CN108716425B - 隔热支撑装置 - Google Patents
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Abstract
一种隔热支撑装置，包括支撑结构和绝热结构；所述支撑结构包括安装法兰、上段环形支撑筒、水平环形支撑板、下段竖直环形支撑筒、密封环和蜗壳。所述绝热结构包括异型薄壁无氧铜板和绝热体，所述绝热体填充于所述支撑结构的内部。上述热支撑装置具有以下优点：通过支撑结构外侧与密封环构成内嵌式封闭环形流体通道，结构简单、可靠性强。通过增加异型薄壁无氧铜板，利用其低温下导热率增大的特性，将热量带入环形流体通道内的冷却流体，形成冷锚，强化整个结构隔热能力。整个隔热支撑装置结构简单可靠，易于定位安装，可减少漏热。
Description
技术领域
本发明涉及低温制冷设备技术领域，尤其涉及一种隔热支撑装置。
背景技术
大型氦低温制冷设备是航空、核科学、超导物理等前言高技术应用领域不可替代的基础支撑，为大科学系统的正常运行提供所需的超低温环境。特别近年来随着我国国力综合提高，相应的大科学工程项目逐渐增加，如已完成的 BECPII(北京正负电子对撞机二期改造项目)、SSRF(上海光源)、EAST(先进实验超导托卡马克)，以及一系列正在筹划的工程如CEPC(环形正负电子对撞机)、CFETR(中国聚变工程实验堆)、CEPC后续项目SPPC(超级质子对撞机)。随着大科学装置系统规模不断发展，其系统本身对能级、磁场强度的要求也不断提高，而大型氦低温系统作为类大科学装置的关键保障，对其设计建设也随之提出了更高的要求。为满足这些大科学装置要求，逐渐提出采用千瓦级液氦、过冷氦以及百瓦级超流氦冷却的方案。在这一科技飞速发展的大背景下，极大的推动了我国大型低温制冷技术与低温工程技术的研究，以及逐步的从研究阶段向着工程实用化的层面发展。但是截至目前我国尚不能实现千瓦级大型液氦低温制冷系统的自给自足，特别是一些关键部件如高速透平膨胀机、低温氦气离心式压缩机以及液氦低温泵等低温旋转设备设计与工程运行经验欠缺，无论是从效率、可靠性还是从达到设计指标等方面都相较于欧美发达国家产品还有不小差距。
大型低温系统中高速透平膨胀机、低温氦气离心式压缩机以及液氦低温泵这类旋转机械是大型低温系统能否实现设计指标的关键设备，其工作效率、以及可靠性对整个低温系统有重大影响。通常在系统建造时为冷箱集成安装考虑，这类设备通常将叶轮工作段放置于冷箱内部，而其驱动或者制动端置于冷箱法兰外部。运行在大型氦系统下的这类设备低温叶轮工作段工作温度低于20K，设备工作端与室温端会有300K的温差，较大的温度梯度下作用下不可避免的会有较大的热流量以以下几种形式进入(较大冷量跑出)工作端：1、由轴端到叶轮导热；2、法兰支撑端的导热和辐射换热；3、机壳与工作端间对流和辐射换热。
对于大型氦系统下的高速透平膨胀机、低温氦气离心式压缩机，其工质为氦气这种小分子气体，该工质低温下比热容较低，意味着其工作段的进出口状态极易受漏热量的影响。如果不能很好的控制漏热，将使低温工作端工作状态偏离设计值，进而造成效率和工作点较大偏移。而对于液氦低温泵其输送工质为液氦，液氦其固有特点为潜热较低，且本身为大型低温系统产物制备价格不菲，因此较大的漏热量会使得液氦更多蒸发，一方面造成低温泵产生更多空化现象从而使得本身扬程和效率的下降，另一方面会使珍贵的液氦造成不必要的蒸发。考虑到旋转机械叶轮设计限制以及主轴转子动力学方面限制，很难削减从轴端到叶轮的直接导热，因此想减少整体热量漏入急需从法兰支撑端以及机壳与工作端间的热传导方面入手加以控制。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种易于定位安装，结构简单可靠，且可以减少漏热量的隔热支撑装置。
一种隔热支撑装置，包括支撑结构和绝热结构；
