重型磁悬浮转子跌落保护轴承失效机理

国家重点研发计划《高速精密悬浮轴承》对保护轴承跌落承载能力的要求是:转子质量不小于3000 kg,跌落转速不小于3000 r/min,抗跌落次数不小于10。基于此开展了对保护轴承设计研发及跌落失效机理的研究。提出了两种适用于跌落工况的陶瓷球混合保护轴承方案:满装球无保持架方案和非满装球带保持架方案。搭建了包含动力学、热学在内的转子跌落仿真模型,对不同方案跌落过程的受力和发热过程进行了仿真。将保护轴承安装到试验台架中进行测试,验证了仿真模型的有效性。在测试中发现无保持架保护轴承发生严重失效。对失效轴承的损伤情况进行观察和检测,发现由于滚动体间摩擦因数大,滚动体发生卡死现象,使滚动体与滚道、内圈与转子间发生持续干摩擦,造成内圈严重烧伤与磨损。

核电的公众接受性研究

公众接受性对核电的发展产生过重要影响 ,已引起许多核电国家的重视。本文描述了公众接受性对核电发展的影响 ,阐述了公众接受性的重要研究理论。

核能风险接受性研究

公众接受性倏关核能的生存与发展。三里岛事故后 ,新建核电站的安全性得到了很大的提高 ,但是公众对核能的接受性并没有明显的改善 ,其主要原因在于公众与专家在核能风险问题上的态度存在极大的差异。本文从“风险认知”和“风险决策”两个角度对此进行了分析 。

日本核能公众接受性的变化

从风险认知和风险接受性两个方面,分析了20世纪90年代以后核能在日本的公众接受性的变化过程。

HTR-10GT辅助轴承结构特性研究

在10 MW高温气冷堆氦气透平发电系统(HTR-10GT)中,辅助轴承用于失去磁力轴承主支承后的临时辅助支承,是整个转子系统重要的安全保障。本文综述了辅助轴承的研究现状,针对已建立的辅助轴承实验台架,采用有限元建模分析,讨论了辅助滚动轴承保持架的结构特性,为辅助轴承的结构设计提供了重要参考。

电磁轴承阻尼上限的动态特性分析

为了研究电磁轴承系统的高频稳定性问题,需要研究电磁轴承阻尼的动态特性。以单自由度系统中力和刚度、阻尼的基本力学方程为基础,忽略电气系统的影响,推导了在一定的振动幅值下,电磁轴承最大阻尼随转子振动频率增加而变化的关系,结果表明,电磁轴承能够提供的阻尼随着转子转速或振动频率的增加而迅速减小。这在研究高速转子稳定性问题时应给予足够的重视。

电磁轴承振动传递特性研究

通过有限元方法建立转子的仿真模型,结合电磁轴承动态模型获得整个电磁轴承支承转子闭环系统状态方程。基于该状态空间模型,计算转子受外扰力作用时轴承处力传递率频域响应、在外冲击力作用下位移响应及动态力响应,以此考察电磁轴承的振动传递特性,并与滚珠轴承进行对比。计算结果表明,电磁轴承的刚度阻尼等支承特性与滚珠轴承显著不同,其力的传递率频域响应较平缓,无滚珠轴承支承时某些频率附近的突出峰值。在冲击力作用下电磁轴承支承时,转子位移及动态轴承力振动均能较快恢复稳定状态,振动传递明显减小。

HTR-10 GT辅助轴承保持架振动特性研究

在10MW高温气冷堆氦气汽轮机发电系统(HTR-10 GT)中,辅助轴承作为磁力轴承支承失效后转子的辅助支承装置,是整个转子系统最重要的安全保障。针对辅助轴承的工作特点,采用有限元方法进行了建模分析,研究了辅助轴承中保持架的离心应力和自由振动特性,讨论了不同结构参数对保持架振动特性的影响。结果表明,保持架上的最大离心应力发生在侧梁中点处;在辅助轴承工作状态下,较易引发低频的振动模态;对保持架尺寸以及兜孔数的合理选择有助于提高保持架的性能。

电磁轴承刚度阻尼自动测试

针对电磁轴承刚度阻尼难以测量的问题,设计一套电磁轴承刚度阻尼测试系统,实现电磁轴承刚度、阻尼的自动测量。该系统激振器由自行研制的LabVIEW测试系统产生,电磁轴承传感器作为拾振器,自行研制的测量分析系统作为测量分析工具。给出电磁轴承的刚度和阻尼测量结果。根据本系统获得的电磁轴承支承转子的刚度、阻尼特性,对控制器的优化设计以及转子模型的优化设计有一定的指导意义。由于电磁轴承具有可控刚度和阻尼特性,因此可利用等效刚度和等效阻尼概念选择控制系统参数,简化设计过程。对实验室的样机台架进行具体分析,证实这种方法可行。分析结果还表明,若控制参数选择合理,将获得令人满意的减振效果。

