對旋風機機電耦合特性與性能匹配研究

《對旋風機機電耦合特性與性能匹配研究》是依託哈爾濱理工大學，由孟大偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：對旋風機機電耦合特性與性能匹配研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孟大偉
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

對旋風機具有壓力係數高、反風性能好、效率較高、總體結構緊湊等優點，在礦山、隧道和船舶等領域的通風換氣獲得了廣泛的套用。然而，伴隨長距離送風的出現，對對旋風機設計理論、分析方法提出了更高的要求，需要開展廣泛而深入的研究。本項目將電機和風機作為一個整體，通過數值模擬、樣機研製和實驗，研究對旋風機流場、電機電磁場耦合分析模型及解耦方法，兩級葉輪葉片數配合與電動機定轉子槽配合的相互影響和匹配關係以及兩級對旋葉輪性能與電動機性能匹配問題。掌握對旋風機運行過程中流體、機械、電、磁和力的變化規律和耦合分析方法，準確計算作用在葉輪上的脈動力波、系統慣性和一、二級電機氣隙電磁力波。從而進一步探明影響對旋風機整體性能的關鍵因素，形成對旋風機全新的機電統一設計理論和分析方法。並通過兩級對旋葉輪性能與兩級電動機性能的線（點對點）匹配研究，為高性能對旋風機調速控制和節能控制提供理論依據。

結題摘要

對旋風機為高風壓雙級葉輪機械通風設備，其前後級葉輪由前後級電機單獨驅動，兩級葉輪通過對轉使氣流沿軸向流出。對旋風機的送風反風性能良好，近年來已被廣泛套用於礦井、隧道等變距離通風換氣場合。然而，在變距離送風條件下，對旋風機存在機電性能難以匹配、機械系統振動劇烈等問題。因此，深入研究對旋風機的工作機理，明確影響風機性能的關鍵因素，並對其運行情況進行有效的預測和控制，是實現對旋風機高精度穩定運行的重要前提。 為了更加真實地反映對旋風機電磁場與流場之間的耦合作用與相互影響，本項目把電機部分和流體機械部分作為一個整體，以電磁場有限元理論和流場有限元理論為基礎，構建對旋風機磁-流耦合仿真模型，對仿真過程中的狀態變數殘差、瞬態時間步以及信息互動機制進行說明，通過採用分步回歸的求解技術，對非慣性負載下的電磁場情況和葉輪變轉速下的流場情況進行模擬，完成對旋風機異構仿真系統的瞬態場耦合分析過程，並在此基礎上進一步分析對旋風機機械結構的磁-固和流-固耦合特性。 將數值模擬方法與實驗測試相結合，對原型風機性能參數值進行計算，得到原型風機性能曲線。引入以電功率為輸入的對旋風機系統效率考核指標，對不同工況下對旋風機的運行性能進行研究。通過改變前後兩級電機的轉速配合，使各級電機容量分別與不同送風距離下的兩級葉輪負載相匹配，為高性能對旋風機調速控制研究和節能控制研究提供參考。 給出作用在兩級葉輪上的脈動力波和兩級電機氣隙電磁力波的解析計算方法和仿真計算方法。藉助快速傅立葉變換方法，得到低通濾波後的壓力脈動轉矩和電機電磁轉矩的主要頻率、幅值及其變化規律，對氣動轉矩和電磁轉矩存在同頻分量時出現的轉矩諧振現象進行研究。通過使用RNGk-ε湍流模型模擬對旋風機內部湍流流動情況，研究了由氣動力和電磁力頻率與固有頻率相同時引起的機械共振情況，獲得表征湍流流場特性的主要參數值，獲得了湍流強度與系統效率之間的關係。