所述支撑结构包括安装法兰、上段环形支撑筒、水平环形支撑板、下段竖直环形支撑筒、密封环和蜗壳；
所述上段环形支撑筒一端的外壁紧贴于所述安装法兰的内侧，所述上段环形支撑筒的另一端和所述水平环形支撑板的板面固定连接，所述水平环形支撑板的内周和所述下段竖直环形支撑筒的一端固定连接，所述下段竖直环形支撑筒远离所述水平环形支撑板的一端和所述蜗壳固定连接，所述上段环形支撑筒、所述水平环形支撑板和所述下段竖直环形支撑筒形成一个具有台阶结构的筒体结构，所述上段环形支撑筒和所述水平环形支撑板的板面固定的一端朝所述筒体结构的内侧凹陷形成一个环形槽体，所述密封环和所述环形槽体的开口端固定连接形成一个封闭的环形流体通道；
所述绝热结构包括异型薄壁无氧铜板和绝热体，所述异型薄壁无氧铜板的中部设有通孔，所述异型薄壁无氧铜板设于所述水平环形支撑板上，且所述异型薄壁无氧铜板的内径小于所述水平环形支撑板的内径，所述异型薄壁无氧铜板将所述筒体结构分成上下两部分；
所述绝热体填充于所述筒体结构的内部，且所述绝热体的中部设有通孔。
在一个实施例中，所述异型薄壁无氧铜板的内周沿垂直于所述异型薄壁无氧铜板的所在平面的方向分别向上和向下延伸，形成T形结构。
在一个实施例中，所述异型薄壁无氧铜板的外周边缘设于所述上段环形支撑筒形成的环形槽体上。
在一个实施例中，还包括无氧铜薄壁防辐射屏，所述无氧铜薄壁防辐射屏通过螺栓螺母组合安装在所述密封环上方。
在一个实施例中，所述上段环形支撑筒的外侧和所述无氧铜薄壁防辐射屏的表面包裹有绝热材料层。
在一个实施例中，所述安装法兰、所述上段环形支撑筒、所述水平环形支撑板、所述下段竖直环形支撑筒和所述密封环的连接处采用焊接连接。
在一个实施例中，所述上段环形支撑筒、所述水平环形支撑板、所述下段竖直环形支撑筒和所述密封环的材料均为304L或316L。
在一个实施例中，所述安装法兰与所述上段环形支撑筒固定连接的定位安装部开设有凹槽。
在一个实施例中，所述筒体结构下部填充的绝热体通过长杆螺栓固定于所述异型薄壁无氧铜板上。
在一个实施例中，所述绝热体的材质为硬质聚氨酯材料。
上述热支撑装置具有以下优点：(1)通过支撑结构外侧与密封环构成内嵌式封闭环形流体通道，结构简单、可靠性强、节省加工钢材损耗。(2)通过增加异型薄壁无氧铜板，利用其低温下导热率增大的特性，将主轴上热流与机壳热流经由其带入环形流体通道内的冷却流体，形成冷锚，强化整个结构隔热能力。(3)上述热支撑装置统筹考虑并改进了多个相关部件结构，便于整体结构定位安装，结构简单可靠，可减少漏热，可广泛应用于大型低温系统中高速透平膨胀机、低温氦气离心式压缩机以及液氦低温泵这类旋转机械的绝热支撑结构。
附图说明
图1为一实施方式的隔热支撑装置的结构示意图；
图2为上段环形支撑筒与安装法兰的局部连接示意图；
图3为内嵌式环形流体通道局部放大示意图；
图4为内嵌式环形流体通道横截面剖视图；
图5为异型薄壁无氧铜板布置局部示意图；
图6为异型薄壁无氧铜板水平布置图；
图7为长杆螺栓固定绝热体的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一实施方式的隔热支撑装置100，包括支撑结构和绝热结构。
支撑结构包括安装法兰1、上段环形支撑筒2、水平环形支撑板5、下段竖直环形支撑筒9、密封环11和蜗壳6。上段环形支撑筒2、水平环形支撑板5、下段竖直环形支撑筒9和密封环11为工作在低温下的承压件且其为薄壁结构。
上段环形支撑筒2一端的外壁紧贴于安装法兰1的内侧。请同时参考图1和图 2，在一个实施方式中，安装法兰1与上段环形支撑筒2固定连接的定位安装部开设有凹槽。可以理解，上段环形支撑筒2与安装法兰1的焊接接触部分，对安装法兰1的定位安装部在满足结构强度与径向定位基础前提下，设计上下凹槽，可以增加从安装法兰1到上段环形支撑筒2的热阻，减少主要热源冷箱大法兰向低温结构的导热。
