文将用于微型压缩空气储能系统的涡旋式膨胀机作为研究对象,以提高膨胀机的(u火用)效率为目标,对涡旋式膨胀机的工作过程进行详细的分析建模,对涡旋盘结构进行优化与实验验证,从而减小其进气阻力。
  本文首先对涡旋式膨胀机的工作过程原理进行分析,在此基础上,考虑进气腔始端齿头切除角度及进气口尺寸参数,对膨胀机工作过程进行分析建模。搭建了进气腔始端齿头切除角度、进气口尺寸参数与(u火用)效率关系的数学模型;利用MATLAB/Simulink数值分析软件,对涡旋式膨胀机的工作过程进行分析,详细地揭示了膨胀机的工作机理。得到膨胀机(火用)效率随进气压力改变的性能曲线。
  利用MATLAB/Simulink数值分析与FLUENT14.5数值模拟软件,获得在进气口尺寸保持不变的情况下,膨胀机(火用)效率随进气腔始端齿头切除角度改变的性能曲线与膨胀机流场分布,以及在进气腔始端齿头切除角度不变的情况下,膨胀机(火用)效率随进气口尺寸的变化趋势与流场分布;综合分析与模拟结果,针对具体的进气压力工况,以提高膨胀机(火用)效率为目标,设计涡旋盘结构优化方案。
  在此基础上,加工膨胀机样机,搭建了实验平台对涡旋式膨胀机不同进气口尺寸、不同进气腔始端齿头切除角度下的(火用)效率变化趋势进行实验研究。实验结果表明:当进气腔齿头切除角度不变时,膨胀机(火用)效率随进气口尺寸的增大而增大;进气口尺寸保持不变时,不同的进气压力下,涡旋盘的进气腔齿头最优切除角度不同。
  论文最后针对不同的进气压力下涡旋式膨胀机的优化方案进行实验研究。通过实验证明了本文所提出的优化方案对涡旋式膨胀机(火用)效率的提高是有效的,具有一定的现实意义。
[硕士论文] 俞径舟
机械工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:在食品行业及医疗行业中,压缩空气是使用较为广泛的一种动力能源。但压缩空气中含有大量的油雾、水雾,会给设备及工艺用气造成极大的危害,因此对气体除杂的研究具有非常重要的意义。本文对水雾超声凝聚过程进行了仿真与实验研究,为压缩空气中的除杂提供了可行的路径和方法。
  首先,本文分析了声场对水雾的夹带作用,发现了夹带理论的局限性,从而对水雾在驻波场中的受力进行了分析,得到水雾在驻波场中的运动轨迹状态。最终使用流体力学凝聚理论解释了相同粒径微粒发生凝聚的原因并进行了动力学和凝聚效果的分析。结果表明,无声场条件下水雾凝聚效果最差,普通声场条件下同向凝聚理论适用,凝聚效果一般,驻波场条件下流体力学理论和同向凝聚理论同时适用,所以凝聚效果最好,温度、频率、声压级的变大有助于水雾微粒的凝聚,而压力的变大则效果相反。
  随后,本文采用COMSOL软件建立了水雾凝聚的物理模型,得到了微粒在驻波场和无声场条件下的运动轨迹和凝聚效果。使用MINTAB软件进行析因设计,探究了温度、频率、声压级、压力对凝聚效果的影响规律。本文通过81组仿真实验和空白对比得出与理论分析一致的结论,从而证明了理论分析的正确性。
  然后,对超声凝聚实验台进行了设计,重点对其中的超声波部分的变幅杆工具头使用ANSYS Workbench软件进行了模态分析和谐响应分析,设计误差小于5%,符合设计的标准,应力大小没有超过材料的应力极限,设计性能有所保障。使用SOLIDWORKS和CAXA软件对管道、反射板进行了设计,对管道和变幅杆、工具头进行了加工,完成实验台的设计。
  最后,结合初步实验发现的问题对实验方法进行了改进,得出了总体的实验方案。针对驻波场鉴定、粒径检测、凝聚效率检测提出了对应的解决方法。通过实验得出,驻波场的凝聚效果最好,普通声场较差,无声场时基本没有凝聚效果,实验结果和仿真结果相符,液体凝聚的流体力学理论可行。
[硕士论文] 节凤丽
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:离心压缩机作为现代工业机械中必不可少的旋转设备,如因频繁出现不可预测故障而导致生产停车,这势必会对工业生产造成极大的经济损失。研究发现绝大多数故障是由于转子失稳导致的,为了降低该原因导致的故障率,可对转子进行实时监控,对失稳情况及时发现并进行有效调节。电磁控制器可以通过对通电电流进行控制,实现承载力大小和方向的可控性。利用电磁控制器可以有效降低因故障而被迫停车的发生率。
