CN100491740C - 一种球床高温气冷堆离心式氦气压缩机 - Google Patents
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Abstract
一种球床高温气冷堆离心式氦气压缩机，属于反应堆工程技术领域。压缩侧封头通过固定螺栓固定在压缩机机壳(1)上；二级压缩侧电磁轴承(7)和一级压缩侧电磁轴承(8)位于转轴(6)的两端，对称布置；高速电机转子(9)固定在转轴(6)上，定子(10)固定在压缩机机壳(1)上；高速电机转子(9)、定子(10)和两套电磁轴承的电源线和信号线通过电气贯穿件(11)引到压缩机机壳(1)外部；二级压缩侧氦气排气室(17)位于二级压缩侧叶轮(5)的外部；机壳水冷套(20)位于压缩机机壳(1)的外部；本发明选用电磁轴承支撑转子转动；机壳全密封设计；降低了叶轮的制造难度；减小了轴承的轴向承载力；能够长期可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及球床高温气冷堆的一种离心式氦气压缩机，属于反应堆工程技术领域。
背景技术
目前，国内外小流量大压升的氦气压缩机种类很少，用得较多的主要是往复式氦气压缩机和离心式氦气压缩机，但由于往复式压缩机需要定期更换易损零部件，当考虑长期运行和较少维护时，离心式压缩机则更加合适。
发明内容
本发明提出的氦气压缩机为卧式双级离心式压缩机，风机叶轮由电机驱动，并与其驱动电机同轴，叶轮悬臂安装于电机轴两端。压缩机具有承压机壳，整体设置在一回路介质氦气冷却剂的压力环境内，在反应堆正常运行工况下，一回路氦气的压力为7.0MPa，温度为100～200℃。
本发明提出的氦气压缩机，其入口氦气压力为7.0MPa，出口氦气压力为7.2MPa，即压力升为0.2MPa，流量为800m3/hour，正常运行时电动机的转速为10000r/min，氦气的压力升和流量可以通过调整叶轮的形式和尺寸以及电机的转速而在一定范围内进行调整。
本发明提出的小流量氦气压缩机为全密封式设备，叶轮后隔板上有轴封结构，以减少氦压缩机的内泄漏。为满足氦气压缩机安装和检修的要求，压缩机机壳两端各有一个封头，用法兰连接，打开封头后可对氦气压缩机进行检修。
离心式压缩机要达到小流量和大压升的要求，转子和叶轮需要高速旋转和多级压缩。对于充满高压氦气的高温堆一回路系统，与其连接的离心式压缩机不能采用油或脂润滑的机械轴承，只能考虑采用气体静压、气体动压和电磁轴承，本发明选用技术先进的电磁轴承支撑转子转动。
本发明提出的一种球床高温气冷堆离心式氦气压缩机，主要部件包括：机壳、叶轮、转轴、电磁轴承、高速电机和电气贯穿件，如图1所示，图中各部件分别为：
1-压缩机机壳；2-一级压缩侧封头；3-一级压缩侧叶轮；4—二级压缩侧封头；5-二级压缩侧叶轮；6-转轴；7-二级压缩侧电磁轴承；8-一级压缩侧电磁轴承；9-高速电机转子；10-高速电机定子；11-电气贯穿件；12-检漏管；13-固定螺栓；14-一级压缩侧氦气进气室；15-一级压缩侧氦气排气室；16-二级压缩侧氦气进气室；17-二级压缩侧氦气排气室；18-电机腔室冷却氦气入口管；19-机壳水冷套冷却水入口管(与18不是同一根管道，在周向呈一定夹角)；20-机壳水冷套；21-冷却水出口管；22-电机腔室冷却氦气出口管(与21不是同一根管道，在周向呈一定夹角)。
本发明提出的一种球床高温气冷堆离心式氦气压缩机的部件的安装方式为：
