CN111140510A - 一种用于输送低温液体的自真空绝热泵 - Google Patents

一种用于输送低温液体的自真空绝热泵 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于输送低温液体的自真空绝热泵，包括壳体、自真空绝热壳体、位于壳体中的轴承、支承在轴承上的主轴、以及安装在主轴上的电机和安装在主轴端部的叶轮；绝热壳体焊接安装在壳体外侧形成自真空结构；轴承包括前轴承和后轴承，前轴承和后轴承上均设有通孔；主轴支承在前轴承和后轴承上；电机包括超导励磁磁极转子和超导电枢绕组定子；叶轮安装在主轴的靠近低温液体的入口的端部。轴承和叶轮之间不存在温差，使离心泵的轴向导热量大大减少，从而具有较小的冷量损失；同时，轴承能长时间可靠工作，且超导电机的工作温度保持在超导临界温度以下。本发明所述一种用于输送低温液体的自真空绝热泵可广泛应用于低温液体输送领域。

Description

一种用于输送低温液体的自真空绝热泵
技术领域
本发明涉及低温液体输送技术领域，特别是涉及一种用于输送低温液体的自真空绝热泵。
背景技术
低温技术在近些年来获得了长足的发展。低温液体，如液氮、液氢、液氦的使用呈现多样化以及持续增长的趋势。在液氮、液氢、液氦等低温液体的产业链中，其生产、运输以及使用的各个环节都需要采用低温液体泵进行输送和升压。现今采用的低温液体泵分为两种，一种为电机处于常温区的常规低温液体泵，另一种为电机处于低温区的低温潜液泵或管道泵。
电机处于常温区的常规低温液体泵的泵体与电机通过跨越大温区的轴相连，并通过机械密封或迷宫密封等密封件来进行密封。泵的叶轮侧为低温环境，而电机侧则是常温环境，温差很大，会通过轴向导热造成跑冷损失；并且密封件仍存在泄漏，容易造成工质损失和危害。因此，电机处于低温区的低温潜液泵或管道泵是低温液体输送的发展趋势。
发明人发现，低温潜液泵或管道泵仍存在如下问题：1)低温管道泵连接在低温绝热管道上，低温流体在泵中流通，因此存在绝热问题；2)浸泡在低温液体中的电机运转带来的热量会由其泵送的低温液体吸收，导致其因吸收能量而汽化；3)浸泡在低温液体中轴承也存在发热，造成冷量损失并降低了轴承可靠性。因此，发明一种冷量损失小的用于输送低温液体的自真空绝热泵就显得十分迫切。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种冷量损失小的离心泵，以用于低温液体输运。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种用于输送低温液体的自真空绝热泵，包括壳体、自真空绝热壳体、位于所述壳体中的轴承、支承在所述轴承上的主轴、以及安装在所述主轴上的电机和安装在所述主轴端部的叶轮；所述壳体设有供低温液体流入的入口和供低温液体流出的出口；所述自真空绝热壳体焊接安装在壳体外侧；所述轴承包括靠近低温液体的入口的前轴承和靠近低温液体的出口的后轴承，所述前轴承和后轴承上均设有供低温液体通过的通孔；所述主轴支承在所述前轴承和后轴承上；所述电机包括固定在所述主轴上的电机转子和设置于所述电机转子外侧的电机定子；所述叶轮安装在所述主轴的靠近低温液体的入口的端部。
在本发明的一些实施例中，所述离心泵包括包围在所述壳体外侧的自真空绝热壳体，所述自真空绝热壳体内表面上设有支撑结构，所述支撑结构抵靠在所述壳体上，自真空绝热壳体焊接在壳体上，绝热壳体与壳体之间有一定的间隔空间，当输送极低温液体如液氦、液氢等时，该间隔空间内原有的空气会凝结在壳体外表面，形成真空绝热腔，即自真空结构。由于本发明结构可以形成自真空腔体，无需人工抽真空即可达到良好绝热效果。