上段环形支撑筒2的另一端和水平环形支撑板5的板面固定连接。水平环形支撑板5的内周和下段竖直环形支撑筒9的一端固定连接。下段竖直环形支撑筒9 远离水平环形支撑板5的一端和蜗壳6固定连接。蜗壳6内设有叶轮8。上段环形支撑筒2、水平环形支撑板5和下段竖直环形支撑筒9形成一个具有台阶结构的筒体结构。支撑结构通过多块薄壁钢板配合连接为一整体，具体的，上段环形支撑筒2和下段竖直环形支撑筒9为轴向圆筒薄壁。水平环形支撑板5为水平平板薄壁。为满足强度要求，上段环形支撑筒2、水平环形支撑板5和下段竖直环形支撑筒9的薄壁厚度大于安全工作厚度，具体厚度需根据蜗壳6的大小与质量作相应微调。
请同时参考图3和图4，上段环形支撑筒2和水平环形支撑板5的板面固定的一端朝筒体结构的内侧凹陷形成一个环形槽体。密封环11和环形槽体的开口端固定连接形成一个封闭的环形流体通道15。支撑结构依靠密封环11定位连接。环形流体流道15内部流体由实际大型氦低温系统内部的防辐射屏冷却流体中引入，以此可以吸收部分支撑结构中的漏热。环形流体通道15的构筑仅依靠上段环形支撑筒2和水平环形支撑板5的配合面作用，稳定性高，且环形流体通道15 整体为内嵌式结构，节省空间，利于冷箱内其他部件的布置。
在一个实施方式中，上段环形支撑筒2、水平环形支撑板5、下段竖直环形支撑筒9和密封环11的材料为304L或316L。
请参考图2、图3和图6，安装法兰1、上段环形支撑筒2、水平环形支撑板5、下段竖直环形支撑筒9和密封环11的连接处采用焊接连接。焊接为一整体。主要因为氦气为小分子气体采用一般的连接密封配合不能保证密封可靠性，因此整体必须采用焊接完成。
绝热结构包括异型薄壁无氧铜板4和绝热体10。异型薄壁无氧铜板4的中部设有通孔(图未标)。即异型薄壁无氧铜板4的结构也基本为环状结构。异型薄壁无氧铜板4设于水平环形支撑板5上，且异型薄壁无氧铜板4的内径小于水平环形支撑板5的内径。异型薄壁无氧铜板4将筒体结构分成上下两部分。
绝热体10填充于筒体结构的内部。即填充在支撑结构与工作叶轮8的空腔之间。且绝热体10的中部设有通孔(图未标)。绝热体10的填充主要是为了减弱整个支撑结构形成的空腔内稀薄氦气因主轴14与叶轮8旋转而引起的强烈对流效应。同时，填充绝热体10也可以改善整个空腔内辐射空间结构，削弱高温辐射面向低温叶轮8的轮背面的辐射热流。
绝热体10的材质可以为硬质聚氨酯材料。传统的G10材料不仅价格较高，且需要特殊的设备加工，且与硬质聚氨酯材料相比，G10有更高的导热系数，不利于低温环境下的绝热。同时G10材料密度远大于硬质聚氨酯材料，如果选用，其质量将是支撑结构的一个较大载荷，将影响支撑结构强度。因此，在本实施方式中，选择利用硬质聚氨酯材料替代G10材料，具有磨具发泡成型方便，导热率更低、相同体积下质量更轻的优势。
上述隔热支撑装置100整体采用复叠式结构，主体采用低密度、低导热率绝热体10填充，在绝热体10间插入特殊设计的异型薄壁无氧铜板4，将绝热体10分割为多部分。在一个实施方式中，筒体结构内填充的绝热体10和异型薄壁无氧铜板4之间通过耐冷胶粘贴为一体。请同时参考图3，该异型薄壁无氧铜板4与环形流体通道15的壁面直接接触，利用环形流体通道15内流体将上层绝热体10中由机壳部分引入漏热量有效带走，起到冷锚作用。
请参考图1和图5，异型薄壁无氧铜板4的内周沿垂直于异型薄壁无氧铜板4 的所在平面的方向分别向上和向下延伸，形成T形结构。即在贴近主轴14侧布置上下T型延伸结构。T型向上延伸部分需在整机结构不干涉的前提下尽量延伸，T 型向下延伸部分长度根据主轴14上温度场仿真结果协同得出。异型薄壁无氧铜板4要求为无氧铜加工件，其中无氧铜要求应用的高纯度无氧铜。异型薄壁无氧铜板4的厚度要求需根据工作端与室温端温差核算得到。
