CN103196251A - 轴功率输入超导风力发电机制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明具体是轴功率输入超导风力发电机制冷系统，包括风机主轴、压缩机、制冷机冷头、调速机构、超导磁体、冷量传递机构、磁体绝热支撑结构和固定支架；超导磁体、压缩机和调速机构安装于风机主轴上并同步旋转；超导磁体通过磁体绝热支撑结构连接于风机主轴上，超导磁体、冷量传递机构、制冷机冷头、压缩机依次连接，压缩机连接至调速机构，调速机构与固定支架连接；本发明特别适用于大功率、低转速、大扭矩的超导发电机；利用风机主轴的部分输出功率为制冷系统压缩机提供动力，实现超导风力发电机在无外部电源输入情况下的黑模式启动；完全避免了运动部件和旋转部件之间的气路连接，基本不需要旋转密封结构，提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及超导电机制冷系统，具体涉及轴功率输入超导风力发电机制冷系统。
背景技术
超导技术作为一种新兴技术已经在电力应用方面逐渐表现出不可替代的优势。利用超导技术制造的风机，其转子由高温超导（HTS）线材绕制，相对常规铜线其载流密度可以提高150倍左右，使得超导电机具有极高的能量密度。这一方面大大减小了电机的体积，同时因为超导线圈可以产生极强的磁场，电机中的铁芯可以省去，电机的重量也减轻很多。据美国超导公司估计，10MW的超导直驱式风力发电机的重量仅140 t，如此轻的重量，将成为突破风机扩容技术瓶颈的关键。另外，由于超导线圈可以产生极高的磁场，从而产生更大的力矩，不需要配备成本昂贵，相对笨重的齿轮箱，这便大大提高了电机的效率和稳定性。这样，超导海上风力发电机的运输成本、安装成本及维护成本都将显著降低。
但是由于超导电性只能在一定的低温下才能够实现，所以制冷系统作为超导电机的关键辅助系统，对于整个电机的稳定运行，具有至关重要的作用。
传统的超导电机由于转速较高，因而一般采用冷冻剂作为冷却介质，利用电机转动时的离心力使冷却介质在超导磁体内部的冷却介质流道内流动，通过介质的传热，实现系统制冷的目的。然而，冷却介质的使用必然会增加系统的复杂性，降低其可靠性。另一方面，由于需要利用电机旋转时的离心力，才可以使冷却介质更好的分散在转子内部，从而达到均匀冷却超导磁体的目的。但对于，海上型超导风机中的超导电机，由于其额定转速很低，一般不超过20转每分钟，因而这种转速下的离心力不足以驱动低温液体在转子内部均匀分布，因而受到使用的局限。
另一方面，现有超导电机的制冷系统采用了制冷设备（压缩机和冷头）与电机转子本体分置的方案，其相对于电机转子是相部静止，或是只有其中一个部件如制冷机冷头是同电机转子一起旋转，但压缩机仍然是相对静止的，没有随电机转子一起旋转。针对第一种方案，制冷系统在外部制得制冷工质以后，需要通过一个低温旋转密封装置将制冷介质输送到超导电机转子内部。对于低转速的超导电机，如超导风力发电机的转速一般都较低，可以把低温制冷机的冷头放置与电机的转子之上，但由于压缩机仍是相对静止的，仍需要一套常温的旋转密封装置，为压缩机与制冷机冷头之间的气路进行联接。
例如中国专利文献公开号为CN102840708A，公开日为2012年12月26日的发明专利，公开了一种基于传导冷却技术的超导电机制冷系统，包括压缩机、制冷机冷头、密封装置、真空罩、磁体骨架、导冷带和防辐射屏，防辐射屏通过支撑结构固定安装于真空罩的内壁上；压缩机通过密封装置与制冷机冷头连接，制冷机冷头依次穿过真空罩、防辐射屏固定安装在真空罩上，制冷机冷头与真空罩、防辐射屏同步转动；防辐射屏内设置有用于安装超导磁体的磁体骨架，磁体骨架的两端分别通过力矩管穿过防辐射屏连接于真空罩的两端；磁体骨架的内壁连接有导冷带，导冷带与位于防辐射屏内的制冷机冷头连接。