在本发明的一些实施例中，所述轴承为工质自润滑液体动压轴承，通过输送的低温液体对其进行润滑和冷却，包括前轴承和后轴承。所述轴承的前轴承包括间隙配合的前轴套和前轴承座，所述前轴套固定在所述主轴上、所述前轴承座固定在所述壳体上；所述轴承的后轴承包括间隙配合的后轴套和后轴承座，所述后轴套固定在所述主轴上，所述后轴承座固定在所述壳体上。
在本发明的一些实施例中，所述前轴套的与所述前轴承座配合的外周面为圆柱面、与所述前轴承座配合的端面为圆环面，所述前轴承座的与所述前轴套配合的内周面为径向承载圆柱面、与所述前轴套配合的端面为止推承载圆环面；以及，在所述圆柱面和所述径向承载圆柱面之间安装有径向箔片、且在所述圆环面和所述止推承载圆环面之间安装有止推箔片；或者，在所述圆柱面和所述圆环面上加工有型线槽道，和/或在所述径向承载圆柱面和所述止推承载圆环面上加工有型线槽道。
在本发明的一些实施例中，所述后轴套的与所述后轴承座配合的外周面为圆柱面、与所述后轴承座配合的端面为圆环面，所述后轴承座的与所述后轴套配合的内周面为径向承载圆柱面、与所述后轴套配合的端面为止推承载圆环面；以及，在所述圆柱面和所述径向承载圆柱面之间安装有径向箔片、且在所述圆环面和所述止推承载圆环面之间安装有止推箔片；或者，在所述圆柱面和所述圆环面上加工有型线槽道，和/或在所述径向承载圆柱面和所述止推承载圆环面上加工有型线槽道。
在本发明的一些实施例中，不同于常规电机和只有转子励磁绕组使用超导材料的半超导电机(均会发热)，所述电机为全超导电机，采用双超导设计，转子和定子都是利用超导性材料制造的，电机转子为超导励磁磁极，电机定子为超导电枢绕组。
在本发明的一些实施例中，所述壳体包括筒体，所述筒体的一端连接有前壳体、另一端连接有后壳体，所述入口设置在所述前壳体上，所述出口设置在所述后壳体上。
在本发明的一些实施例中，所述叶轮的径向外侧设置有导叶盘。
在本发明实施例提供的离心泵中，所述叶轮、导叶盘、轴承及壳体部分共同构成被输送低温液体的流道。利用进入离心泵的低温液体对轴承部分进行润滑和冷却，保证了离心泵的长时间可靠运行；同时将超导电机中工作温度保持在超导临界温度以下，电机不发热，不会造成低温液体的气化。由于所述壳体内部为低温液体环境，所述轴承和所述叶轮之间不存在温差，使离心泵的轴向导热量大大减少，从而具有较小的冷量损失；同时，包围在所述壳体外侧的绝热壳体还能进一步隔热保温。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于输送低温液体的自真空绝热泵的结构示意图。
图2为图1所示的用于输送低温液体的离心泵中轴承的结构示意图。
具体实施方式
随着低温技术在近些年的长足发展，液氢、液氦等低温液体出现了很多不同的应用。例如，氢能源是零碳绿色清洁的二次能源，具有燃烧值高、清洁无污染、利用形式多、可储存等优点，广泛应用于交通、分布式能源、军事动力、航空航天、大科学工程等领域，被视为二十一世纪的终极能源。氢能综合利用产业链主要包括制氢、储氢、运氢和用氢等环节。氢的储运方式主要有：高压气态、低温液态和固态等，其中高压气态和低温液态储运两种方式最为常见。液氢的低温储运技术效率高、成本低，是实现氢能源长距离、大规模经济输运的理想选择。再如，目前普遍使用液氦作为低温液体使超导线缆中的导体温度保持在超导临界温度以下。低温液体还可以用于其它领域，比如液氢还可以用于卫星、导弹的发射，液氦也应用于医学中的核磁共振成像。随着液氢、液氦在工业、科研等领域的应用愈加广泛，低温液体的输运需求也随之增多。