  本文对电磁控制器进行设计并将其应用于监测控制过程中,主要研究了以下内容:
  (1)为满足试验测试过程中对轴承加载的要求,在实验台结构设计中,采用电磁控制器对转子进行加载。设计了大体积径向电磁控制器,以提供超10000N的承载力。对该结构的定子磁轭厚度及副磁极宽度进行了优化,并且保证较小的结构体积。同时也对优化后的结构进行了磁场-温度场耦合分析,得出各部件温度场分布情况。搭建试验台,将仿真结果与实验测定数据进行了对比分析,结果基本一致。
  (2)为了对离心压缩机轴向位移进行故障自愈分析,设计了可应用于轴向调控的轴向电磁控制器,对该结构的定子磁极宽度、不同间隙和电流的工况进行优化分析,设计出可以承担原先副推力滑动轴承的作用的轴向电磁控制器。该装置可通过温度传感器将滑动轴承轴瓦温度监控情况反馈给轴向控制器,使其对线圈电流进行调节,以改变电磁力大小,从而达到调节轴瓦温度以及轴向位移的目的。
  (3)对永磁偏置控制器进行了设计仿真分析,通过加入永磁体结构可以为其提供偏置磁场,而电磁结构可以通过调整电流,进而改变转子和定子间隙中的磁通密度大小,最终达到保证转子平衡的效果。该结构相对于电磁结构的优势在于可以在一定程度上减小结构体积,并且可以减小对功率放大器的使用数量,进而可以降低加工和使用成本。
  (4)在发动机或风机等转子叶片中对叶片失稳颤振进行监测预警是防止颤振导致事故的主要手段,开发了基于电磁力的叶片失稳颤振现象模拟实验装置。运用ANSYS以最大电磁力目标对结构进行优化,并利用Maxwell分析在单组磁极的磁场作用下,研究叶片经过该组磁极的激振力变化过程,在此基础上,分别对叶片进行模态分析和谐响应分析。最后对搭建的试验台进行初步实验,证明该试验台足以进行振动测试分析。
[硕士论文] 冯宜金
供热、供燃气、通风及空调工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:旋涡式压气机是一种流量小、扬程高的气体增压装置,因其独特的增压原理,可作吹吸气两用,一定工况下可替代压缩机,具有非常广阔的应用前景。本文针对某型号双级旋涡式压气机中的单级旋涡增压结构,进行了三维建模与网格划分,利用CFD软件对该结构进行了数值计算并对其结果进行了分析,得到了以下研究成果:
  1.对流道与简化后的间隙分别划分网格,以交界面的形式在前处理软件中进行组装,此种方式极大简化了带有极薄特征的模型的建立。通过对此种思路建立的模型进行数值运算,得到与试验结果相近的性能曲线,验证了纵向旋涡的存在,进一步的流场分析验证了增压原理,说明此种建模思路的合理性。
  2.随着叶轮叶片数的增加,设备的压升与效率不断增加,但增长幅度越来越小。通过对不同叶片数旋涡结构的内部流场分析,产生这种结果是因为在叶片数量较少时,叶片数的增加会导致气体螺旋运动过程中增压次数增加;而当叶片数达到一定数目时,增压次数趋于稳定,导致压升增长幅度减小至不再变化。
  3.随着轮径比的增加,设备的压升与效率呈现先增加后减小的趋势,说明旋涡结构的轮径比存在一个合理范围,本文所研究的旋涡结构最佳轮径比在0.73~0.76之间。
  4.随着叶片宽度的增加,设备的压升呈现先增加后不变的趋势,设备的效率呈现先增加后减小的趋势。是由于随着叶片宽度的增加,叶片搅动产生的旋涡有一部分并没有参与到纵向旋涡对气体的动量交换中,使得压力不再进一步增加,效率出现下降。
  5.环形流道截面的倒角通过影响纵向旋涡的形成和质量,最终影响了设备的压升。一定主体尺寸下的旋涡结构,在固定的叶片结构下存在一个最佳倒角范围,本文所研究的旋涡结构最佳范围:靠近叶尖处18~20°;靠近叶片根部处12~15°。
  6.隔舌角度的减小可以提高设备的压升,但较小的隔舌角度会使隔舌处温度较高的区域扩大,影响设备使用寿命。
  7.得出了不同转速下该尺寸单级旋涡结构的压升曲线,为工程应用中转速选择提供参考。通过正交试验法与极差分析法,选取三个结构参数为优化指标,分别得到了该单级旋涡结构最大效率和最大压升的结构配置方案。
[硕士论文] 杨益
动力机械及工程 大连海事大学 2018(学位年度)