该文献就是通过密封装置将压缩机与制冷机冷头连接，所以针对此类使用了密封装置的结构，无论是常温旋转密封结构或者低温旋转密封结构的超导电机或其他哪种结构型式的旋转密封部件，均为设计增加了难度，并且减少了整个系统的使用寿命。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了轴功率输入超导风力发电机制冷系统，利用调速机构，将风机主轴上的转速增速至压缩机额定工作转速；根据本发明，可以直接利用风机轴功率作为压缩机工作的动力源，且低温制冷机组中压缩机和制冷机冷头之间省去了旋转密封耦合器部件，提高了系统运行的稳定性和可靠性。另一方面，利用旋转风机主轴的机械能为制冷系统的压缩机提供动力，可以摆脱超导风力发电机的制冷系统对外部动力的依赖，有可能实现超导风力发电机在没有外部电源输入情况下的黑模式起动，从而有效解决传统超导风力发电机启动之前必需先由外部电网供电，使制冷系统工作，降温到合适温度后才可以进行励磁的问题。
本发明的技术方案如下：
轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：包括风机主轴、压缩机、制冷机冷头、调速机构、超导磁体、冷量传递机构、磁体绝热支撑结构和固定支架；
所述超导磁体、压缩机和调速机构安装于风机主轴上，与风机主轴同时旋转；所述超导磁体通过磁体绝热支撑结构连接于风机主轴上，同时，超导磁体、冷量传递机构、制冷机冷头、压缩机依次连接，压缩机连接至调速机构，调速机构通过固定支架固定。
所述调速机构包括一组小齿轮和一个大齿轮，小齿轮通过联轴器、小齿轮轴连接于压缩机的动力输入轴上，小齿轮均与大齿轮啮合，大齿轮中心通过大齿轮轴与固定支架连接。
所述风机主轴与大齿轮相对静止；当风机主轴相对大齿轮旋转时，风机主轴带动小齿轮相对大齿轮增速旋转；因为压缩机的动力输入轴与调速机构的小齿轮连接，从而可以实现压缩机的功率输入。
所述调速机构还可以通过其他能够实现所需调速比的机构实现相同功能。
所述调速机构的小齿轮和大齿轮的增速比的范围值为1000：1-2000：1，通过所述增速比可以将风机主轴的转速增至压缩机的额定工作转速，利用风机主轴的轴功率作为动力源，驱动压缩机工作。
所述调速机构的设计需要满足调速比和动平衡原则，例如采用大小行星齿轮来调速，大小行星齿轮的设计需达到一定的增速比和满足动平衡要求。由于小齿轮在自身高速转动的同时，绕主轴进行圆周运动。因而所有小齿轮都要满足尺寸，重量相等的条件，这样才可以保证主轴旋转的动平衡条件。
所述固定支架可以采用地脚螺栓等固定在水平地面或其他需要的固定面上。
所述压缩机为制冷机冷头提供必要的高压纯净制冷工质，制冷机冷头中制冷工质膨胀产生冷量，弥补超导磁体系统中的各种漏热损失；冷量传递机构将制冷机冷头产生的冷量传递到需要冷却的超导磁体及相关的超导电流引线、冷屏等部件上。
所述压缩机可以为涡旋式结构或曲柄连杆等机构，所用制冷工质可以为氦气或其它一切可用的制冷工质（如氢气、氖气等），其适用条件与不同的工作温区有关。压缩机利用调速机构输入的动力将低压气体压缩到一定的压强后，输送至制冷机冷头，为制冷系统提供高压制冷工质。
所述压缩机、制冷机冷头都安装在风机主轴上与需要冷却的超导磁体相对静止，因而压缩机和制冷机冷头的气体连接可以通过管路直接连接，而不要使用旋转密封装置。
所述压缩机的泵组件将高纯制冷工质压缩成高压气体，经过油气分离和吸附纯化变成高纯度的工质通过自密封接头排出，在制冷机冷头中产生冷量，同时形成低压工质气体回到压缩机的泵组件中，进行下一步的循环。这种工作模式为现有压缩机工作模式，采用本发明后可以避免使用旋转密封装置，从而提高设备的可靠性，延长设备使用寿命。
所述磁体绝热支撑结构由导热性能较差的材料制造，如环氧玻璃钢等热导率较小的材料，另外在强度要求比较高的场合，还可以使用不锈钢等材料。