一级压缩侧封头2和二级压缩侧封头4通过固定螺栓13固定在压缩机机壳1上；一级压缩侧叶轮3和二级压缩侧叶轮5通过螺钉固定在转轴6的两端；二级压缩侧电磁轴承7和一级压缩侧电磁轴承8位于转轴6的两端，对称布置，用以支撑转轴6和高速电机的转子9以及电磁轴承的转子；一级压缩侧电磁轴承8只承受径向载荷，二级压缩侧电磁轴承7同时承受径向载荷和轴向载荷；两个电磁轴承的定子固定在压缩机机壳1上，转子固定在转轴6上，高速电机转子9和高速电机定子10布置在压缩机的中间位置，高速电机转子9固定在转轴6上，高速电机定子10固定在压缩机机壳1上；高速电机转子9、高速电机定子10和两套电磁轴承的电源线和信号线通过电气贯穿件11引到压缩机机壳1外部；一级压缩侧封头2和二级压缩侧封头4与压缩机机壳1的连接法兰、一级压缩侧封头2与一级压缩侧氦气进气室14法兰、二级压缩侧封头4与二级压缩侧氦气进气室16法兰的密封处都设置检漏管12，可实时监测氦气的泄漏，保证良好的密封效果；固定螺栓13连接一级压缩侧封头2与压缩机机壳1；一级压缩侧氦气进气室14位于一级压缩侧封头2的外部，与一级压缩侧叶轮3相通；一级压缩侧氦气排气室15位于一级压缩侧叶轮3的外部；二级压缩侧氦气进气室16位于二级压缩侧封头4的外部，与二级压缩侧叶轮5相通；二级压缩侧氦气排气室17位于二级压缩侧叶轮5的外部；电机腔室冷却氦气入口管18位于压缩机机壳1的外部，靠近一级压缩侧；机壳水冷套冷却水入口管19也位于压缩机机壳1的外部，靠近一级压缩侧，但与电机腔室冷却氦气入口管18不是同一根管道，在周向呈一定夹角；机壳水冷套20位于压缩机机壳1的外部，呈环形布置；冷却水出口管21位于压缩机机壳1的外部，靠近二级压缩侧；电机腔室冷却氦气出口管22也位于压缩机机壳1的外部，靠近二级压缩侧，但与冷却水出口管21不是同一根管道，在周向呈一定夹角。
本发明提出的小流量氦气压缩机的工作原理为：
两套电磁轴承7和8通电后，将转轴6和高速电机的转子9、两套电磁轴承的转子以及两个叶轮3和5悬浮起来，然后高速电机启动，带动转轴6和两个叶轮3和5逐渐加速旋转，在高速旋转的叶轮作用下，氦气首先从一级压缩侧氦气进气室14进入压缩机内进行第一级升压，升压后的氦气从一级压缩侧氦气排气室15流出压缩机，由于经过旋转升压和摩擦发热，经过一级升压后的氦气温度升高。
经过一级升压后的氦气从二级压缩侧氦气进气室16进入压缩机进行二级升压，升压后的氦气从二级压缩侧氦气排气室17流出压缩机，完成氦气的升压过程。
升压后的氦气温度较高，在输送出去前需要进行冷却，冷却器位于压缩机外部，为独立设备，冷却器可采用管壳式换热器，管内为二次侧的冷却水，管外为需冷却的氦气，经过冷却后的氦气送往反应堆一回路系统完成其驱动功能后，返回压缩机进行再次升压。
在压缩机运行过程中，高速电机和电磁轴承也会发热，这部分热量必须带走，否则高速电机和电磁轴承都无法正常工作，冷却方式有两种，一种是将冷却氦气通入电机和电磁轴承的腔室内，将高速电机和电磁轴承的发热及时带走，另外一种是在压缩机机壳上设置水冷套，采用冷却水直接冷却机壳，把电机定子的发热带走，防止承压机壳1过热，保证机壳的强度满足承压要求。
电机腔室的冷却气体来自通过二级压缩后经过冷却的高压氦气，这部分冷却氦气的流量占总流量的20％～40％，其流量与高速电机和电磁轴承的发热功率有关，冷却氦气从电机腔室冷却氦气入口管22进入电机腔室，在流过电机定子铁芯的轴向开孔、转子与定子之间的间隙、定子绕组以及电磁轴承的过程中，将其发出的热量带走，吸热后的氦气从电机腔室冷却氦气出口管18流出压缩机，然后与进入一级压缩侧氦气入口管的氦气汇合，一起进入压缩机内进行第一级升压。电机腔室内氦气温度约为60℃，最高不超过65℃。
机壳水冷套20的冷却水由机壳水冷套冷却水入口管19流入，在螺旋形的水冷套内流动，在吸收热量后从冷却水出口管21流出水冷套，带走高速电机的运行发热，保证压缩机机壳1的强度满足承压要求。
本发明提出的小流量氦气压缩机，其驱动电机为置入式鼠笼感应异步高速电动机，设计寿命为40年。驱动电机的主要部件包括定子、转子、水冷却器、测速装置及其有关附件。驱动电机具有远距离控制的功能。