摘要:采用高负荷静叶是实现压气机低重量、高压比的有效方法。本文基于一典型的大弯角高负荷静叶栅NACA65-K48,提出了在叶片吸力面侧布置凹坑的流动分离控制措施。研究表明叶表凹坑对于叶片吸力面侧泡式分离及端区附近的三维角区分离均有一定程度的抑制作用。本文的研究主要包括以下几方面:
  首先,完成了带凹坑矩形扩压叶栅的建模与网格划分,基于雷诺时均N-S方程的方法(RANS)完成数值校核以及网格无关性验证。在最小损失工况下,对凹坑的数目、深度、位置三种参数进行研究,结果表明,在加工允许范围内,一定数目的较小深度的凹坑能获得更好的减损效果(10%-20%);位于角区分离线前且靠近叶片前缘的凹坑阵列能够有效抑制角区三维分离,降低流动损失。
  基于上述算例,分析并总结凹坑在扩压叶栅中抑制分离的机理:凹坑内部的旋涡结构能够促进边界层内流体与层外流体间的掺混,提高边界层流体动能,降低边界层厚度,进而提高边界层抑制分离的能力。与此同时,选取效果较好的凹坑方案研究其在不同马赫数和不同来流冲角下的作用效果,发现凹坑在较宽的工作范围内均能获得较好的减损效果。最后,选取部分研究方案,进行叶栅风洞实验。结果表明:在负冲角下凹坑具有降低流动损失的效果,在正冲角下凹坑使得流动损失增加。
[硕士论文] 赵泰百
机械设计及理论 广西大学 2018(学位年度)
摘要:压缩机径向间隙微通道油膜气泡的研究对于提升径向间隙油膜的性能具有重要的现实意义。但目前对于微通道气泡的研究多为静止腔体内的气泡形态特征的研究,而鲜有研究关注运动副中的气泡以及气泡对承载油膜的影响。本文以滚动活塞压缩机的径向间隙微通道油膜为研究对象,以理论计算的方法分析了油膜的压力和速度分布,初步确定了油膜内气泡的性质;在此基础上建立了径向间隙微通道的CFD仿真模型,探究了转子转速和润滑油粘度对气泡的影响,分析了微通道内的的压力和速度迹线,阐述了各因素对气泡的影响机理;利用高速摄影对等效观测装置中的径向间隙微通道进行实时观测,探究了转速、粘度、间隙值、含油量对气泡的影响,验证了仿真模型的正确性。
  本文的主要研究内容如下:
  (1)从径向间隙的几何关系出发,推导了径向间隙油膜压力与速度分布的计算公式,通过拟合方法计算了油膜压力,并将压力拟合曲线与速度曲线相结合进行了分析,获得了压力与速度的变化规律。根据空化产生的条件,将油膜压力与饱和蒸气压相比较,获得了不同转速下气泡的性质以及能够产生空化的临界转速,判断了压缩机径向间隙油膜内气泡的性质。以本文所用三菱滚动活塞压缩机为例,在低于临界转速(56873RPM)时气泡群为析出的工质气体,而在高于临界转速时气泡群为空化气泡和析出气体的混合。
  (2)从压缩机径向间隙模型出发,采用Fluent软件对不同转速、不同粘度下的径向间隙微通道进行了仿真分析。利用Matlab自主编程的图像处理程序对含气量相图进行定量分析,将含气分布转化为当量计算面积,以便于后续的试验验证。此外,利用仿真得到的压力分布与速度迹线,对气泡受转速、粘度的变化趋势进行了更深一步的阐述和分析,得到了初步的变化趋势。结果表明:径向间隙处的气体随转速的增大而增多,在低转速时增长明显但在高转速时趋于平缓;径向间隙处的气体随粘度的增大而增多,在低粘度时增长缓慢但在高粘度时增长明显。
  (3)自主设计并加工了一套径向间隙气泡观测装置,以此搭建了可供高速摄影360°实时观测的试验台,通过高速摄影动态观测了气泡的形态特性。通过对试验台的转子转速、径向间隙值、润滑油粘度以及润滑油含量的实时调节,获得了气泡受上述因素影响的变化规律,经过对比发现与仿真结果相符。试验同时发现,随着间隙值的增大,析出气体会越来越少的存留在径向间隙处;在高转速与中等粘度时,气泡在低供油量下受各因素影响的变化趋势与满油时基本一致。此外,气泡在缸体内开阔区的溃散有助于解释气泡受可调因素的影响。
[硕士论文] 李林泽
轮机工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:往复式压缩机具有效率高、结构紧凑、压力大的优点,广泛应用于船舶行业。由于往复式空压机的工作特点,使得该类设备振动噪声大,因此,近年来设备振动噪声预测已成为低噪声往复式空压机的研究难点,准确掌握振源及其影响因素是低噪声设计的关键。以往关于往复式空压机动力学分析中为简化计算,假设转速恒定且忽略活塞与缸套间油膜作用力,与实际工作情况存在偏差。为此本文以级联式空压机为研究对象,探求波动转速及活塞润滑特性对空压机振动影响研究。主要工作有:
