CN115733306A - 一种高温超导电机的氦传输密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导电机的氦传输密封结构，包括静止进气管、旋转进气管、回气管、真空夹层管、包括旋转部和静止部分的磁流体密封装置以及包括外环和内环的特斯拉密封结构，本发明在保证不改变现有超导电机氦传输旋转密封拓扑结构的前提下，将射流和特斯拉阀单向流动原理相结合，提出了喷嘴和特斯拉阀结构，喷嘴使得静止进气管喉部流速增大从而动压增大，通往间隙处的静压大大减小，特斯拉阀的单向流通特性对于密度大，粘度低的氦气尤其有效，从而相对于迷宫密封泄漏率进一步降低。

Description

一种高温超导电机的氦传输密封结构

技术领域

本发明涉及高温超导电机领域，具体为一种基于特斯拉阀结构的氦传输密封结构。

背景技术

在高温超导电机中，氦传输装置将氦气从静止的制冷机集成装置传输至旋转的转子，氦气在封闭管路内循环，氦传输装置须密封性好、传输效率高、耐压高而漏热小，是高温超导电机的一个关键设备。

经过多年的发展，现有的氦传输装置在非接触式机械密封结构的基础上进行了改进和发展，开发了基于射流原理的喷嘴与迷宫相结合、基于射流原理的喷嘴与蜂窝相结合的结构，在保证泄漏率的前提下大大降低加工装配难度，加速高温超导电机的工程化进程，如中国公开专利CN109742922A。

此结构使得静止进气管喉部流速增大从而动压增大，改变的压力分布保证绝大部分氦气体直接通入电机内部进行磁体冷却，小部分氦气体通向密封间隙，再通过迷宫密封结构进行二级密封。但是这种组合结构存在缺陷，因为产生射流效果需要较高的速度，气管喉部尺寸是根据额定的流量而设计，所以在氦气体流量发生较大范围变化时，不能保证稳定的密封泄漏率。

发明内容

本发明提出了一种高温超导电机的氦传输密封结构，解决现有高温超导电机氦传输密封结构存在的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温超导电机的氦传输密封结构，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，所述的静止进气管具有一个渐缩形状并形成小直径的出口喉部，所述的旋转进气管具有一个渐缩渐扩形状的入口部，所述的静止进气管插入所述入口部，静止进气管出口喉部的直径为进旋转进气管直径的0.5～0.6倍，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，旋转部分与回气管连接，静止部分与真空夹层管连接，旋转部分和静止部分通过轴承定位，所述的缩放喷管流道的流体区域处设置有对进气和回气进行隔离的特斯拉阀密封结构，所述的特斯拉阀密封结构由外环和内环组成，采用耐低温铝合金或不锈钢材料3D打印而成，所述的内环外表面圆周方向上设置有多个圆弧形凹陷，所述的内环内表面圆周方向上加工了多个圆弧形凹陷，所述内外环的圆弧形凹陷错开布置。

所述的一种高温超导电机的氦传输密封结构，其圆弧形凹陷的形状角度以及错开距离都有严格的要求，圆弧形凹陷入射角α为40～50°，数量4组以上，错开距离L为0.2mm，动静间隙H小于1mm，回勾角β小于10°，其它参数可根据实际需要调整。

所述的一种高温超导电机的氦传输密封结构，其外环与不锈钢光管的旋转进气管焊接，内环与不锈钢光管的静止进气管焊接，再对间隙处内外环的内表面进行精加工。

本发明为超导电机氦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氦传输旋转密封拓扑结构的前提下，将射流和特斯拉阀单向流动原理相结合，提出了喷嘴和特斯拉阀结构，喷嘴使得静止进气管喉部流速增大从而动压增大，通往间隙处的静压大大减小，特斯拉阀的单向流通特性对于密度大，粘度低的氦气尤其有效，从而相对于迷宫密封泄漏率进一步降低，由同样工况和尺寸的前提下泄漏率由5%进一步下降到2%。

第二，本发明更主要的一个优点是在氦气流量变化范围较大时仍然保持低泄漏率。由于在较高流速时，喷嘴的射流效果明显，这时密封的主要作用取决于喷嘴，在低流速时，喷嘴的射流效果减弱，密封的主要作用取决于特斯拉阀结构的单向流通特性，在氦气体流量5～12m³/h变化范围内，均能保持2%左右的泄漏率，解决了变工况时难保证低泄漏率的问题，对高温超导电机的实用化奠定了良好的基础。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为图2中ABC部分的局部放大图；

