【《某涡轮电机的尺寸计算以及结构确定案例》3200字】

某涡轮电机的尺寸计算以及结构确定案例目录TOC\o"1-3"\h\u7745某涡轮电机的尺寸计算以及结构确定案例 1289981.1涡轮尺寸的确定 124241.2定子和转子部分尺寸的确定 4281111.3旋转轴尺寸的确定 5225101.4轴承的选择 6149341.5密封结构或元件的选择 71.1涡轮尺寸的确定涡轮是井下涡轮电机将流体的动能转化为扭矩的重要元件。所以本文从涡轮的尺寸确定开始逐步根据涡轮的尺寸计算确定旋转轴、导轮、轴承等的尺寸。为了所设计的井下涡轮电机符合其工况的强度（本文即承受足够大的力矩）要求，那么就要对工况做一个初步的预设。根据参考文献[26]中井下发电机中涡轮结构的设计基本尺寸，本文中所采用的初始涡轮参数如下：叶片内径d=80mm，叶片径向高度为b=15mm，则叶片外径D=110mm，叶片的中径=95mm；涡轮叶片数==5，叶片的厚度==5mm，。在本文种预设定的初始设计要求为：额定的功率P=1000W，流量Q=15L/s，转速n=700r/min，流体的密度假定为清水密度，密度的大小为1000kg/。忽略叶片厚度带来的影响，涡轮的截面面积为（3-1）根据流量公式（3-2）结合式（3-1）和（3-2）带入数据可得涡轮进口截面流速为5.1m/s由于螺旋升角的计算分析过程比较复杂，且螺旋升角的取值已经有很多科研人员进行了分析优化。据参考文献螺旋升角的取值范围为30°—60°本文将直接取螺旋升角分别为30°、45°、60进行流体仿真分析来确定螺旋升角的取值。根据公式[29]（3-3）公式中的=为螺旋涡轮的几何平均直径如图1.1所示图1.1螺旋涡轮三维模型和俯视图这样定义可以简化计算模型，此时带入三个预设的螺旋升角数据到式（3-3）中计算出大致范围为6-8（N.m）。接下来可以直接利用solidworks对涡轮进行应力分析。SolidWorks公司成立于二十世纪90年代中期左右，这家公司在当时流行的微软经典操作系统Windows系统的基础上开发设计了一款类似于三维CAD的模型制作系统，运用特征造型作图的理念继而研发推出了三维模式的机械CAD软件。在工程师们进行三维产品的设计的过程中，由于该软件在创建过程中十分巧妙的解决了存在已久的多重关联性难以以二维画图展现的难题，使得在使用该软件进行三维模型设计时过程十分顺畅、而且操作步骤简单且准确；同时，容易学习使用方便也是该款软件的众多优点之一。在SolidWorks界面中软件图标简单明了，自主操作性很强。SolidWorks软件以其功能强大，操作简易等特点被称作为新一代人性化设计的CAD/CAM系统，它已被广泛应用在机械、航空、铁道、兵器等诸多领域。下里面就利用solidworks先创建不同叶片数的涡轮模型如图1.2图1.2不同叶片数的涡轮模型对以上涡轮进行静应力分析，检验其强度是否达标。运用solidworks做应力分析经过如下图1.3所示步骤：图1.3solidworks有限元分析步骤图（1）首先选择仿真类型，本次选用静应力分析；（2）应用材料至零件，根据情况本次选择普通碳钢；（3）选择夹具固定元件，以应用扭矩；（4）选择外部载荷应用的平面本文是涡轮叶片，本次的载荷选择为扭矩；（5）网格划分，本软件可直接选用合适的网格划分，本次选择良好质量的网格划分；分析的结果云图如下图1.4所示图1.4叶片数为5的涡轮应力分析云图由于5叶片数的叶片平均所受扭矩最大，所以分析5叶片数的应力情况即可。由图1.2可知涡轮叶片的最大承受扭矩在12.2（N.m）左右才会发生较大的形变，而在实际工况的流量为15L/s的情况下，涡轮叶片所受的扭矩为6-8（N.m），可知该涡轮的结构设计以及材料选择合理。1.2定子和转子部分尺寸的确定定子、转子部分结构是井下涡轮电机除涡轮外又一重要的结构，根据式（2-4）其参数直接影响发电机的有效输出电压。根据发电机的设计原理[[]贾惠芹,付倩玉,陈东东,贾庆升,孙德旭,田豆,岳列红.注水井井下涡轮发电机参数设计与试验分析[J].西安石油大学学报(自然科学版),2021,36(02):83-88+121.][]贾惠芹,付倩玉,陈东东,贾庆升,孙德旭,田豆,岳列红.注水井井下涡轮发电机参数设计与试验分析[J].西安石油大学学报(自然科学版),2021,36(02):83-88+121.