微型燃气轮机轴承—转子系统耦合及非线性动特性分析

论文摘要

微型燃气轮机发电机是近年来发展的新型发电系统,具有可靠性高、可遥控、自诊断等特殊优势,受到航空航天和军事等方面的广泛关注。国家对发展微型燃气轮机发电机相当重视,已把微型燃气轮机发电机作为重点科研攻关项目,但与欧美国家相比,我国在微型燃气轮机发电机的研究和应用方面还有很大的差距。本文针对微型燃气轮机磁悬浮轴承-转子系统的耦合和非线性动力学特性进行了研究,为微型燃气轮机发电机结构设计提供理论依据。本文首先介绍了磁悬浮转子系统的组成、工作原理以及其差动控制系统的基本原理;采用二元Taylor级数对电磁力进行了简化,建立五自由度的磁悬浮转子系统的动力学模型。其次分析了磁悬浮转子系统中径向轴承内的力耦合及径向轴承之间的力耦合、力矩耦合现象,研究了各种耦合力沿磁力轴承圆周的分布情况、变化规律及耦合力与系统结构参数之间的关系,并考虑各种耦合因素的影响,建立其耦合动力学模型,通过数值方法对简化的转子动力学模型和考虑耦合力的转子动力学模型进行对比分析。分析结果表明系统是稳定的,考虑耦合后系统的固有频率变大,且前两阶固有频率相对变化较大,同时固有频率随耦合力的增大而增大,耦合力对前两阶频率的影响较大,对第三阶频率的影响较小;最后分析磁悬浮轴承-转子系统非线性动态特性,主要考虑电磁力的非线性项作用,建立了刚性磁浮轴承转子系统动力学模型和空间状态方程,用数值积分法对其稳定性进行了研究。通过数值分析得到了系统在某些参数域中的波形图、相图、轴心轨迹,直观显示了系统在这些参数域中的运行性态。同时将非线性影响因素和耦合影响因素综合考虑进去,建立更为准确的动力学模型。本文的研究表明:微型燃气轮机—高速发电机磁悬浮轴承转子系统的耦合因素对系统动力学特性有一定的影响;同时转子在一定偏心量下,以60000r/min转速的运转是稳定的。本文的研究为更好控制磁浮轴承转子系统运行状态提供了理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁力轴承-转子系统国内外发展概况
• 1.3 磁浮轴承-转子系统研究现状、发展趋势及面临的难题
• 1.4 课题的来源及研究的目的和意义
• 1.5 论文工作的内容安排
• 第二章 磁悬浮转子系统
• 2.1 磁悬浮轴承转子系统组成及工作原理
• 2.2 磁浮轴承的分类及特点
• 2.3 磁力轴承的控制系统
• 2.3.1 控制系统的组成及其工作原理
• 2.3.2 电流控制策略
• 2.3.3 电压控制策略
• 2.4 转子的介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 磁悬浮转子系统动力学模型
• 3.1 磁浮轴承的结构及电磁力分析
• 3.1.1 磁浮轴承的定子结构选取
• 3.1.2 电磁力分析
• 3.1.3 磁力轴承中磁力特性分析
• 3.2 刚性转子系统的模型建立
• 3.3 本章小结
• 第四章 磁悬浮轴承转子系统耦合动力学分析
• 4.1 径向磁力轴承中的力耦合
• 4.2 径向磁力轴承之间的力耦合、力矩耦合
• 4.2.1 径向磁力轴承之间的力耦合、力矩耦合
• 4.2.2 结构参数对径向轴承之间的力耦合影响
• 4.3 耦合磁悬浮转子系统的建模
• 4.4 耦合动力学分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁悬浮转子系统非线性动特性分析
• 5.1 研究稳定性的意义及主要方法
• 5.1.1 研究的意义
• 5.1.2 研究的主要方法
• 5.1.3 图解法与数值方法
• 5.2 非线性磁悬浮转子系统的模型
• 5.3 非线性磁悬浮转子系统的稳定性数值仿真
• 5.4 非线性耦合磁悬浮转子系统的建模
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