  建立曲轴—连杆—活塞机构的动力学模型,通过实测空压机转速,将波动转速引入动力学分析模型,得到波动转速下运动部件受力,如往复惯性力、曲柄销切向力及倾覆力矩等,并与恒定转速下的受力进行对比。
  建立了含有兰彻斯特机构的轴系扭振模型,计算轴系自由振动,并与实测的轴系扭振固有频率进行对比,验证模型的准确性。将波动转速及恒定转速下曲柄连杆受力作为扭振激励,分别计算空压机轴系的强迫振动,通过与实测数据对比验证仿真的正确性,得到波动转速对轴系扭振计算的影响规律。
  建立活塞动力学与摩擦学耦合的数学模型,联立求解雷诺方程与牛顿力学方程,采用迭代方法求解活塞润滑油膜压力,并得到活塞实际在缸套内的运动姿态,进而得到润滑油膜对缸套的激励力特性,并与侧推力进行对比。
  利用ANSYS软件建立往复式空压机有限元模型,通过与实测模态对比,修正边界条件,保证有限元模型的正确性。分别考虑激励源是否包含活塞油膜作用力的两种情况,开展有限元模型的谐响应分析,并均与实测振动响应进行对比,验证计算正确性并分析引入活塞润滑特性对机体振动响应计算的影响。
[硕士论文] 何洋
机械设计及理论 广西大学 2018(学位年度)
摘要:泄漏是影响压缩机容积效率的主要因素,压缩机主要通过润滑油膜阻止气态工质的泄漏,在压缩机四个主要泄漏通道中,径向间隙泄漏最为突出,其泄漏量占比最大。因此,探明压缩机径向间隙泄漏特性,对提高压缩机工作性能有积极的现实意义。目前针对径向间隙泄漏特性研究的方法主要有两种:在动压条件下,只考虑气态工质泄漏的单相流;在静压条件下,将润滑油膜大小视为定值的气-液两相流。但是,随着压缩机的运转,腔体压力及径向间隙处油膜大小在不断变化,因此,上述研究方法与压缩机径向泄漏通道的实际工况还有一定的差距。本文以全封闭单级立式滚动活塞压缩机为研究对象,采用UDF技术建立径向间隙模型动网格,在动压差下对气-液两相流进行了CFD仿真,得到了在转速、径向间隙、润滑油粘度、油膜附着厚度影响下油膜密封角的变化规律及径向间隙泄漏特性。基于CFD仿真开展了实验,得到在转速、径向间隙、润滑油粘度、油膜密封角影响下气态工质的泄漏特性。最后通过建立三维仿真模型得到压缩机腔体的流场特性,本文研究内容如下:
  (1)对油膜密封角进行了仿真,得到了油膜密封角的大小及变化规律,仿真结果表明:无压差下,转速、润滑油附着厚度与油膜密封角呈正相关,润滑油粘度与油膜密封角呈负相关;动压差下,油膜密封角在活塞转角约为45°时形成120°时消失,润滑油附着厚度与油膜密封角呈正相关,润滑油粘度、径向间隙与油膜密封角呈负相关,活塞转角为45°-60°度时,转速与油膜密封角呈负相关,活塞转角为60°-120°度时,转速与油膜密封角呈正相关。
  (2)通过油膜密封角观测实验,利用MATLAB对高速摄影拍摄的图片进行处理,得到无压差下三个因素对油膜密封角的影响,将无压差仿真数据与实验数据进行对比,结果表明:实验数据与仿真数据误差小于20%,所采用的仿真方法是合理的。
  (3)对径向间隙泄漏特性进行了仿真,得到了不同因素对泄漏量的影响仿真结果表明:在保证容积损失小于5%的情况下,转速应不低于3000r/min,间隙不大于45μm,活塞壁面润滑油的附着厚度不低于50μm,润滑油粘度影响较小,可不予考虑。
  (4)在压缩机本体上获取动态压力,利用径向间隙等效装置模拟压缩机径向间隙,观测装置收集、测量从等效装置内泄漏的气体;通过图像处理得到转速、润滑油粘度、油膜密封角、径向间隙四个因素对径向间隙泄漏特性的影响。结果表明:四个因素对泄漏量的影响趋势与仿真结果一致,当等效径向间隙气体泄漏时,其泄漏速率先增大后减小。
  (5)基于动网格建立了腔体的三维仿真模型,得到了腔体流场特性,仿真结果表明:在压缩机排气前,润滑油集中在径向间隙,径向间隙靠近吸气腔侧出现负压;压缩腔内的流线在压缩腔轴向的方向上基本保持一致且呈现螺旋状,在排气口位置处产生涡旋,建议挖消音孔或增加挡板减小影响,压缩腔温度分布不均匀;吸气腔压力小、流场稳定、温度分布均匀。
[博士论文] 马屈杨
