为探讨高效高负荷高通流能力风机的关键气动设计技术及其内部流动机理,本文完成了一台压比为1.20,载荷系数为0.83的轴流风机设计。详细研究了流量系数、反力度等设计参数的影响规律,并给出了相应的选取原则;分析了叶片负荷调整、叶片弯曲、叶片端弯对叶栅内流动、级匹配、级性能的影响,给出了高负荷轴流风机三维叶片设计的基本原则;此外,本文还开发了S1流面协同优化方法,有效地降低了静叶损失,提高了风机裕度。

积木块式传递矩阵法保留并发展了PROHL法适用于单、双转子系统的临界转速计算并 可取得足够满意的工程精度。本文中推导了计及中介支承柔度后的计算方法并探索了其对整 个系统临界转速的影响。

超超临界机组常采用外置补汽阀的方式调节流量,但补汽阀门开启后会对高压缸内原有轴向流动的蒸汽造成扰动,导致汽轮机高压转子部分的振动上升,甚至影响机组的安全运行。为探究不同的进汽方式产生的气流激振力的影响,将一种常用进汽方式(径向进汽方式)和一种改进的进汽方式(切向-轴向进汽方式)在不同的总补汽量和上、下补汽量不同的工况下产生的气动力转换为刚度,然后利用Riccati传递矩阵法计算转子的临界转速和稳定性,结果表明,切向-轴向进汽方式产生的气动力较小,对转子轴系的稳定性影响较小;同时当上补汽量大于下补汽量时对轴系稳定性有益,该结果能够为旁通补汽结构的设计和机组的运行提供参考。

为了减小轴向的热传递,应用于超流氦低温制冷系统的冷压缩机转子采用局部中空薄壁的结构型式。为保证该转子系统在高速运行时的稳定性,利用有限元分析软件ANSYS对某中空薄壁结构型式冷压缩机转子进行模态以及不平衡响应分析,同时探讨了所采用的电磁轴承的刚度与阻尼比对转子动态特性的影响。结果表明,与一般实心结构转子相比,采用局部中空薄壁结构的冷压缩机转子低阶刚性临界转速及其峰值振幅几乎相同;但高阶弯曲型临界转速大幅下降,峰值振幅大幅提高,同时大幅振动所对应的频域更宽;并且对于叶轮端的平衡品质等级和不平衡量位置尤其敏感。采用的中空薄壁转子在一定的电磁轴承的刚度与阻尼比范围内可以实现所要求的动态特性。

轴系动态特性受轴承刚度影响,而轴承刚度随轴系转速呈强非线性。因而研究轴系动态特性首先需要确定轴承刚度。首先使用球轴承受力分析的拟静力学模型,计算球轴承不同转速下的刚度,计算轴承刚度时,考虑了轴承内圈由于离心惯性力造成的变形的影响,使刚度计算值精确化;进而使用梁单元对轴系进行离散建立轴系的有限元模型,并求解了轴系的临界转速;并以临界转速为优化目标、对轴承跨距及轴内径进行了优化,提升了轴系的动态性能。文中研究内容以Matlab为基础进行编程实现。

为提高轴承试验机主轴部件临界转速设计计算的准确性和简便性,开发了基于传递矩阵理论和C#编程语言的临界转速求解模块。该模块可以将支撑轴承刚度、轴段剪切应力、回转效应和摆动惯性、轴承内圈及附加零件等因素加入到传递矩阵中,采用逐步扫描和“拟黄金分割法”自动切换的方法搜索临界转速,并且通过曲线动态显示搜索结果,搜索过程中求解速度可以控制。最后以轴承型号NU2209的试验机主轴为例进行求解,实现临界转速的快速精确求解,并将结果与ANSYS分析数据进行对比。实践表明：该模块计算准确、界面友好、操作简单、运行速度快、占用内存少,完全可以满足轴承试验机对临界转速的分析要求。

针对高速永磁电机的设计特点,就某新型高速永磁电机的结构特征进行重点论述,在设计该电机的定子腔结构时,用倾斜槽替代了传统用的平槽,采用理论分析和有限元方法相结合的手段对该电机的结构进行了分析,磁场分析结果显示,采用倾斜槽结构有效地减少了系统的漏磁,整个磁路设计合理;在采用过盈装配工艺进行结合的护套和永磁体在静止和高速状态下都能保持适当的界面压力,实现转子护套对永磁体的有效保护;通过其物理模型计算得到转子系统只有一个较低的临界转速。结果表明该类型高速永磁电机结构合理,安全可靠,且在高速运转过程中很快跨越较低的临界转速,升速过程运转平稳。

以电磁轴承支撑的飞轮转子为研究对象,建立飞轮转子的有限元模型,基于ANSYS Workbench软件对转子系统临界转速进行求解。分析了阻尼和支撑刚度对飞轮转子系统前三阶临界转速的影响。结果表明,阻尼对飞轮转子临界转速没有影响,支撑刚度使临界转速增加,并计算出最佳的支撑刚度调整范围。

为解决单级悬臂泵-电机系统的传动轴常会因扭转共振及负载等因素引起的破坏系统的问题,对该轴系的扭振传递模型进行了详细分析,建立了叶轮与电机转子的集中质量力学模型;介绍了扭转方程中参数的确定方法,并推导了叶轮负载系统的转动惯量公式;从理论求解了传动轴的临界转速、确定了轴上的节面和主振型;以输入的单位阶跃信号为例,利用拉普拉斯变换,得出了叶轮与电机转子扭角的动态响应过程,通过与传动轴弹性化改进后的动态响应结果比较,可知弹性轴能够减小和较少泵轴扭断故障的发生。研究结果可以为悬臂泵主轴的改进设计提供理论依据。

转子是透平压缩机的核心部件，其设计方案的合理性关乎整机质量。该研究计算了四种设计方案的临界转速，并根据临界转速计算要求初步选定了设计方案，同时针对设计方案进一步细化计算模型，应用ANSYS软件对模型进行强度分析，算得转子的应力、应变极值均低于许用值。上述研究结果表明，初步选定的设计方案满足工作要求，是一种比较合理的设计方案。