高真空高潔凈磁懸浮復合分子泵及其控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、神光III是我國在建的激光慣性約束核聚變工程,其中終端光學組件作為慣性約束核聚變中激光光路傳輸?shù)哪┒搜b置,承擔著頻率轉換、諧波分離和光路聚焦等功能。其核心元件KDP晶體鏡片工作環(huán)境必須為高潔凈和超高真空的大型密閉容器,要求無油和無碳氫化合物等污染,且工作真空度<1×10-8Pa,極限真空度甚至要達到1×10-9Pa。為了滿足神光Ⅲ終端光學組件模塊高真空、高潔凈環(huán)境的要求,研制了磁懸浮復合分子泵作為達到高真空、高潔凈環(huán)境的主要裝置,采用無

2、物理接觸和無需潤滑的磁軸承系統(tǒng),融合渦輪葉片結構和多螺旋槽牽引結構,實現(xiàn)了無油蒸汽返流以及無其它碳氫化合物污染,對額定工作轉速高于其剛性臨界轉速、轉子大轉速范圍內(nèi)穩(wěn)定性、高速運轉時陀螺效應對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響、結構模態(tài)和高階撓性模態(tài)振動的抑制、系統(tǒng)基座振動等問題進行分析研究,設計了磁懸浮復合分子泵結構和及其控制器。磁懸浮復合分子泵系統(tǒng)的研制為神光Ⅲ工程實現(xiàn)達標奠定了堅實的基礎。
　　依據(jù)神光Ⅲ終端光學組件對高真空高潔凈環(huán)境的要求,確

3、定磁懸浮復合分子泵的技術參數(shù),對其總體結構進行了設計和分析;根據(jù)渦輪葉片結構和多螺旋槽牽引結構的工作原理,分別設計多級渦輪葉片和多螺旋槽牽引的結構和參數(shù);利用Fluent軟件分別對設計的多級渦輪葉片和多螺旋槽牽引結構進行了流場流態(tài)分析,對抽氣通道內(nèi)的流動規(guī)律進行了數(shù)值模擬,重點分析了多螺旋槽結構參數(shù)與抽速的關系,仿真結果為其結構設計和優(yōu)化提供基礎。其結果證明在磁懸浮復合分子泵結構設計中結合流場數(shù)值模擬可以節(jié)約設計成本,成為今后其結構設計

4、的主要方法。
　　根據(jù)磁軸承系統(tǒng)工作原理對磁懸浮復合分子泵的徑向和軸向磁軸承機械結構進行設計和改進;針對磁懸浮復合分子泵高轉速、支撐剛度可變、陀螺效應較強的特點以及薄葉片的結構特征,建立磁懸浮復合分子泵磁軸承支撐葉片轉子系統(tǒng)模型,通過有限元軟件對葉片轉子系統(tǒng)進行模態(tài)分析分析了葉片轉子系統(tǒng)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型,對葉片轉子系統(tǒng)高轉速下出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象進行分析,為控制器設計提供了理論基礎。
　　以磁懸浮復合分子泵葉片轉子系統(tǒng)為對象

5、建立系統(tǒng)控制模型,并以此為研究對象進行分散PID控制器設計以滿足轉子穩(wěn)定懸浮和正常運轉;設計交叉反饋控制器對轉子陀螺效應進行抑制,通過Matlab軟件進行仿真分析驗證控制器的有效性;為了避免激發(fā)轉子結構模態(tài)和撓性高頻模態(tài)的振動,設計陷波濾波器;為了順利到達葉片轉子額定工作轉速,解決轉子大范圍不穩(wěn)定和轉子過剛性臨界轉速的問題,設計了變增益自適應控制器;為了抑制磁懸浮復合分子泵轉子同頻振動和基座振動,設計不平衡補償控制器。
　　利用設

6、計的變增益自適應控制器和不平衡補償控制器對磁懸浮復合分子泵系統(tǒng)依次進行了轉子靜態(tài)懸浮、陀螺效應抑制、不平衡補償控制和高速旋轉實驗測試。實驗結果表明磁懸浮復合分子泵系統(tǒng)在變增益自適應控制器和不平衡補償控制器共同作用下,不僅能實現(xiàn)順利超越轉子剛性臨界轉速的要求,而且能夠克服轉子陀螺效應的影響和抑制轉子撓性模態(tài)頻率,大幅度降低了系統(tǒng)基座的振動,具有較強的自適應性和魯棒性,額定工作轉速可達24000rpm,額定工作轉速下轉子最大徑向振動小于7.