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:往复压缩机普遍用于石油化工、冶金及航空国防等领域,是制造行业必不可少的能源装备。由于压缩机活塞间歇性、周期性的进排气方式,导致机体及其管路系统存在气流脉动。脉动的气流周期性地冲击设备和管系,直接引发结构振动。目前,随着往复压缩机的广泛使用,因气流脉动激发的管路振动问题频发。虽然国内外学者为了有效遏制管内气流的脉动,开展了相应的理论研究并提出一些抑制方法。但由于现场工况复杂,工艺要求多变,由气流脉动引发的管系振动问题往往具有其特定的原因及工程背景,很难一概而论,这就使得对往复压缩机及其管系气流脉动的抑制效果并不理想。在我国因气流脉动造成的管路振动问题仍比较普遍,并伴随有毒有害、易燃易爆气体的泄漏、管系支撑断裂,甚而造成严重的爆炸事故。同时,大型工艺压缩机及其附属设备体积较为庞大,支撑地基多为水泥浇筑结构,因而大大增加了改造难度。因此,本文围绕现场广泛存在的往复压缩机及其管系气流脉动问题,提出具有针对性的脉动抑制方法和抑制结构,开展了更加深入的理论及实验研究,并将抑制方法应用于工程实践,证明了所提出方法和结构的有效性。本文具体研究内容如下:
  (1)单容结构压力脉动抑制特性研究。提出回流膨胀腔平面波阻抗理论,构建多种进排气形式单容结构动力传递数学模型,研究缓冲容器空间排布方式对管系压力脉动的影响规律,为现场合理选择容器配置及管系布局提供理论指导。提出基于粒子群优化算法的压力脉动快速数值解法,结合实验研究和三维瞬态数值模拟,证明了所构建动力传递模型的正确性,验证该数值解法能够实现全管系脉动压力分布趋势及数值预测,且具有较高的求解精度和迭代速度。研究结果表明,同等容积下轴向进气径向排气式单容结构压力脉动抑制能力相对突出。在此基础上揭示了特征结构参量对径向排气式单容脉动抑制的影响规律,有利于充分发挥容器脉动抑制效果,指导工程实践。
  (2)内置元件双级膨胀腔结构压力脉动抑制特性研究。基于内置孔板及内置滤波管的结构特点及抑制原理,提出内置多孔穿孔管双级膨胀腔结构,有效解决因成本及空间限制,导致紧凑型往复压缩机进排气接口附近缓冲容器容积过小,压力脉动抑制效果受限或无效等现场存在的实际问题,充分提高管系原有单容缓冲器的脉动抑制能力。为评价装置脉动抑制效果,深入分析脉动抑制特性,构造装置所在管系气流脉动动力传递数学模型,预测管系脉动压力分布趋势,结合实验研究验证理论模型的正确性,证明在保持管系布局的前提下,内置元件普遍适用于管系原有单容缓冲器的结构改造和抑制能力的提高。研究结果进一步表明,内置多孔穿孔管双级膨胀腔结构所在管系压力脉动抑制率相对于内置孔板和内置滤波管双级膨胀腔结构所在管系平均可提高20%左右。
  (3)双容结构压力脉动抑制特性研究。提出双容串联结构,解决因现场空间紧凑,缓冲容器远离压缩机布置而制约脉动抑制能力的具体问题,避免过高的压降损失以及因更换大体积单容而增大制造成本。通过构造气流脉动传递数学模型,深入分析双容串联结构压力脉动抑制特性及原理,采用实验研究和数值模拟的方法,充分验证了全管系压力脉动传递综合模型的正确性。基于轴向进气径向排气单容对气流脉动的抑制优势,进一步提出弯头式双容结构,有效应对现场因空间问题无法采取双容串联改造方法的特殊情况。构建脉动传递数学模型,经对比分析证明了弯头式双容结构可使管系始末两端点脉动压力峰峰值分别较双容串联结构降低41.37%和27.37%,实现管系脉动的高效抑制。采用脉冲响应法对管系输入理论扫频激励,求解管系对冲击脉动的响应分布;同时分析了装置压力波透射特性,验证弯头式双容气流脉动抑制方法的可行性,为实现工程应用提供可靠的理论依据。
  (4)气流脉动实验研究。采用较大功率对置式双作用往复压缩机作为激励源,搭建了与现场等规模实验台,实现对现场压缩机级间管路系统气流脉动传递行为的真实模拟。使用16通道高速同步采集系统,通过在测试管系上均布压力传感器,采集测点压力信号,基于时、频域分析方法掌握全管系气流脉动分布情况,有利于对本课题理论研究结果进行合理、有效验证。实验设计并加工带冗余接口的多用途脉动抑制模块,实现了不同内件的自由组合和多种容器布置形式,为将抑制方法有效投入现场应用及指导实践提供支撑。
