CN109742922B - 一种超导电机的冷媒传输密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导电机的冷媒传输密封结构，包括静止进气管、旋转进气管和回气管，静止进气管和旋转进气管连接并在连接处形成一个缩放喷管流道，静止进气管和回气管之间设有真空夹层管，真空夹层管外壁设有磁流体密封装置，磁流体密封装置内注入磁性液体，所述的静止进气管和旋转进气管的连接处设置有迷宫密封结构，用于对进气和回气进行隔离；本发明结构能保证不改变现有超导电机冷媒传输旋转密封拓扑结构、现有结构内部泄漏率的前提下，实现加工精度不用太高，装配困难变小的目标。

Description

一种超导电机的冷媒传输密封结构

技术领域

本发明涉及超导电机领域，具体为一种超导电机的冷媒传输密封结构。

背景技术

在超导电机中，冷媒传输装置是静止的制冷机与转子之间的过渡装置，用于将冷媒体从静止的制冷机集成装置传输至旋转的转子，同时将吸热后的冷媒体由转子传输至制冷机集成装置内再冷却，冷媒体在封闭管路内循环。整个低温系统由外置静止的制冷机集成装置、冷媒传输装置、转子真空内管路及冷媒储存装置组成。

根据超导电机的工作需要，冷媒传输装置须密封性好、传输效率高、耐压高而漏热小，该装置性能的优劣直接影响到超导电机的总体性能，是高温超导电机的一个关键设备。

考虑低温冷媒的特性和超导电机制冷设备的要求，现有的冷媒传输装置采用的结构大多为非接触式机械密封结构，冷媒气体从低温制冷机通过进气管进入转子端轴，由于回气温度高于进气温度，为避免能量损失，进气管与回气管之间通过真空夹层隔热，并且在静止与旋转连接处通过非接触式密封对进气和回气进行隔离，防止进气 “短路”到回气管路。回气管静止段与环境温度之间通过真空夹层隔热，进口段要伸进一段长度以减少传导漏热。静止与旋转部分存在转动间隙，间隙内充满冷媒气体，为尽量减少对流导热的热量损失，间隙应尽可能小，内部泄漏的气体最后经过一段管道间隙的冷却通过磁流体密封设备完全密封保证无外漏。

现有的冷媒密封结构可以基本满足内部泄漏率的要求，但缺陷在于如果要保证这个内部泄漏率，必须保证非接触式密封间隙尽可能的小，造成了加工精度高，装配困难大的问题，在实施过程中，容易对装置形成损坏，返工率报废率较高；如果加大密封间隙，内部泄漏量会迅速增加，从而大大降低制冷效率。这样对实现超导电机工程化的目标造成了极大的阻碍。

发明内容

本发明提出了一种密封结构，解决现有超导电机冷媒传输密封结构存在的问题。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种超导电机的冷媒传输密封结构，包括用于连接制冷机的静止进气管、用于为超导电机输送冷媒的旋转进气管和将被加热冷媒送回制冷机的回气管，所述的静止进气管和旋转进气管连接并在连接处形成一个缩放喷管流道，所述的静止进气管和回气管之间设有隔热用真空夹层管，真空夹层管外壁设有由旋转部分和静止部分组成的磁流体密封装置，旋转部分与旋转的回气管连接，静止部分与静止的真空夹层管连接，所述的磁流体密封装置内注入磁性液体，充满旋转部件和静止部件的间隙，旋转部分和静止部分通过轴承定位，所述的静止进气管和旋转进气管的连接处设置有迷宫密封结构，用于对进气和回气进行隔离。

所述的一种超导电机的冷媒传输密封结构，其静止进气管外壁设置有与所述回气管相同的管路，所述的真空夹层管设于相同的管路之间。

所述的一种超导电机的冷媒传输密封结构，其静止进气管具有一个渐缩形状的小直径出口喉部，所述的旋转进气管具有一个渐缩渐扩形状的入口部，所述的出口喉部插入所述入口部，插接部形成一个由收缩管段和扩张管段组成的流体区域。

进一步，所述的静止进气管出口喉部的直径为旋转进气管直径的0.5～0.6倍。

所述的一种超导电机的冷媒传输密封结构，其迷宫密封结构为耐低温不锈钢材料，与静止进气管外壁热套并焊接，由多个环状凸起规则排列而成。

进一步，所述迷宫密封结构的凸起个数为10～14。

更进一步，所述迷宫密封结构凸起高度和相邻两个凸起之间的间隔比例为1.5～2。

本发明为超导电机冷媒传输旋转密封采用的技术方案与曾有的和现有的密封结构相比有以下几方面的优点和改进：

第一，本发明在保证不改变现有超导电机冷媒传输旋转密封拓扑结构的前提下，通过流动动力中的射流理论原理，提出了缩放喷管结构，此结构使得静止进气管喉部流速增大从而动压增大，结合旋转进气管的渐缩渐扩形状，使得通往间隙处的静压大大减小，改变的压力分布保证绝大部分冷媒气体直接通入电机内部进行磁体冷却，小部分冷媒气体通向密封间隙，再通过迷宫密封结构进行二级密封；本发明结构易于实现且可以在现有的密封装置上进行改造。

第二，本发明在保证电机内部阻力4000pa以内，现有内部泄漏率（约5%）的前提下，迷宫密封间隙由0.3mm扩大至0.6mm；在允许泄漏率8%的前提下迷宫密封间隙可以达到1mm。间隙的增大使得加工精度降低难度，装配困难变小，解决了在实施过程中易对装置形成损坏的问题，解决了在运行过程中如果由于机械振动和磨损造成了密封间隙增大，内部泄漏量会迅速增加，大大降低制冷效率的问题。