所述冷量传递机构是为了尽快将制冷机冷头的冷量传输到超导磁体之上，因而选用导热系数高的高纯无氧铜，铜合金或铝合金等高热导率的材料。
所述超导磁体和冷量传递机构外部设置有一防辐射屏，防辐射屏外部设置有一真空罩，防辐射屏和真空罩上匹配设置有穿过风机主轴、制冷机冷头的孔。
所述防辐射屏和真空罩为本系统提供了真空绝热环境，本系统中产生的热量损失由制冷机冷头产生的冷量来弥补，具体的冷却方式是冷氦气强迫循环制冷或者由导冷结构将制冷机冷头上的冷量传递到磁体的直接冷却式制冷等。
所述防辐射屏用于减少辐射漏热，采用高热导性材料，如金属铜和金属铝等材料制成。
所述真空罩是由具由一定名度的金属材料，如不锈钢等材料制成的密闭容器。
本发明的工作过程如下：
本发明的风机主轴转速依据超导电机电磁等设计，在海上超导风机设计中超导电机为低转速运行，超导电机转子为超导磁体，为了保证其超导性，磁体必须工作在一定的低温环境下，而低温环境由低温制冷机组来提供冷量，低温制冷机组的制冷功率由超导磁体系统的漏热损失来决定；超导磁体、压缩机、制冷机冷头均随着风机主轴一起旋转，调速机构由一组齿轮组成，小齿轮固定在风机主轴上，随其一同旋转，大齿轮相对风机主轴静止；当风机主轴相对大齿轮旋转时，小齿轮会相对大齿轮增速旋转；压缩机的动力输入轴与调速机构的小齿轮相连接，从而实现压缩机的功率输入。
所述风机主轴旋转时带动调速机构工作，调速机构输出端的转速通过一定的增速比将转速提高到高转速，同时调速机构的输出端带动压缩机工作，压缩机的低压气体被压缩成高压气体，压缩得到的高压气体被输入至制冷机冷头使用。
本发明的有益效果如下：
本发明利用风机轴功率的方法，通过调速机构，将风机转速调节至超导制冷系统中压缩机所需的额定工作转速，从而实现轴功率作为动力源的低温制冷系统；
本发明将原来静止的制冷机压缩机及冷头等部件安放于超导电机转子之上，利用旋转主轴的部分输出功率为制冷系统的压缩机提供动力，从而摆脱超导风力发电机的制冷系统对外部动力的依赖，有可能实现超导风力发电机在没有外部电源输入情况下的黑模式起动，从而有效解决原先超导风力发电机启动之前必需先由外部电网供电，使制冷系统工作，降温到合适温度后才可以进行励磁的问题；
本发明中压缩机和制冷机冷头通过软连接方式连接，省去了传统的旋转密封机构，提高了系统运行的稳定性和可靠性；实现无旋转密封部件的低温制冷系统，将是超导低温技术发展的一大突破；
本发明中压缩机随着风机主轴一起旋转，避免了传统超导风机中压缩机安装在静止机舱或地面上，缩短了输气管的长度，简化了以往的低温保温层的敷设等工作，降低了成本；
本发明适用于海上型超导风力发电机。
总体而言，本发明解决了原有制冷系统方案制冷设备与需要被冷却的超导磁体相互分离的问题，该方案将制冷系统（包括压缩机和制冷机冷头）整体安装在超导电机风机主轴上，制冷系统相对需要被冷却的超导磁体相对静止，因而整个系统之间不需要使用任何气体旋转密封装置；另一方面，通过增速机构，将风机主轴输入的部分功率用于压缩机的动力输入，从而实现压缩机在无外部动力的情况下仍可以实现正常工作。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图
图2为本发明的调速机构结构示意图
其中，附图标记为：1风机主轴，2压缩机，3小齿轮轴，4制冷机冷头，5联轴器，6小齿轮，7大齿轮，8大齿轮轴，9固定支架，10超导磁体，11冷量传递机构、12磁体绝热支撑结构、13防辐射屏、14真空罩。
具体实施方式