异型薄壁无氧铜板4的外周边缘设于上段环形支撑筒2形成的环形槽体的上。利用工作间隙内强扰动对流效应以及主轴14与异型薄壁无氧铜板4间大温差特性，将由主轴14上的部分热量通过与异型薄壁无氧铜板4的对流与辐射方式传导到异型薄壁无氧铜板4上，最后经由异型薄壁无氧铜板4导入环形流体通道15。
如图7所示，筒体结构下部填充的绝热体10通过长杆螺栓7固定于异型薄壁无氧铜板4上。为了防止下层绝热体10和耐冷胶长期处于低温环境下变形以及老化脱落影响结构可靠性。在下层绝热体10留有周向沉头孔。长杆螺栓7采用低导热高强度材料加工而成。具体的，长杆螺栓7采用G10材料加工而成。长杆螺栓7 的底端打有螺纹。长杆螺栓7采用G10材料，可以充分利用G10材料强度高、热变形小的优势。同时在异型薄壁无氧铜板4的同样位置打数量相同螺纹孔，以此通过沉头螺孔与长杆螺栓7的底部螺纹连接将下层绝热体10轴向固定在异型薄壁无氧铜板4上。保障绝热体10在老化脱落时仍有一定的预紧力，确保轴向定位问题，防止在工作状态时下层绝热体10脱落触碰选择叶轮8的轮背面造成事故。同时利用该机构也可以很好保证下层绝热体10在径向串动过大触碰主轴14问题发生，增加结构可靠性。
上述隔热支撑装置100还包括无氧铜薄壁防辐射屏3。无氧铜薄壁防辐射屏3 通过螺栓螺母组合13安装密封环11上方。以此作为支撑结构的防辐射屏，并充分利用环形流体通道15内的冷却流体使环形无氧铜薄壁防辐射屏3保持低温状态，以此减少顶部冷箱法兰向低温支撑结构的直接辐射热流，强化隔热。请同时参考图4，利用该无氧铜薄壁防辐射屏3的结构，使得整体环形流体通道15的进口管路16和出口管路17均处于无氧铜薄壁防辐射屏3下方，减少冷箱大法兰向冷却流体进出口管路的辐射热流，从而减少冷却流体不必要的损耗。
在一个实施方式中，上段环形支撑筒2的外侧和无氧铜薄壁防辐射屏3的表面包裹有绝热材料层12。绝热材料层12可以为多层。通过包裹多层绝热材料层 12可以进一步减少支撑结构的外壁面与处于常温的冷箱大法兰的辐射传热，增加隔热效果。
上述隔热支撑装置100加工时，加工时利用水平环形支撑板5上的卡槽(图未示)将上段环形支撑筒2和水平环形支撑板5定位。随后在定位面的外侧进行焊接。接着将密封环11套入上述焊接后的构件，利用上段环形支撑筒2中的隔板面与密封环11的卡槽面的过渡配合将密封环11周向定位，利用密封环11的轴向上台阶进行轴向定位，随后焊接环形接触面，形成的封闭的环形流体通道15。随后将上述构件与下段竖直环形支撑筒9进行定位焊接，为保证强度，环形焊接两个点面，如图6所示。支撑结构整体加工完成后通过预留限位台阶定位，随后将蜗壳6与上述支撑结构进行焊接。上述结构完成后将上述结构轴向插入安装法兰 1，并在上端限位面环形焊接。整体装配焊接工作完成后，将环形无氧铜薄壁防辐射屏3通过螺栓螺母组合13安装在密封环11上方。最后上述一体结构通过安装法兰1与冷箱大法兰采用螺栓紧固，多层O圈密封形式。该支撑结构避免了使用过多定位与连接的分体式设计，使得工作端的蜗壳6不通过支撑直接与处于常温的冷箱大法兰接触，有效减少大部分直接接触带来的热量泄露。固定后，为加强隔热效果在上段环形支撑筒2的外侧面与无氧铜薄壁防辐射屏3上表面包裹多层绝热材料层12。
整体低温旋转机械安装时绝热结构与支撑结构为分体式，支撑结构预先安装在冷箱大法兰上，绝热结构与主机器垂直下放到由支撑结构构成的空腔内，整体通过支撑结构安装法兰1上预留的定位槽实现定位。
上述热支撑装置100能广泛应用于大型氦低温制冷、液化装置中的关键部件旋转机械的隔热支撑，可以解决静轴流式透平膨胀机、压缩机或液氦低温泵的现有绝热支撑结构的漏热量大、结构复杂通用性差以及整体结构定位安装困难等缺点。可以有效的替代现有高速透平膨胀机、低温氦气离心式压缩机以及液氦低温泵等低温旋转设备的绝热支撑结构，使得整个设备与大型低温系统在效率与可靠性能方面得到更好保障。