  (5)脉动抑制方法在工程实践中的应用。将本课题提出的抑制方法运用于工程实践,指导现场解决因气流脉动引起的往复压缩机及其管路系统振动问题。根据现场实际工况及工艺要求,构建理论模型,分析全管系气流脉动情况,并结合本课题提出的抑制结构制定具体减振方案。经改造后压缩机机体运行平稳,管路系统振动显著下降,从而证明了本文研究方法及抑制结构能够有效地解决现场实际存在的气流脉动问题。
  综合分析工程现场广泛存在的往复压缩机及其管系气流脉动问题,鉴于现有研究成果在具体指导现场实践时效果不理想的现状,本课题有针对性地开展气流脉动抑制方法研究,对所提出的各类脉动抑制方法和结构进行深入的理论研究、实验验证及数值模拟仿真,并投入工程实践,为抑制现场往复压缩机及其管系气流脉动提供支撑。
[硕士论文] 贾超伟
机械工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:在现代工业中,摩擦磨损是导致零件失效的重要原因,为了减少经济损失,人们越来越重视对摩擦磨损的基本规律、机理的研究。曲柄连杆机构是往复式压缩机的重要传动机构,是完成能量转换的关键部位,是磨损产生的主要部位,分析磨损产生的原因,为改善曲柄连杆机构性能,延长使用寿命十分重要。
  本文以某型号压缩机为研究对象,以压缩机磨损故障为切入点,通过分析故障原因,由磨损形貌特征确定影响因素,分别为载荷和转速,为验证分析影响因素,建立压缩机机构的曲轴连杆简化模型,运用力学的理论知识得到相应目标的运动方程,确定活塞曲轴连杆之间的力学的关系,利用运动学理论对曲轴连杆的速度规律进行研究,建立数学理论运算公式。确定曲柄连杆机构的速度关系。
  用ANSYS分析方法,采用接触算法,通过数值求解,建立滑动磨损-疲劳模型;在滑动磨损-疲劳模型下分析载荷与磨损之间的关系,联合pro-e和workbench仿真软件,对三维模型进行仿真计算分析,确定载荷对磨损的影响。为验证仿真软件计算结果的准确性,设计实验方案,相同转速下不同载荷的压缩机对比试验,通过500小时工况磨损试验后,对比压缩机的曲轴磨损量的分析,验证仿真模拟的正确性。
  用ADAMS对转速建立动力学仿真,以拉格朗日动力学方程为基础,建立了曲轴连杆系统的刚体动力学仿真模型。在三种转速下,对曲轴主轴和偏心轴的承载变化进行分析。得出转速对磨损的影响关系。同样为验证模拟仿真软件的正确性,设计实验,对相同载荷不同转速的压缩机进行的磨损试验,试验完成后,检测拆机后曲轴的磨损量,根据磨损量变化,分析转速对磨损的影响。
  本文通过试验验证后,仿真分析软件的模拟结果具有较强的准确性,为压缩机的磨损原因分析提供了有效参考。
[博士论文] 孙晓波
电机与电器 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:对旋风机由直径、轮毂比和转速都相同而旋转方向相反的两个叶轮前后串联组成,具有流量大、压升高、效率高、反风性能好等优点,近年来被广泛应用于矿井、隧道等通风换气场合。然而,在通风距离变化的情况下,对旋风机会偏离设计工况,出现机电性能匹配困难问题。在大流量工况,后级叶轮驱动电机轻载乃至空载运行,效率降低;而在小流量工况,后级叶轮驱动电机功率又迅速增加,乃至过载烧毁。此外,风机运行还会产生强烈的噪声,影响周边环境。因此,全面深入地研究对旋风机内部流场的工作机理,确定影响风机气动性能和机电性能匹配的关键因素,并对其进行有效的性能预测和调整,实现对旋风机高效稳定运行具有重要意义。
  对旋风机运行时形成一个复杂的非定常流场和驱动电机电磁场的相互耦合的系统。为真实地反映对旋风机电磁场与流场之间的耦合作用,需要将电动机部分和流体机械部分作为一个整体考虑。首先,根据流体力学理论和电磁场理论分别建立对旋风机流场和电动机电磁场的仿真模型。然后,以转速和转矩为耦合变量,考虑电动机负载特性,在两级叶轮转速平均值处,根据对旋风机叶轮转矩离散解构造电动机负载转矩函数,建立对旋风机流场-电磁场耦合仿真模型。利用此耦合模型实现对旋风机设计流量、大流量、小流量三种典型工况的流场和电机瞬态电磁场的耦合分析,为研究叶轮转矩脉动对电动机的损耗和效率的影响奠定基础。
