CN110569524A - 一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法

技术领域

本发明涉及鼓风机技术领域，特别是一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法。

背景技术

离心鼓风机工业领域的一种通用设备，广泛应用于污水处理、造纸、冶金、化工等行业。其中空气悬浮高速直联式离心鼓风机采用了高速电机直驱叶轮、空气润滑轴承等高端技术，是最先进的产品系列之一，以其高效率、低噪音、低成本等特点受到用户的广泛认可。由于离心鼓风机用途广泛，在不同使用场合需求的流量、压比等参数都不尽相同，因此绝大多数离心鼓风机更偏向于定制化设计，根据实际的运行环境及需求供气情况设计合适的规格型号，进而提高运行效率，满足用户的使用需求。

由于空气悬浮高速直联式离心鼓风机属于最先进的产品，目前尚未形成相关的国家或行业标准，设计者通常根据经验进行设计匹配，这对设计者的经验提了很高的要求。此外空气悬浮高速直联式离心鼓风机产品涉及高效叶轮三元流、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/刚度等诸多先进技术，是复杂系统的耦合设计，仅根据经验选择的方案很难达到最优解，容易造成产品设计周期长，产品效率低、振动大等问题，甚至由于校核的缺失直接影响产品的安全使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法，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’(π wDm)(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。

作为优选项，完成步骤(11)后，进行箔片空气轴承的设计，包括

(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)将上述计算得到的动态刚度[K]、动态阻尼[C]代入转子系统的转子动力学方程，预测转子系统的临界转速及不平衡响应；

(15)若所有结果的临界转速及不平衡响应均不是最优，则调整箔片结构，重复迭代步骤(13)和(14)，直至计算得到最优的箔片轴承方案；

(16)根据计算得到的箔片轴承的最优设计方案，按轴承结构搭建轴承部件试验台，使轴承运行在额定载荷及额定工作转速范围，并测试验证轴承的承载力、起飞转速、动态刚度[K]、动态阻尼[C]参数，若测试结果显示结果不是最优，则再次调整箔片结构进行迭代设计；

(17)根据迭代优化设计及试验验证，最终确定最优的箔片空气轴承方案，完成轴承部件设计。

本发明的有益效果是：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。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明中整机设计流程示意图；

图2为本发明中箔片空气轴承设计流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中会涉及一些特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明创造仍可实现，即所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员可更有效的介绍他们的工作本质。

参照图1、图2，一种空气悬浮高速直联鼓风机的设计方法，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’(π wDm)(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。

完成上述整机设计后，进行箔片空气轴承的设计，包括

(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)将上述计算得到的动态刚度[K]、动态阻尼[C]代入转子系统的转子动力学方程，预测转子系统的临界转速及不平衡响应；

(15)若所有结果的临界转速及不平衡响应均不是最优，则调整箔片结构，重复迭代步骤(13)和(14)，直至计算得到最优的箔片轴承方案；

(16)根据计算得到的箔片轴承的最优设计方案，按轴承结构搭建轴承部件试验台，使轴承运行在额定载荷及额定工作转速范围，并测试验证轴承的承载力、起飞转速、动态刚度[K]、动态阻尼[C]参数，若测试结果显示结果不是最优，则再次调整箔片结构进行迭代设计；

(17)根据迭代优化设计及试验验证，最终确定最优的箔片空气轴承方案，完成轴承部件设计。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (2)

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

(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)将上述计算得到的动态刚度[K]、动态阻尼[C]代入转子系统的转子动力学方程，预测转子系统的临界转速及不平衡响应；

(15)若所有结果的临界转速及不平衡响应均不是最优，则调整箔片结构，重复迭代步骤(13)和(14)，直至计算得到最优的箔片轴承方案；

(16)根据计算得到的箔片轴承的最优设计方案，按轴承结构搭建轴承部件试验台，使轴承运行在额定载荷及额定工作转速范围，并测试验证轴承的承载力、起飞转速、动态刚度[K]、动态阻尼[C]参数，若测试结果显示结果不是最优，则再次调整箔片结构进行迭代设计；

(17)根据迭代优化设计及试验验证，最终确定最优的箔片空气轴承方案，完成轴承部件设计。