带缓冲垫圈的辅助轴承结构特性研究及仿真分析

辅助轴承主要用于承载高速跌落的转子,并在承受巨大冲击载荷时不会失效。为降低跌落时对辅助轴承的碰撞力,保护电磁轴承及转子系统,提出一种基于轴向缓冲垫圈的辅助轴承结构。结合清华大学核研院的10 MW高温气冷堆电磁轴承氦风机实验台架,基于有限元方法,对转子跌落时辅助轴承外圈添加和未加轴向缓冲垫圈时辅助轴承的结构特性以及受力情况进行仿真分析,得到碰撞力最大时刻结构的应力分布,从理论上验证了辅助轴承在跌落时的可靠性。结果表明:缓冲垫圈的加入可有效减小转子跌落对辅助轴承的碰撞力,对辅助轴承起到了一定的保护作用,为进行转子跌落实验及该结构的实际应用提供了重要参考。

电磁轴承支承柔性转子模型测试与辨识

电磁轴承具有无摩擦、不需润滑、可长时间高速运行等优点,广泛应用于高速旋转机械、特殊工作环境旋转机械等领域。电磁轴承系统的数学模型对于系统分析和控制器设计具有重要意义,但受各种因素影响,计算模型误差较大,往往不能满足设计调试要求。因此,现场测试是获取系统模型的重要手段。提出一种电磁轴承支承的柔性转子的测试与建模方法,该方法通过正弦扫描试验获取闭环系统频响模型,通过变换得到开环频响模型,然后通过辨识得到转子传递函数模型,并在实际系统上验证了提出的方法。

基于微机的核供热堆模拟器PCNHR1.0的软件系统研究

为了使更多的技术人员形象地了解低温堆供热站的原理，在国际原子能机构的支持下，清华大学核能技术设计研究院研究开发了基于微机的200MW低温核供热堆模拟器。它采用两回路、一维漂移流热工水力学模型，点中子堆物理以及控制系统模型，能对核供热堆的稳态运行、瞬态过程和事故进行仿真，仿真精度接近系统分析结果。在奔腾或以上的微机上，WINDOWS95／98／NT操作系统下，能对过程进行实时仿真，而且大多数过程能达到10倍以上超实时。软件采用VisualC＋＋和FORTRAN混合语言编程，运用先进的多线程编程模型、进程通讯和进程控制技术，实现了耦合计算和同步控制。

高气压氦气平行极板击穿电压及场致发射的影响

本文建立了高气压下的氦气放电模型,通过与试验对比,验证了模型的有效性,并利用该模型对高气压下“场致发射”的影响进行了探讨.通过Fowler-Nordheim方程将电流密度转化为电子通量,并将电子通量添加到COMSOL相应的壁边界条件中进行仿真,在宏观层面(击穿电压)以及微观层面(空间电子密度)进行分析.研究发现,场致发射电流密度J由电场强度E、场增强因子以及金属逸出功W共同决定;β=300时场致发射的影响可以忽略,而对于β=400、电场强度10 MV/m以上的工况,场致发射对击穿的影响较大;对于以铜为平行平板电极的氦气击穿来说,电场强度E小于8 MV/m时可以忽视场致发射的作用;在微观层面上,场致发射能够给放电空间提供新的“种子电子”,进而提升整个空间的电子密度,使得粒子碰撞反应加剧,最终导致击穿.

165kW鼓风机改型电磁轴承后转子动力学分析与试验

10MW高温气冷堆是利用氦气循环载出核热能推动发电机组发电的新型反应堆,堆内主氦风机是高温气冷堆一回路系统的关键设备之一。主氦风机原有的支承形式为油润滑机械支承方案,为了保证轴承的长期安全运行,油润滑的机械滚珠轴承系统非常复杂,长时间运行会对氦气纯度形成威胁。电磁悬浮轴承有无需润滑、无摩擦、高转速等优点,可以用来替代机械支承以解决主氦风机支承的关键问题。但是与机械滚珠轴承相比,电磁悬浮轴承的体积较大,承载力小,在保证风机接口不变的前提下,其能否满足主氦风机的运转要求,尚需要进行验证。文章通过采用ABAQUS和SAMCEF软件建模,充分利用了转子模态频率随轴承刚度的变化规律,研究了165k W鼓风机转子在机械滚珠轴承和电磁轴承支承环境下的运转模态,最终通过电磁轴承运行实验,验证了数值计算的准确性,并证明了在驱动电机、叶轮、冷却风扇等其它结构暂不更换的前提下,使用电磁轴承替代机械滚珠轴承可以满足主氦风机的运转要求。