如图1-2所示，一种基于轴功率输入的超导风机制冷系统，包括风机主轴1、压缩机2、制冷机冷头4、调速机构、超导磁体10、冷量传递机构11、磁体绝热支撑结构12、真空罩14、防辐射屏13以及其他联轴器5和固定支架9；超导磁体10、压缩机2、制冷机冷头4均随着风机主轴1一起旋转；调速机构包括一组小齿轮6和一个大齿轮7，小齿轮6通过联轴器5、小齿轮轴3连接于压缩机2的动力输入轴上，小齿轮6均与大齿轮7啮合，大齿轮7中心通过大齿轮轴8与固定支架9连接，小齿轮6随风机主轴1一同旋转，大齿轮7相对风机主轴1静止；当风机主轴1相对大齿轮7旋转时，小齿轮6会相对大齿轮7增速旋转；压缩机2的动力输入轴3与调速机构的小齿轮6相连接，从而实现压缩机2的功率输入；压缩机2为超导磁体制冷系统中制冷机冷头4提供必要的高压纯净制冷工质，制冷机冷头4中制冷工质膨胀产生冷量，弥补超导磁体系统中的各种漏热损失；冷量传递机构11将制冷机冷头4产生的冷量传递到需要冷却的超导磁体10及其他部件上；
所述压缩机2的结构可以为涡旋式结构或其他一切可用的工作结构，所用制冷工质可以为氦气或其它一切可用的制冷工质如氢气、氖气等，其适用条件与不同的工作温区有关。压缩机2利用调速机构输入的动力将低压气体压缩到一定的压强后，输送至制冷机冷头4，为制冷系统提供高压制冷工质。
所述压缩机2、制冷机冷头4都安装在风机主轴1上与需要冷却的超导磁体10相对静止，因而各部件的气体连接可以直接通过管路来实现，而不需要使用旋转密封装置。
所述超导磁体10、制冷机冷头4都安装于一个真空罩14之内，并为其提供真空绝热环境。
所述的真空罩14是一个由金属材料制成的密闭容器。
所述防辐射屏13是用来减少辐射漏热，其采用高热导性材料制成。
所述的调速机构可以是一组行星齿轮或者其他能够实现所需调速比的机构。
所述调速机构中小齿轮6和大齿轮7设计为一定的增速比，能够将风机主轴1的转速增至压缩机2的额定工作转速，利用风机主轴1轴功率作为动力源，驱动压缩机2工作。
所述的大齿轮7安装在固定支架9上，风机主轴1相对于大齿轮7同轴旋转，固定支架9用地脚螺栓等固定在水平地面上。
所述超导磁体10由磁体绝热支撑结构12连接在风机主轴1上，磁体绝热支撑结构12由导热性能较差的材料制造，如环氧玻璃钢等。
所述超导磁体10通过冷量传递机构11与制冷机冷头4相联接，冷量传递机构11是为了尽快将制冷机冷头4的冷量传输到超导磁体10之上，因而选用导热系数高的高纯无氧铜材料。
本发明的工作过程如下：
超导风机主轴1转速依据超导电机电磁等设计，在海上超导风机设计中超导电机为低转速运行，为了保证其超导磁体10的超导性，必须工作在一定的低温环境下，而低温环境由低温制冷机组来提供冷量，低温制冷机组的制冷功率由超导磁体系统的漏热损失来决定；超导磁体10、压缩机2、制冷机冷头4均随着风机主轴1一起旋转，调速机构由一组行星齿轮组成，小齿轮6固定在风机主轴1上，随其一同旋转，大齿轮7相对风机主轴1静止；当风机主轴1相对大齿轮7旋转时，小齿轮6会相对大齿轮7增速旋转；压缩机2的动力输入轴3与调速机构的小齿轮6相连接，从而实现压缩机2的功率输入。
压缩机2利用增速机构由主轴传送过来的动力将制冷工质如氦气进行压缩，得到高压气体，高压气体经过与外界环境热交换后降到一定温度。高压气体被输送到制冷机冷头4侧，膨胀冷却后得到冷量，并通过冷量传递机构11对需要冷却的超导磁体10进行冷却，最终将超导磁体10降温到需要的工作温度。
Claims (12)
1.轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：包括风机主轴（1）、压缩机（2）、制冷机冷头（4）、调速机构、超导磁体（10）、冷量传递机构、磁体绝热支撑结构（12）和固定支架（9）；
所述超导磁体（10）、压缩机（2）和调速机构安装于风机主轴（1）上，与风机主轴（1）同时旋转；所述超导磁体（10）通过磁体绝热支撑结构（12）连接于风机主轴（1）上，同时，超导磁体（10）、冷量传递机构、制冷机冷头（4）、压缩机（2）依次连接，压缩机（2）连接至调速机构，调速机构通过固定支架（9）固定。