  采用数值模拟和试验测试方法对对旋风机进行气动性能研究。对原型风机的性能参数进行数值计算,得到风机性能曲线,与试验数据进行对比,验证建立的仿真模型的正确性。在此基础上,采用电动机变极调速方式,对不同叶轮转速配合的风机内部流场压力和速度分布进行数值模拟。结果表明,各转速配合时的风机气动性能曲线相似,都有一个高效率运行范围,并且在风机高效率运行时,风机流场的压力和速度分布状态合理。然后,选择能适应多数通风距离工况的四种转速配合,根据风机负载的转矩和功率特点,采用移相变极法和对称轴法将驱动电机重新设计为单绕组双速异步电动机。在保证通风量近似恒定和风机高效率运行的条件下,对不同的风管阻力自动选择合适的转速配合,实现对旋风机的高效节能控制。
  利用对旋风机三种典型工况的流场和电机瞬态电磁场的耦合分析结果,对电动机定子绕组相电流进行谐波分析,计算定子铜耗,根据电磁功率计算转子铜耗,应用改进的Bertotti三项式模型计算铁耗,进而获得电动机的总损耗和运行效率。计算结果表明,风机叶轮轴转矩的脉动的增大会增加电动机的损耗,且主要是铁损耗,进而使得输入功率增大,运行效率下降。揭示了风机近失速小流量工况运行时两级叶轮转矩脉动相互影响及驱动电机过载的机理。
  通过对旋风机的涡量和压力脉动分析,得到流场内部涡量和压力的分布规律,两级叶轮区的涡量幅值和压力脉动幅值明显高于其他区域。引入宽频噪声模型,对风机流场进行声功率分布分析,发现两级叶轮区域的壁面的声功率高于其他区域。因此,风机两级叶轮旋转区域是主要的气动噪声源。设定两级叶轮区域所有固体壁面为噪声源,引入改进的FW-H噪声模型方程,对两级叶轮区域进行噪声声压频谱分析。最后,对叶轮出口处的相应监测点的噪声声压进行计算,并与经验模型的计算结果和试验结果进行对比分析。结果表明:可以根据较粗糙网格模型预测对旋风机的内部离散噪声特征,降低了噪声的计算量,为噪声的预测与抑制奠定了理论基础。
[硕士论文] 马振涛
机械工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:本论文由往复压缩机无级气量调节关键技术研究与发动机试验台建设研究两部分组成。
  往复式压缩机作为核心设备,广泛应用于石油、化工、机械、冶金等行业领域,同时也属于高耗能设备之一。伴随着生产需求的调整,压缩机往往不能满负荷工作,造成巨大能源浪费,因此压缩机的气量调节问题日渐成为关注焦点。以部分行程顶开进气阀的无级气量调节方式与现有其它方式相比,具有调节效率高、气量连续、效果明显的显著优势,本文针对无级气量调节系统的关键技术及系统对压缩机组的影响方面开展了研究。
  航空发动机转子具有转速高、结构复杂、负载大的特点,据统计70%的航空发动机故障因转子不平衡振动而起,现阶段国内外普遍采用支承结构简化的转子动平衡系统进行动平衡研究,而这种研究方法在面对高转速、多转子的薄壁机匣系统时,实际平衡效果不理想,维修厂针对发动机转子动平衡的实际问题,往往花费巨大成本对发动机进行多次拆解测试,又难以达到理想平衡效果。纵观发达国家航空发展进程,试验测试台是推动发动机技术进步和探究科研难题的重要基石,基于发动机技术现状和发展背景,本文搭建了一种抽真空全转速电驱发动机试验台。
  综合上述问题,本文主要研究内容如下:
  (1)针对无级气量调节系统组成原理和执行机构的调控动作需求,设计了稳定可靠的液压系统,通过AMESim模拟仿真的方法,对液压系统供油压力、管路长度、油站背压关键参数进行仿真分析,总结出最优的设计参数。通过液压系统性能试验,验证了动态响应模拟的正确性,得出供油压力与系统负载、齿轮泵流量、油温之间的变化关系,总结得出液压系统工作特性,为现场应用提供了明确指导。
  (2)针对无级气量调节系统在实施过程中给压缩机带来的可能影响,通过分析计算,总结出不同气量调节方式对压缩机反向角的影响规律。借助多体动力学仿真软件RecurDyn对压缩机运动机构进行模拟,分析了间隙运动机构、柔性体运动机构对建模的影响,总结不同调节负荷下压缩机运动机构受力规律,为无级气量调节系统在现场的应用推广提供技术支撑,为装载无级气量调节系统的往复压缩机故障诊断提供参考依据。
  (3)针对发动机动平衡问题研究,给出了抽真空全转速电驱发动机试验台原理和总体设计框架案,对试验台建设中包含的发动机改造、驱动系统、真空系统、滑油系统、试验台架等各部分工作内容展开析研究。完成了真空系统的设计、选型;完成了滑油系统的设计、选型与制造。对实验室整体布局进行规划设计,并推动建设工程的顺利实施,为发动机动平衡试验研究奠定了坚实基础。
