一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110569524A(43)申请公布日2019.12.13(21)申请号201910524682.9(22)申请日2019.06.18(71)申请人佛山特博科技有限公司地址528303广东省佛山市顺德区容桂德胜居委会桥东路8号三座一楼(72)发明人王惠军陈颖秀胡斌(74)专利代理机构广州嘉权专利商标事务所有限公司44205代理人左恒峰(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)F04D25/06(2006.01)F04D17/16(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图2页(54)发明名称一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法(57)摘要本发明公开了一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法，与现有根据经验选择设计方案比较，新方法可缩短整机设计的周期，有效避免设计过程中存在的风险，并能统筹迭代各个关键零部件涉及的高效叶轮三元流、高效高速大功率永磁电机、高速转子动力学、流固热耦合、空气动力学、箔片空气轴承弹性力学、过盈连接接触强度/刚度等技术问题，使整机产品性能、结构方面达到最优方案。CN110569524ACN110569524A权利要求书1/2页1.一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法，其特征在于包括以下步骤：(1)确定供气需求，供气需求即整机的设计输入参数，包括供气流量、进口压力、出口压力、工作介质；(2)根据供气需求，首先利用一维性能预估模型(两区模型)，优化叶片各个截面的主要几何参数，确定初步的叶轮进出口速度、进出口气流角、叶轮旋转速度、鼓风机效率性能参数，以及进口轮缘、轮毂大小、叶轮轴向长度、叶轮直径大小几何参数；(3)采用全三维几何造型，优化子午流道、叶型角度、叶型厚度几何分布，并进行叶片载荷分析校核；(4)再采用全三维粘性流场分析，对设计方案进行数值仿真模拟计算，获取流场信息，得到压比、效率的特性图；(5)根据流场结果，多次迭代修整叶型提高离心鼓风机的效率，最终得到最优化的离心叶轮方案，设计输出包括工作转速范围、输出功率、叶轮外形结构；(6)根据叶轮方案需求的转速-功率曲线，进一步设计永磁高速电机方案，主要涉及到电机定子和电机转子两部分，根据给出的功率和转速需求，计算出定子和转子的硅钢片叠片数和大小尺寸、定子铜线绕线方式、永磁转子上磁钢的形状和尺寸、定转子磁隙大小、定转子发热量关键参数，再通过有限元电磁模拟仿真计算，对设计进行校核和修正；(7)根据叶轮及电机定转子方案初步设计叶轮密封结构及止推/径向箔片空气轴承外形，首先根据电机转子及叶轮尺寸，预估单个径向轴承的载荷W，利用径向轴承承载力公式W＝κ(L×D)(D×N)及L/D＝1的假设，得到径向轴承内径及长度尺寸；(8)迭代设计叶轮背腔密封结构及其径向位置，采用三维流场模拟计算得到叶轮部件受到的轴向力F，根据止推轴承承载力公式F＝κ’(πwDm)(DmN)，以及止推轴承内径≥径向轴承外径要求，计算得到止推轴承的内外径尺寸。若密封结构对应的轴向力F过大，则导致止推轴承外径过大，进而影响转子系统质量及转子动力学稳定性，则需要迭代优化密封结构，甚至重新设计叶轮及电机方案。最终通过迭代匹配，设计得到合适的叶轮、永磁电机及止推/径向轴承的外形尺寸。(9)根据上述确定的叶轮、永磁电机定转子及止推/径向箔片空气轴承的外形尺寸，可初步设计整机结构方案，补充机壳、轴承座其余零部件。并对连接强度进行校核，包括对叶轮预紧力进行强度校核、叶轮摩擦或销钉传扭方式设计校核、冷态静止下护套过盈连接强度校核、热态旋转下永磁体预紧应力校核。(10)根据初步整机方案，结合定转子的发热量及高速运行下的风磨损耗，设计对永磁电机定子、永磁转子、空气轴承关键部件的冷却方案，并采用CAE分析方法对冷却流道进行流固热耦合仿真模拟，校核定子部件最高温度不超过材料许用的绝缘等级，转子部件最高温度不得超过永磁体许用退磁温度，轴承部件最高温度不得超过其上润滑涂层的许用温度。(11)根据上述优化的整机结构，通过迭代法精细设计止推/径向箔片空气轴承的结构方案，确保轴承的承载力、起飞转速、动态刚度、动态阻尼参数能满足转子稳定运行的设计需求。2.根据权利要求1所述的一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法，其特征在于：完成步骤(11)后，进行箔片空气轴承的设计，包括2CN110569524A权利要求书2/2页(12)确定轴承设计的输入参数，包括工作转速范围、转子系统结构、初步预估的轴承外形尺寸；(13)根据输入参数，初步预选箔片结构形式，包括箔片厚度、材料，波箔拱形高度、跨距、弧度，同时，定义一系列名义间隙C0。将上述参数输入轴承设计C++程序，计算输出不同间隙下的轴承承载力、偏心率、偏位角、动态刚度[K]、动态阻尼[C]的参数；(14)将上