液氮、液氢往往以消耗为目的进行输运，由于液氮、液氢的造价相对较低，而且其输运量一般较大，输运过程中产生的热损失相对较小，因此还可以考虑采用常规低温液体泵或者低温潜液泵进行输运。
但是低温流体如液氦却不宜使用常规低温液体泵进行输运，这是因为：1)采用常规低温液体泵时，其泵体内电机需要采用滚动或滑动轴承，由于自身材料硬度和干摩擦热聚集等问题，根本无法实现循环泵的长时间、高速稳定运行；而且由于存在固体接触和磨损，需要进行定期更换/维护，严重影响低温储运系统的连续运行。2)常规低温液体泵电机、轴承一般处于常温环境(273K)，而增压叶轮与液氦接触，一般处于低温环境(约4.5K)，常温端与叶轮之间巨大的温差(＞265K)会带来巨大的轴向导热量，造成冷量损失。3)同时，由于液氦的蒸发潜热较小，泵体漏热和电机发热也会导致很大的气化。4)常规低温液体泵还存在密封泄漏问题。为解决以上问题，本发明实施例提供了一种用于输送低温液体的自真空绝热泵。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。如前文所述，本发明实施例提供了一种用于输送低温液体的自真空绝热泵，其冷量损失小。其中，低温液体包括液氦、液氢等。
图1为本发明实施例提供的一种用于输送低温液体的自真空绝热泵的结构示意图。如图1所示，该离心泵包括壳体30、位于壳体30外侧的自真空绝热壳体18、位于壳体30中的轴承40、支承在轴承40上的主轴10、以及安装在主轴10上的电机50和安装在主轴10端部的叶轮3。
壳体30上设有供低温液体流入的入口31和供低温液体流出的出口32。自真空绝热壳体18内表面上设有支撑结构19，支撑结构19抵靠在所述壳体30上。轴承40包括靠近低温液体的入口31的前轴承和靠近低温液体的出口32的后轴承，通过该前轴承和后轴承来承担主轴10和叶轮3的径向载荷和轴向载荷，所述前轴承和后轴承上均设有供低温液体通过的通孔16。前轴承和后轴承40支承主轴10。主轴10上安装有电机50，电机50包括固定在主轴10上的电机转子12和设置于电机转子12外侧的电机定子9。主轴10的靠近低温液体的入口31的端部安装有叶轮3。
电机50接通电源后在电机转子12和电机定子9之间形成磁场，磁场作用于电机转子12，使电机转子12带动主轴10旋转，主轴10进而带动位于低温液体入口31处的叶轮3转动，从而叶轮3将低温液体卷入入口31，叶轮3对低温液体做功，低温液体增压后沿图1中箭头所示的工质流路进行流动，并通过轴承40上的通孔16流向出口32。在该离心泵的结构中，轴承40设置在壳体30内部，并利用进入壳体30内的低温液体进行润滑和冷却，保证了离心泵的正常运行。由于壳体30内部为低温液体环境，轴承40和叶轮3之间不存在温差，使离心泵的轴向导热量大大减少，从而具有较小的冷量损失。
如图1所示，作为一种改进，轴承40的前轴承包括相互间隙配合的前轴套6和前轴承座7，轴承40的后轴承包括相互间隙配合的后轴套13和后轴承座14。前轴套6和后轴套13固定在主轴10上，前轴承座7和后轴承座14固定在壳体30上。例如前轴套6通过安装在主轴10上的叶轮3和主轴10上的轴肩固定在主轴10上，而后轴套13则通过螺钉15和主轴10上的轴肩(或其他方式)固定在主轴10上。在离心泵的工作过程中，当主轴10旋转时，带动固定在其上的前轴套6和后轴套13旋转，这样进入壳体30内的低温液体会流过前轴套6和前轴承座7之间的间隙、以及后轴套13和后轴承座14之间的间隙，前轴套6(后轴套13)和前轴承座7(后轴承座14)的相对运动会产生动压效应，即由于低温液体的粘性作用，在前轴套6(后轴套13)和前轴承座7(后轴承座14)之间产生液膜，液膜具有高压从而具有良好的承载能力，可以使前轴承和后轴承达到自润滑的效果。这样整个离心泵完全无油，避免了系统的污染；而且整个离心泵采用液体动压润滑方式，相比于固体润滑而言，几乎无摩擦与发热，这使得离心泵具有更小的发热损耗和更长的运行寿命，且能够达到更高的转速来满足对离心泵效率的要求。