本发明提出的小流量氦气压缩机，其左右轴承均为径向电磁轴承、轴向电磁轴承和辅助轴承的组合体。电磁轴承能承受氦压缩机在各种运行条件下的所有载荷。电磁轴承控制系统能满足电磁轴承运行控制的所有要求，包括电气参数的额定值及裕度、控制的精度、保护措施、元器件的老化、线路的必要绝缘和屏蔽等。
本发明提出的小流量氦气压缩机，具有以下优点：
1.氦气压缩机机壳全密封设计，保证了高压环境下氦气的泄漏率非常低；
2.氦气通过两级压缩达到其目标压升，降低了叶轮的制造难度；
3.两级叶轮对称布置和安装，减小了运行过程中的轴向力，从而减小了轴承的轴向承载力，有利于压缩机的长期运行；
4.采用电磁轴承支撑转轴和电机，可以达到很高的转速，能够长期可靠运行；
5.电机腔室的冷却气体来自二级压升后经过冷却的氦气，无需外部冷却气源，简化了压缩机的设计；
6.电机密封在机壳内部，通过电气贯穿件将电源线和信号线引出机壳，无需设计高压下的密封部件，简化了设计，提高了运行可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构布置图。
具体实施方式
下面结合附图1介绍本发明的具体实施方式。
本发明提出的小流量离心式氦气压缩机，主要功能是提供高压升和小流量的氦气，供球床高温气冷堆一回路系统使用。用途之一是在反应堆功率运行过程中，输送燃料球到反应堆堆芯，输送球的动力源来自该小流量离心式氦气压缩机，在反应堆运行过程中，该小流量离心式氦气压缩机不间断运行，连续提升燃料球供给堆芯。
图1是本发明的结构布置图。1-压缩机机壳；2-一级压缩侧封头；3-一级压缩侧叶轮；4—二级压缩侧封头；5-二级压缩侧叶轮；6-转轴；7-二级压缩侧电磁轴承；8-一级压缩侧电磁轴承；9-高速电机转子；10-高速电机定子；11-电气贯穿件；12-检漏管；13-固定螺栓；14-一级压缩侧氦气进气室；15-一级压缩侧氦气排气室；16-二级压缩侧氦气进气室；17-二级压缩侧氦气排气室；18-电机腔室冷却氦气入口管；19-机壳水冷套冷却水入口管；20-机壳水冷套；21-冷却水出口管；22-电机腔室冷却氦气出口管。一级压缩侧封头2和二级压缩侧封头4通过固定螺栓13固定在压缩机机壳1上；一级压缩侧叶轮3和二级压缩侧叶轮5通过螺钉固定在转轴6的两端；二级压缩侧电磁轴承7和一级压缩侧电磁轴承8位于转轴6的两端，对称布置；两个电磁轴承的定子固定在压缩机机壳1上，转子固定在转轴6上；高速电机转子9和高速电机定子10布置在压缩机的中间位置，高速电机转子9固定在转轴6上，高速电机定子10固定在压缩机机壳1上；高速电机转子9、高速电机定子10和两套电磁轴承的电源线和信号线通过电气贯穿件11引到压缩机机壳1外部；一级压缩侧封头2和二级压缩侧封头4与压缩机机壳1的连接法兰、一级压缩侧封头2与一级压缩侧氦气进气室14法兰、二级压缩侧封头4与二级压缩侧氦气进气室16法兰的密封处均设置有检漏管12；一级压缩侧氦气进气室14位于一级压缩侧封头2的外部，与一级压缩侧叶轮3相通；一级压缩侧氦气排气室15位于一级压缩侧叶轮3的外部；二级压缩侧氦气进气室16位于二级压缩侧封头4的外部，与二级压缩侧叶轮5相通；二级压缩侧氦气排气室17位于二级压缩侧叶轮5的外部；电机腔室冷却氦气入口管18位于压缩机机壳1的外部，靠近一级压缩侧；机壳水冷套冷却水入口管19位于压缩机机壳1的外部，靠近一级压缩侧，但与电机腔室冷却氦气入口管18不是同一根管道；机壳水冷套20位于压缩机机壳1的外部，呈环形布置；冷却水出口管21位于压缩机机壳1的外部，靠近二级压缩侧；电机腔室冷却氦气出口管22位于压缩机机壳1的外部，靠近二级压缩侧，但与冷却水出口管21不是同一根管道。