上述热支撑装置100在保证密封及径向绝热条件良好情况下，设计为垂直安放形式，用以减少内部气隙的氦气对流换热。在稳定运行时整机内氦气高温段在上，低温端在下，低温氦气高密度氦气在工作端附近流动，高温低密度氦气流体在驱动端，温度梯度与重力加速度的方向平行，形成20K～300K氦气温差层。
上述热支撑装置100具有以下优点：(1)在满足强度的前提下，使用了有效的薄壁钢支撑结构与无氧铜薄壁防辐射屏3，使得工作端蜗壳6远离冷箱大法兰，减小支撑结构的漏热量。(2)通过支撑结构外侧与密封环11构成内嵌式封闭环形流体通道15，结构简单、可靠性强、节省加工钢材损耗。(3)利用硬质聚氨酯泡沫材料替代传统G10材料，增强隔热能力。并增加T型异型薄壁无氧铜板4，利用其低温下导热率增大的特性，将主轴14上热流与机壳热流经由其带入环形流体通道15内的冷却流体，形成冷锚，强化整个结构隔热能力。(4)通过G10材料加工的长杆螺栓7与异型薄壁无氧铜板4的螺纹孔连接固定，有效解决低温下硬质聚氨酯材料和耐冷胶收缩、老化、失效问题，有效增加结构稳定性。(5)上述热支撑装置100统筹考虑并改进了多个相关部件结构，便于整体结构定位安装，可广泛改进并应用于大型低温系统中高速透平膨胀机、低温氦气离心式压缩机以及液氦低温泵这类旋转机械的绝热支撑结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种隔热支撑装置，其特征在于，包括支撑结构和绝热结构；
所述支撑结构包括安装法兰、上段环形支撑筒、水平环形支撑板、下段竖直环形支撑筒、密封环和蜗壳；
所述上段环形支撑筒一端的外壁紧贴于所述安装法兰的内侧，所述上段环形支撑筒的另一端和所述水平环形支撑板的板面固定连接，所述水平环形支撑板的内周和所述下段竖直环形支撑筒的一端固定连接，所述下段竖直环形支撑筒远离所述水平环形支撑板的一端和所述蜗壳固定连接，所述上段环形支撑筒、所述水平环形支撑板和所述下段竖直环形支撑筒形成一个具有台阶结构的筒体结构，所述上段环形支撑筒和所述水平环形支撑板的板面固定的一端朝所述筒体结构的内侧凹陷形成一个环形槽体，所述密封环和所述环形槽体的开口端固定连接形成一个封闭的环形流体通道；
所述绝热结构包括异型薄壁无氧铜板和绝热体，所述异型薄壁无氧铜板的中部设有通孔，所述异型薄壁无氧铜板设于所述水平环形支撑板上，且所述异型薄壁无氧铜板的内径小于所述水平环形支撑板的内径，所述异型薄壁无氧铜板将所述筒体结构分成上下两部分；
所述绝热体填充于所述筒体结构的内部，且所述绝热体的中部设有通孔。
2.如权利要求1所述的隔热支撑装置，其特征在于，所述异型薄壁无氧铜板的内周沿垂直于所述异型薄壁无氧铜板的所在平面的方向分别向上和向下延伸，形成T形结构。
3.如权利要求2所述的隔热支撑装置，其特征在于，所述异型薄壁无氧铜板的外周边缘设于所述上段环形支撑筒形成的环形槽体上。
4.如权利要求1所述的隔热支撑装置，其特征在于，还包括无氧铜薄壁防辐射屏，所述无氧铜薄壁防辐射屏通过螺栓螺母组合安装在所述密封环上方。
5.如权利要求4所述的隔热支撑装置，其特征在于，所述上段环形支撑筒的外侧和所述无氧铜薄壁防辐射屏的表面包裹有绝热材料层。
6.如权利要求1所述的隔热支撑装置，其特征在于，所述安装法兰、所述上段环形支撑筒、所述水平环形支撑板、所述下段竖直环形支撑筒和所述密封环的连接处采用焊接连接。
7.如权利要求1所述的隔热支撑装置，其特征在于，所述上段环形支撑筒、所述水平环形支撑板、所述下段竖直环形支撑筒和所述密封环的材料均为304L或316L。
8.如权利要求1所述的隔热支撑装置，其特征在于，所述安装法兰与所述上段环形支撑筒固定连接的定位安装部开设有凹槽。
9.如权利要求1所述的隔热支撑装置，其特征在于，所述筒体结构下部填充的绝热体通过长杆螺栓固定于所述异型薄壁无氧铜板上。
10.如权利要求1所述的隔热支撑装置，其特征在于，所述绝热体的材质为硬质聚氨酯材料。
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