如图2所示，前轴套6的与前轴承座7配合的外周面为圆柱面61、与前轴承座7配合的端面为圆环面62。前轴承座7的与前轴套6配合的内周面为径向承载圆柱面71、与前轴套6配合的端面为止推承载圆环面。当在前轴套6的圆柱面61和前轴承座7的径向承载圆柱面7之间安装径向箔片、且在前轴套6的圆环面62和前轴承座7的止推承载圆环面72之间安装止推箔片时，前轴承形成为柔性箔片结构。当在前轴套6的圆柱面61和圆环面62上加工型线槽道，和/或在前轴承座7的径向承载圆柱面71和止推承载圆环面72上加工型线槽道时，前轴承形成为刚性结构。无论是柔性的箔片结构还是刚性的型线槽道结构，前轴套6和前轴承座7之间的低温液体都会沿着箔片或型线槽道向中央挤压，从而使前轴套6和前轴承座7之间产生的液膜具有高压。虽然未图示，后轴承的结构与前轴承相同，此处不再赘述。
供低温液体通过的通孔16设置在前轴承座7和后轴承座14上。
电机50为全超导电机。不同于只有转子励磁绕组使用超导材料的半超导电机(会发热)，全超导电机的转子和定子都是利用超导性材料制造的，电机转子12为超导励磁磁极，电机定子9为超导电枢绕组。在本发明的实施例中，需要泵送的工质为液氢、液氦等低温液体，在该低温液体的环境下很容易达到超导临界温度，非常适宜使用超导电机。离心泵采用这种内置的低温超导电机为低温液体的输入提供动力，低温液体将超导电机的工作温度保持在超导临界温度以下。
电机50的电机转子12通过主轴10上的轴肩固定，电机转子12和主轴10紧密配合，电机转子12的径向外侧被电机定子9所包围。
壳体30包括筒体8，筒体8的一端连接有前壳体1、另一端连接有后壳体11，入口31设置在前壳体1上，出口32设置在后壳体11上。筒体8内部的中间位置放置离心泵的主轴10。筒体8上布置有接线孔17，电机50通过接线孔17与外界电源相连。电机定子9由筒体8的前端装入筒体8，所谓前端指的是低温液体流入的一端，相对而言，所谓后端指的是低温液体流出的一端。前壳体1与筒体8的前端通过螺纹连接，后壳体11与筒体8的后端也使用螺纹连接。
前壳体1的中心位置放置有叶轮3，叶轮3通过螺钉固定在主轴10的前端。本发明的一些实施例可以采用高速叶轮离心增压。高速叶轮的速度通常比常规离心泵高3-5倍，叶轮的转速越高，达到相同的流量扬程需要的叶轮直径越小，因此极大减小了离心泵的体积。
叶轮3的径向外侧设置有导叶盘4，为有叶或无叶扩压器，能够将低温液体的一部分动能转化为压力能，实现降速增压。
导叶盘4的径向外侧设置有盖板5，盖板5固定在壳体30上例如盖板5通过前壳体1和筒体8挤压固定。并且导叶盘4与盖板5之间具有空隙，以形成低温液体的流道。盖板5的作用为和导叶盘4一起形成转向的流道(从径向转变为轴向)。经过导叶盘4降速增压后的低温液体通过导叶盘4和盖板5之间的流道进入筒体8的内部，低温液体作为维持电机超导状态的工作介质流过筒体8，最后进入后壳体11，并通过后壳体11上的出口32流出以进入下一段管道。
主轴10的靠近入口31的一端安装有诱导轮2，诱导轮2通过螺钉安装在主轴10的前端。在本发明的一些实施例中，叶轮3也通过固定诱导轮2的螺钉固定在主轴10的前端。叶轮3固定在主轴10前端的径向外侧、诱导轮2固定在主轴10径向前端的端面上。