[博士论文] 刘宾宾
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:离心压缩机作为金属冶炼、压力供给、气体输送及分离等工业部门的核心设备,其转子稳定性和轴位移故障关乎整套机组的可靠运行和企业生产的经济效益。滑动轴承烧瓦或磨损是离心压缩机转子失稳及轴位移故障的直接体现之一,而高端滑动轴承大多面临重载、高速、极端温度等苛刻工况,摩擦副表面接触、摩擦、磨损和润滑状态复杂。同时,以高效率和结构紧凑为优势的整体齿轮式压缩机的动力学问题日益凸显,已制约着国产齿式离心压缩机的发展与进步,所以解决高速重载轴承的设计问题和解决轴承-转子-齿轮耦合复杂系统的动力学问题迫在眉睫。
  针对离心压缩机转子稳定性及轴位移故障防治问题开展研究具有很强的工程背景,本文主要围绕着径向振动与轴向振动所涉及的滑动轴承性能和转子动力学行为进行研究,通过结合理论分析和试验测试手段,揭示滑动轴承的静动特性等关键参数对机组运行和转子振动的影响规律,并诊治了相关的转子失稳及轴位移故障,为防治转子失稳和轴位移故障提供理论依据和试验验证。具体研究内容如下:
  1、为提高重载推力轴承性能的预测精度,建立了考虑润滑油粘温效应、湍流模型和离心惯性项的轴承热弹流耦合动力润滑性能计算的理论模型,并编写了推力滑动轴承仿真分析程序,获得在多物理场耦合作用下推力轴承的油膜厚度、压力、温度及轴瓦温度和变形等,发现轴瓦的弹性变形不仅影响轴瓦温度的预测,也关系着雷诺数的计算,若不考虑弹性变形,雷诺数偏小,不能及时预测到过渡流或湍流的发生。
  2、针对离心压缩机的轴位移故障防治问题,提出了利用液压激励系统结合辅助变量滤波算法辨识推力轴承静动特性参数的方法,设计了利用电动油泵系统中的电磁比例溢流阀向推力轴承施加静态和动态轴向载荷的试验装置,最大静态载荷为20000N,测试了转速和轴向载荷对轴瓦温度的影响,并研究了轴向激励大小和激励频率对轴向和径向振动的影响,不仅揭示了转子轴向振动与径向振动之间的耦合关系,还揭示了喘振造成轴位移振动故障的机理。结果表明,随着静态轴向载荷的增加,轴瓦温度、轴向刚度和阻尼系数也随之增加。激励幅值的增大会降低轴向刚度和阻尼系数,从而影响推力轴承的承载能力。同时,发明了一种离心压缩机轴位移故障自愈调控装置,能够智能调控轴位移,增加推力轴承的承载能力,降低轴瓦温度。
  3、为在设计阶段对高速重载轴承性能进行测试,开发了基于电磁执行器加载的径向滑动轴承性能试验方法,首次利用电磁执行器模拟齿轮耦合-轴承复杂系统中齿轮啮合造成的径向轴承负荷变化,设计的径向滑动轴承性能试验台的最高转速达12000r/min,利用电磁执行器加载的总轴承载荷为20000N,通过施加不同轴承载荷大小和方向,对不同轴承间隙的滑动轴承性能进行测试,主要研究高速重载情况下轴瓦温度和功率损耗随转速和载荷的变化情况。研究表明,除了转速和负载大小外,轴承载荷角度对轴瓦温度也有明显的影响。与转速对功率损耗的影响相比,轴承负载对功率损耗的影响相对较小。
  4、针对整体齿轮式离心压缩机的转子稳定性问题,在不同的载荷大小和载荷角度下,分析了径向滑动轴承刚度和阻尼系数的变化情况,并在此基础上建立了轴承-转子-齿轮耦合的四平行轴系有限元模型,研究不同载荷下齿轮转子耦合复杂系统的动力学行为和不平衡响应规律,以及不同轴承结构、载荷和交叉耦合刚度等因素对转子稳定性的影响。分析指出,在整体齿轮式压缩机运行过程中,要求轴承具有宽阔的稳定操作范围,保证在不同转速和不同轴承载荷下,转子系统不会发生失稳。在相同的交叉耦合刚度影响下,齿式压缩机的高速轴比低速轴和中速轴更容易也更快地发生失稳。
  总之,研究离心压缩机转子稳定性及轴位移故障防治关键技术,有助于齿轮轴系-轴承耦合复杂系统的动力学行为分析,特别是滑动轴承静动特性的理论分析和试验测试,对高端轴承的设计、制造和故障防治等具有十分重要的意义,能够克服关键技术难点,提高滑动轴承仿真精度,保证滑动轴承的加工制造品质,防止转子失稳和轴承故障的发生,进而避免转子振动异常和轴承损坏。
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