2.根据权利要求1所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述调速机构包括一组小齿轮（6）和一个大齿轮（7），小齿轮（6）通过联轴器（5）、小齿轮轴（3）连接于压缩机（2）的动力输入轴上，小齿轮（6）均与大齿轮（7）啮合，大齿轮（7）中心通过大齿轮轴（8）与固定支架（9）连接；
所述风机主轴（1）与大齿轮（7）相对静止；当风机主轴（1）相对大齿轮（7）旋转时，风机主轴（1）带动小齿轮（6）相对大齿轮（7）增速旋转；所述压缩机（2）的动力输入轴与调速机构的小齿轮（6）连接，实现压缩机（2）的功率输入。
3.根据权利要求2所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述调速机构的小齿轮（6）和大行星齿轮的增速比的范围值为1000：1-2000：1，通过增速比将风机主轴（1）的转速增至压缩机（2）的额定工作转速，利用风机主轴（1）的轴功率作为动力源驱动压缩机（2）工作。
4.根据权利要求1所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述固定支架（9）固定在水平地面或其他需要的固定面上。
5.根据权利要求1所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述压缩机（2）为制冷机冷头（4）提供高压纯净制冷工质，制冷机冷头（4）中的制冷工质膨胀产生冷量用于弥补各种漏热损失；所述冷量传递机构将制冷机冷头（4）产生的冷量传递到需要冷却的超导磁体（10）上。
6.根据权利要求1或5所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述压缩机（2）为涡旋式结构，所用制冷工质为氦气或根据不同工作温区选择其它制冷工质；风机主轴（1）输入的功率，通过调速机构增速后输入压缩机（2），所述压缩机（2）利用调速机构输入的动力将低压气体压缩到一定的压强后，输送至制冷机冷头（4），为制冷系统提供高压制冷工质；所述压强值为2.2-2.6MPa。
7.根据权利要求1所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述磁体绝热支撑结构（12）由导热性能较差的材料制造。
8.根据权利要求1所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述冷量传递机构选用导热系数高的高纯无氧铜材料。
9.根据权利要求1所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述超导磁体（10）和冷量传递机构外部设置有一防辐射屏（13），防辐射屏（13）外部设置有一真空罩（14），防辐射屏（13）和真空罩（14）上匹配设置有穿过风机主轴（1）、制冷机冷头（4）的孔。
10.根据权利要求9所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述防辐射屏（13）用于减少辐射漏热，采用高热导性材料制成。
11.根据权利要求9所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于：所述真空罩（14）是由金属材料制成的密闭容器。
12.根据权利要求9所述的轴功率输入超导风力发电机制冷系统，其特征在于所述系统的工作过程如下：所述风机主轴（1）旋转时带动调速机构工作，调速机构输出端的转速通过一定的增速比将转速提高到高转速，同时调速机构的输出端带动压缩机（2）工作，压缩机（2）的低压气体被压缩成高压气体，压缩得到的高压气体被输入至制冷机冷头（4）使用。
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