（3-4）式中D为定子内径，mm；为电机的气隙磁密，T；一般取0.7~0.9T；为电枢基波的绕组系数；是磁场波形系数；A为电负荷，A/m,对于大部分的小功率的涡轮发电机通常情况下取A/m；小功率发电机指功率10kw的涡轮发电机。n为转速，单位rad/min；为径比通常情况取0.5~0.7；为极弧的系数，通常情况小功率发电机的取值数值范围为0.4~0.6；为计算功率，W。=（3-5）其中效率由参考文献[26]可知一般取值为60%，为额定功率，W。发电机的电枢直径（3-6）式中r为定子线圈半径，mm；为转子厚度，mm；为气隙宽度，mm。极对数与发电机转速和频率关系数如下：（3-7）式中p为定子上所分布的的极对数；是额定频率，Hz；n是涡轮发电机的转子的转速，r/min。由上述的设计条件可知发电机额定功率=1000w，已知流体的流速为27L/s，流体密度为1000kg/，在发电机外围尺寸的约束下，根据式（3-4）至（3-7）带入已知数据计算的尺寸数据如下表1.1所示表1.1定子转子的尺寸数据定子参数数值极对数9转子磁片数8定子内径/mm27定子外径/mm50转子内径/mm20转子外径/mm25气隙/mm2定子槽个数9定子线圈匝数75瓷片高/mm3瓷片材料钕铁硼1.3旋转轴尺寸的确定由前面两小节确定了涡轮的外形及尺寸，以及定子、转子的尺寸。可确定与涡轮配合的轴直径为80mm。由于与涡轮处配合的轴承载主要力矩，且在忽视磁阻力的情况下，与转子所配合的轴无需承载力矩，为了减少轴本省的自重带来的能量传递损耗，旋转轴设计为阶梯轴。再根据与轴承配合以及涡轮电机的总体长度考虑，本文所设计的旋转轴的具体模型如下图1.5所示图1.5旋转轴模型图其详细的零件图纸放于附录中，旋转轴的总长度为300mm，轴两端与轴承配合的轴直径都为40mm。将该轴建立solidworks的模型后，继续进行轴的应力分析。由于该轴传递的是涡轮所受的力矩，所以只要旋转轴所能承受的力矩高于8（N.m）那么其强度就符合要求，旋转轴扭矩分析云图如1.6图所示图1.6旋转轴抗扭矩分析云图如图1.6所示，该旋转轴承受最大扭矩为阶梯轴连接处，该出要承受40(N.m)才会有较大形变，远远小于预设条件下可承受的扭矩，所以结合以上分析可以得出结论，该旋转轴的强度符合要求。1.4轴承的选择在井下涡轮电机的设计中，涡轮带动旋转轴做旋转运动传递力矩和角速度给永磁转子，从而使转子与定子做相对运动产生感应电流，要使得旋转轴能转动则涉及到轴承的设计与选用，本次设计采用了基本额定动载荷计算的方式对轴承进行计算选型。对于转速大于10r/s的轴承可采用基本额定动载荷计算来选择轴承。之后校核额定静载荷是否匹配。根据井下涡轮电机的工作条件以及转速等重要条件则根据轴承基本额定动载荷可按照如下公式来进行计算上式中C为本文所求的基本而定动载荷，N；P为当量动载荷，在涡轮流道中主要的载荷为径向载荷，轴向载荷可以忽略不计故不考虑，本次初步预设径向载荷为800N，则P=800；为寿命因素按照现代机械设计中表8-2-23，根据上述井下涡轮电机的工作时长，以及本次选用高速的深沟球轴承则=1.75；为冲击载荷因素，根据井下涡轮电机工况，选择的表8-2-25选取无冲击或者轻微冲击则选择为1~1.2；为力矩载荷因素，当力矩载荷较大时选取=2，较小时选取=1.5；为速度因素，根据表8-2-24此处选取0.395；为温度因素，按表8-2-26选取，=1。为轴承尺寸及性能表所列径向基本额定动载荷，N；静载荷的计算公式如下为基本额定静载荷的计算值，N；为安全因素，当与轴承连接处的刚度较高时，可选取较低安全因素，反之，则取较高的安全因素。取2；为当量静载荷，N，此处=800N；为轴承尺寸及性能表中所列径向的基本额定静载荷，N。在前文已经介绍了今日制造软件的强大功能，所以本文直接对轴承的选用要求进行分析，本次选用的轴承需要在泥浆流体包围的工作环境下工作，所以首先选用的轴承自身必须具有一定的密封性即带密封圈的轴承。考虑到旋转轴与另一边的固定轴相互连接时需要固定所以可以选用带橡胶圈的轴承与固定轴配合固定。根据以上条件可以直接在今日制造中搜索选择，最终确定GB／T276-2013系列轴承的61808NR，其额定动载荷=29100N，额定静载荷=17900N计算所得C=10748.96N,=1600N满足条件C<;<符合条件要求。图1.760000NR型的深沟球轴承1.5密封结构或元件的选择由于井下涡轮电机的工作寿命在5天左右，所以