电磁轴承冷却优化研究

随着大功率电磁轴承在工程中的广泛应用,其产生的能量损耗越来越大,加之电磁轴承内部结构紧凑,散热较为困难,对电磁轴承的冷却提出了更高要求,有必要对电磁轴承开展冷却优化研究。本文以冷却散热为目的,采用不同冷却方案对某工程项目所用电磁轴承进行了冷却优化,基于仿真计算的方式,对电磁轴承的温度场进行了仿真分析,并根据仿真与试验结果提出优化方案:采用单端内圈冷却方案对定转子温升具有较好的抑制效果。

外转子储能飞轮结构优化设计研究

储能飞轮属于功率型储能技术,利用现代电力电子技术,实现电能与飞轮动能之间的转化。飞轮储能系统利用上、下主动电磁轴承将飞轮旋转体处于无接触悬浮。选择一种阶梯变截面近似等应力转子金属材料飞轮,以获得更高的储能密度,在高形状系数与加工制造难度之间合理优化。针对此飞轮进行强度以及转子动力学分析,此一体化外转子飞轮方案可有效解决飞轮转子轴向长度影响转子动力力学特性并将导致飞轮储能系统结构紧凑性欠佳的问题。

基于微机的200Wm核供热堆仿真系统PCNHR1.0的研究

为了使更多的技术人员形象地了解低温堆供热站的原理 ,在国际原子能机构的支持下 ,清华大学核研院研究开发了基于微机的 2 0 0Mw低温核供热堆仿真系统。它采用两回路、一维漂移流热工水力学模型 ,点中子堆物理以及控制系统模型。能对核供热堆的稳态运行、瞬态过程和事故进行仿真 ,仿真精度接近系统分析结果。在奔腾或以上的微机上 ,WIN DOWS95 /98/NT操作系统下 ,能对过程进行实时仿真 ,而且大多数过程能达到 10倍以上超实时。软件采用VisualC+ + 和FORTRAN混合语言编程 ,运用先进的多线程编程模型、进程通讯和进程控制技术实现了耦合计算和同步控制。

一种磁力载荷模拟器的设计和研究

在研制10MW高温气冷堆氦气透平发电系统(HTR-10GT)过程中,需开展透平压气机转子的动力学性能试验。为了模拟透平压气机转子在运转过程中受到的气动力和不平衡力,需对转子施加一定载荷。本文介绍了一种磁力载荷模拟器的设计,该载荷模拟器采用与磁力轴承相似的技术,通过电流产生磁力直接在模拟转子上加载轴向和径向载荷。磁力载荷模拟器包括轴向载荷模拟器和径向载荷模拟器两部分,轴向气动力载荷用轴向载荷模拟器模拟,叶片气动周向力载荷和不平衡力离心载荷用径向载荷模拟器来模拟。轴向载荷模拟器可施加载荷设计值为10kN,径向载荷模拟器载荷设计值为715N,气隙均为1mm。通过分析计算,磁力载荷模拟器完全可满足本试验中的加载要求。同时,磁力载荷模拟器可灵活加载,在线加载,快速改变载荷大小和形式,为电磁轴承的应用开发了一个新领域。

综合材料强度等因素的轴向电磁轴承最大承载力与转速关系分析

高温气冷堆商业示范电站(HTR-PM)主氦风机转子重4吨、运行功率4.5MW,立式运行于氦气环境中,选用全电磁轴承支承。其中,轴向轴承设计要求能够承受转子重力4吨及同向叠加的气动载荷8吨。轴向电磁轴承电磁力与磁极(包括止推盘)面积成正比,取决于止推盘所允许的最大外径。但当考虑转速时,最大外径还受材料强度限制而不能任意选取。因此,在材料强度、最大外径(最大电磁力)与最高转速之间存在一定的函数关系,若综合考虑损耗及允许温升等因素,各个参量的关系相对更为复杂。本文根据第一强度理论,确定了转子极限转速与不同结构形式的止推盘最大外径的解析关系;进一步,通过电磁仿真分析验证了不同转速、不同材料对应的最大电磁力。并在上述分析计算基础上,基于专用1:1实验装置,对比推力盘所受电磁力随电流而变化的情况。研究结果有助于HTR-PM高温气冷核反应堆主氦风机轴向电磁轴承的选型设计。

电磁轴承水平转子跌落恢复控制策略研究

为避免电磁轴承失效、过载等事故发生,在转子/电磁轴承系统中安装辅助轴承,为转子提供临时机械辅助支承,并可对转子起到限位的作用。本文建立动态模型对转子跌落动态特性进行研究。该模型可预测转子各自由度的位移及转动,并在考虑转子具有跌落碰撞可能的情况下,设计PID控制策略进行位置恢复控制。该控制策略可在转子受外界剧烈扰动而具有跌落趋势甚至已经发生碰撞的情况下,有效将转子恢复至无接触悬浮状态并避免碰撞进一步恶化的发生。