在本发明的一些实施例中，所述离心泵还包括包围在壳体30的径向外侧的自真空绝热壳体18，自真空绝热壳体18内表面上设有支撑结构19，支撑结构19抵靠在所述壳体30上。自真空绝热壳体18焊接安装于壳体30，通过支撑结构19形成一定的间隔空间，当输送极低温液体如液氦，液氢等时，该间隔空间内原有的空气凝结在壳体30外表面，间隔空间形成真空绝热层20。在将本发明实施例公开的离心泵作为潜液泵使用时，可以将自真空绝热壳体18和支撑结构19拆掉。
由于低温液体系统本身冷量十分有限，要求在极低温液体如液氦、液氢等的输运时保证很小的冷量损失，因此本发明实施例所述的离心泵尤其适用于极低温液体的输运和升压。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于输送低温液体的自真空绝热泵，其特征在于，包括壳体、自真空绝热壳体、位于所述壳体中的轴承、支承在所述轴承上的主轴、以及安装在所述主轴上的电机和安装在所述主轴端部的叶轮；
所述自真空绝热壳体安装在壳体外侧；
所述轴承包括靠近低温液体的入口的前轴承和靠近低温液体的出口的后轴承，所述前轴承和后轴承上均设有供低温液体通过的通孔；
所述主轴支承在所述前轴承和后轴承上；
所述电机包括固定在所述主轴上的电机转子和设置于所述电机转子外侧的电机定子；
所述叶轮安装在所述主轴的靠近低温液体的入口的端部。
2.根据权利要求1所述的用于输送低温液体的自真空绝热泵，其特征在于，
所述自真空绝热壳体和壳体焊接形成一种自真空结构，绝热壳体与壳体之间有一定的间隔空间，当输送极低温液体如液氦、液氢等时，该间隔空间内原有的空气会凝结在壳体外表面，形成自真空绝热腔。
3.根据权利要求1所述的用于输送低温液体的真空绝热泵，其特征在于，
所述轴承为工质自润滑液体动压轴承，通过输送的低温液体对其进行润滑和冷却，包括靠近低温液体的入口的前轴承和靠近低温液体的出口的后轴承。
所述轴承的前轴承包括间隙配合的前轴套和前轴承座，所述前轴套固定在所述主轴上、所述前轴承座固定在所述壳体上；
所述轴承的后轴承包括间隙配合的后轴套和后轴承座，所述后轴套固定在所述主轴上，所述前轴承座固定在所述壳体上。
4.根据权利要求3所述的用于输送低温液体的自真空绝热泵，其特征在于，
所述前轴套的与所述前轴承座配合的外周面为圆柱面、与所述前轴承座配合的端面为圆环面，所述前轴承座的与所述前轴套配合的内周面为径向承载圆柱面、与所述前轴套配合的端面为止推承载圆环面；以及，在所述圆柱面和所述径向承载圆柱面之间安装有径向箔片、且在所述圆环面和所述止推承载圆环面之间安装有止推箔片；或者，在所述圆柱面和所述圆环面上加工有型线槽道，和/或在所述径向承载圆柱面和所述止推承载圆环面上加工有型线槽道。
所述后轴套的与所述后轴承座配合的外周面为圆柱面、与所述后轴承座配合的端面为圆环面，所述后轴承座的与所述后轴套配合的内周面为径向承载圆柱面、与所述后轴套配合的端面为止推承载圆环面；以及，在所述圆柱面和所述径向承载圆柱面之间安装有径向箔片、且在所述圆环面和所述止推承载圆环面之间安装有止推箔片；或者，在所述圆柱面和所述圆环面上加工有型线槽道，和/或在所述径向承载圆柱面和所述止推承载圆环面上加工有型线槽道。
5.根据权利要求1所述的用于输送低温液体的自真空绝热泵，其特征在于，
所述电机为全超导电机，全超导电机的转子和定子都是利用超导性材料制造的，电机转子为超导励磁磁极、电机定子为超导电枢绕组，在泵工作时均处于超导状态。
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