氦气压缩机进口管与燃料球提升管路的气体出口管道连接，100℃的冷氦气吸入氦气压缩机的一端，经过一级压缩后排出，再进入另外一端进行二级压缩，经过两级升压后的氦气先进行冷却，冷却后的氦气通过气体管路输送到燃料球提升管路的氦气入口端，驱动提升燃料球到堆芯。氦气冷却器为独立设备，一次侧为高温氦气，二次侧为设备冷却水。
为满足驱动电机和电磁轴承工作温度低于60℃的要求，在压缩机后面氦气冷却器的出口取出部分经过冷却的氦气(流量占总流量的20％～40％)，注入承压壳内，带走电机和电磁轴承的运行发热，这部分氦气从电机腔室流出后，重新返回压缩机一级压缩进气管，与主氦气混合进行第一级升压。此外，在氦压缩机的承压壳体上设有水冷套，用设冷水冷却机壳。
为满足氦压缩机检修、更换的要求，氦压缩机两端各设一个封头，用法兰连接，打开封头后可对氦压缩机气动部分进行检测和检修。氦压缩机检修时，将氦压缩机与一回路的隔离阀门关闭，保证一回路氦气不会泄漏。
Claims (2)
1、一种球床高温气冷堆离心式氦气压缩机，其特征在于，该球床高温气冷堆离心式氦气压缩机包括压缩机机壳(1)，一级压缩侧封头(2)，一级压缩侧叶轮(3)，二级压缩侧封头(4)，二级压缩侧叶轮(5)，转轴(6)，二级压缩侧电磁轴承(7)，一级压缩侧电磁轴承(8)，高速电机转子(9)，高速电机定子(10)，电气贯穿件(11)，固定螺栓(13)，一级压缩侧氦气进气室(14)，一级压缩侧氦气排气室(15)，二级压缩侧氦气进气室(16)，二级压缩侧氦气排气室(17)，电机腔室冷却氦气入口管(18)，机壳水冷套冷却水入口管(19)，机壳水冷套(20)，冷却水出口管(21)，电机腔室冷却氦气出口管(22)；
一级压缩侧封头(2)和二级压缩侧封头(4)通过固定螺栓(13)固定在压缩机机壳(1)上；
一级压缩侧叶轮(3)和二级压缩侧叶轮(5)通过螺钉固定在转轴(6)的两端；
二级压缩侧电磁轴承(7)和一级压缩侧电磁轴承(8)位于转轴(6)的两端，对称布置；一级压缩侧电磁轴承(8)和二级压缩侧电磁轴承(7)的定子均固定在压缩机机壳(1)上，转子固定在转轴(6)上；
高速电机转子(9)和高速电机定子(10)布置在压缩机的中间位置，高速电机转子(9)固定在转轴(6)上，高速电机定子(10)固定在压缩机机壳(1)上；
高速电机转子(9)、高速电机定子(10)、一级压缩侧电磁轴承(8)和二级压缩侧电磁轴承(7)的电源线和信号线均通过电气贯穿件(11)引到压缩机机壳(1)外部；
一级压缩侧氦气进气室(14)位于一级压缩侧封头(2)的外部，与一级压缩侧叶轮(3)相通；一级压缩侧氦气排气室(15)位于一级压缩侧叶轮(3)的外部；二级压缩侧氦气进气室(16)位于二级压缩侧封头(4)的外部，与二级压缩侧叶轮(5)相通；二级压缩侧氦气排气室(17)位于二级压缩侧叶轮(5)的外部；电机腔室冷却氦气入口管(18)位于压缩机机壳(1)的外部，靠近一级压缩侧；机壳水冷套冷却水入口管(19)位于压缩机机壳(1)的外部，靠近一级压缩侧，但与电机腔室冷却氦气入口管(18)不是同一根管道；机壳水冷套(20)位于压缩机机壳(1)的外部；冷却水出口管(21)位于压缩机机壳(1)的外部，靠近二级压缩侧；电机腔室冷却氦气出口管(22)位于压缩机机壳(1)的外部，靠近二级压缩侧，但与冷却水出口管(21)不是同一根管道。
2、根据权利要求1所述的一种球床高温气冷堆离心式氦气压缩机，其特征在于，所述球床高温气冷堆离心式氦气压缩机在一级压缩侧封头(2)和二级压缩侧封头(4)与压缩机机壳(1)的连接法兰、一级压缩侧封头(2)与一级压缩侧氦气进气室(14)法兰、二级压缩侧封头(4)与二级压缩侧氦气进气室(16)法兰的密封处均设置有检漏管(12)。
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