附图说明

图1为本发明的结构侧视图；

图2为本发明的动静组件爆炸图；

图3为本发明的迷宫密封结构的示意图。

各附图标记为：1—静止进气管，2—旋转进气管，3—回气管，4—真空夹层管，5—磁流体密封装置，5.1—旋转部分，5.2—静止部分，6—迷宫密封结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明超导电机的冷媒传输密封结构包括静止进气管1、旋转进气管2、回气管3、真空夹层管4、磁流体密封装置5和迷宫密封结构6，所述的磁流体密封装置5包括旋转部分5.1和静止部分5.2。冷媒气体从低温制冷机通过静止进气管1进入旋转进气管2后通入超导电机内部，对超导磁体进行冷却，气体被加热后通过回气管3和其它回路回到制冷机进行冷却，由于回气温度高于进气温度，为避免能量损失，进气管1与回气管3之间通过真空夹层管4隔热，并且在静止进气管1与旋转进气管2的连接处通过迷宫密封结构6对进气和回气进行隔离，防止进气 “短路”到回气管路。

回路气体和通过迷宫密封结构6泄漏的气体经过一段较长的管路“加热”后被磁流体密封装置5几乎完全与外界隔绝。磁流体密封装置5内部注入有一种磁性液体，充满旋转部件和静止部件的间隙，形成一种“液体的O型密封圈”。磁流体密封装置5的旋转部分5.1与旋转的回气管3连接、静止部分5.2与静止的真空夹层管4连接，磁流体密封装置5的旋转部分5.1和静止部分5.2之间通过轴承定位。静止进气管1和旋转进气管2形成的流体通道为一个缩放喷管形状，此结构使得喉部流速增大从而动压增大，静压大大减小，改变的压力分布保证绝大部分冷媒气体直接通入电机内部进行磁体冷却，小部分冷媒气体通向密封间隙，再通过迷宫密封结构6进行二级密封，从而实现增强密封效果的作用。

如图2所示，所述静止进气管1为渐缩形，所述静止进气管1出口喉部（即出口端部）的直径为旋转进气管2直径的0.5～0.6倍。静止进气管1外壁热套并焊接迷宫密封结构6，材料均为耐低温不锈钢，此种组合结构可以使得旋转进气管2与迷宫密封齿之间间隙1mm之内，保持较低的泄漏量。如图3所示，所述迷宫密封结构6凸起高度和凸起之间的间隔比例为1.5～2，凸起个数为10～14。

本发明中，基于射流原理的渐缩渐扩结构与迷宫密封结构的结构能保证不改变现有超导电机冷媒传输旋转密封拓扑结构、现有结构内部泄漏率的前提下，实现加工精度不用太高，装配困难变小的目标。通过对比发现，在电机内部阻力4000pa以内的前提下，现有结构密封间隙0.3mm与本发明结构同样条件下间隙0.6mm的密封泄漏量近似；且在满足设计泄漏量8%的要求下，间隙可以达到1mm。

本发明通过流动动力中的射流理论原理，提出了缩放喷管结构，此结构使得静止进气管1喉部流速增大从而动压增大，结合旋转进气管2的渐缩渐扩形状，使得通往间隙处的静压大大减小，改变的压力分布保证绝大部分冷媒气体直接通入电机内部进行磁体冷却，小部分冷媒气体通向密封间隙，再通过迷宫密封结构进行二级密封。

本发明在保证电机内部阻力、在允许泄漏率8%的前提下迷宫密封间隙可以达到1mm，解决了密封间隙在实施过程中的不良影响，从而有效加快了超导电机工程化的进程。

上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超导电机的冷媒传输密封结构，其特征在于：包括用于连接制冷机的静止进气管（1）、用于为超导电机输送冷媒的旋转进气管（2）和将被加热冷媒送回制冷机的回气管（3），所述的静止进气管（1）和旋转进气管（2）连接并在连接处形成一个缩放喷管流道，静止进气管（1）具有一个渐缩形状的出口喉部，所述的旋转进气管（2）具有一个渐缩渐扩形状的入口部，所述的出口喉部插入所述入口部，静止进气管（1）出口喉部的直径为旋转进气管（2）直径的0.5～0.6倍，所述的静止进气管（1）和回气管（3）之间设有隔热用真空夹层管（4），真空夹层管（4）外壁设有由旋转部分（5.1）和静止部分（5.2）组成的磁流体密封装置（5），旋转部分（5.1）与回气管（3）连接，静止部分（5.2）与真空夹层管（4）连接，所述的磁流体密封装置（5）内注入磁性液体，旋转部分（5.1）和静止部分（5.2）通过轴承定位，所述的静止进气管（1）和旋转进气管（2）的连接处设置有迷宫密封结构（6），用于对进气和回气进行隔离，的迷宫密封结构（6）为耐低温不锈钢材料，与静止进气管（1）外壁热套并焊接，由多个环状凸起规则排列而成，所述的凸起个数为10～14，凸起高度和相邻两个凸起之间的间隔比例为1.5～2。

2.根据权利要求1所述的一种超导电机的冷媒传输密封结构，其特征在于，所述的静止进气管（1）外壁设置有与所述回气管（3）相同的管路，所述的真空夹层管（4）设于相同的管路之间。

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