图4为本发明的动静组件爆炸图；

图5为本发明的特斯拉阀结构流体区域参数图。

图中标记说明：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，6.1—外环，6.2—内环。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明利用特斯拉阀的单向流动特性和喷嘴射流原理，公开的一种高温超导电机的氦传输密封结构，包括静止进气管1、旋转进气管2、回气管3、真空夹层管4、包括旋转部分5.1和静止部分5.2的磁流体密封装置5以及包括外环6.1和内环6.2的特斯拉密封结构。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，静止进气管1出口喉部的直径为进旋转进气管2直径的0.5～0.6倍，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外壁设计有与所述回气管3相同的管路，管路上下内壁设有真空夹层管4，真空夹层管4外壁设置磁流体密封装置5。磁流体密封装置5的工作原理可参考中国专利CN109742922A。

氦气体从低温制冷机通过静止进气管1进入旋转进气管2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，旋转进气管2与回气管3之间通过真空夹层管4隔热，并且在静止与旋转连接处通过特斯拉密封结构对进气和回气进行隔离。设置特斯拉密封结构后，回路气体和通过特斯拉密封结构泄漏的气体被磁流体密封装置5几乎完全与外界隔绝。

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氦气直接通入电机内部进行磁体冷却，小部分氦气通向密封间隙，通过特斯拉密封结构进行二级密封后可实现增强密封效果的作用。

如图4所示，所述静止进气管1为渐缩形，静止进气管1外壁焊接特斯拉密封结构，材料为耐低温不锈钢或铝合金，此种组合结构可以使得相对旋转间隙在1mm时，保持较低的泄漏量，同时在氦氦气流量5～12m³/h变化范围内，间隙为0.6mm时，泄漏率为2%左右。

所述的外环6.1和内环6.2采用耐低温铝合金或不锈钢材料3D打印而成，所述的内环6.2外表面圆周方向上设置有多个圆弧形凹陷，所述的内环6.2内表面圆周方向上加工了多个圆弧形凹陷，所述内外环的圆弧形凹陷错开布置，圆弧形凹陷的形状角度以及错开距离都有严格的要求，如图5所示，所述圆弧形凹陷入射角α为40～50°，数量4组以上，错开距离L为0.2mm，动静间隙H小于1mm，优选为0.6mm（保证在1mm内均能保持较低的泄漏率），回勾角β小于10°，其它参数可根据实际需要调整。外环6.1与不锈钢光管的旋转进气管2焊接，内环6.2与不锈钢光管的静止进气管1焊接，再对间隙处内外环的内表面进行精加工。

通过试验测试，发现只有在超过一定的氦气流量（10m³/h）时，泄漏率才会降低，在低于10m³/h流量时，仅依靠迷宫密封产生密封效果，为了保证安装需要，此时迷宫密封的间隙较大，所以泄漏率较大。产生射流效应的气管喉部尺寸为固定尺寸，是根据额定的流量而设计，所以在氦气体流量发生较大范围变化时，不能保证稳定的密封泄漏率。

对比专利CN109742922A，本发明与之的区别在于将迷宫密封部件更换为特斯拉阀密封结构，特斯拉阀结构的单向流动特性使得在同样的密封间隙下明显优于迷宫密封，经过试验测试，发现本发明的结构在氦气体流量5～12m³/h变化范围内，均能保持2%左右的泄漏率，这对于高温超导电机应用于工程有着极大的意义。因此本发明基于射流原理的喷嘴结构与特斯拉密封结构的结构能保证不改变现有超导电机氦传输旋转密封拓扑结构，且在氦氦气流量在5～12m³/h范围内变化时泄漏率始终保持在2%以下。

本发明解决了现有高温超导电机氦传输密封结构不能在氦气流量大范围变化时始终保持低泄漏量的问题；解决了由于减小密封间隙而造成的加工难度高的问题。

喷嘴结构在较高氦气流速时产生射流使得进气管气体动压增大而通往间隙处的静压大大减小，但在低流速时效果不明显；特斯拉阀结构具有单向流动特性，特别适合密封粘度小，密度大的低温氦气，所以通过第一级喷嘴结构后保证氦气在高流量下的低泄漏率，第二级特斯拉阀密封结构保证氦气低流量下喷嘴作用失效时系统的低漏率，此结构易于制造并经过工艺验证，对于高温超导电机的工程化应用提供支持。

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 (3)

1.一种高温超导电机的氦传输密封结构，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，所述的静止进气管（1）具有一个渐缩形状并形成小直径的出口喉部，所述的旋转进气管（2）具有一个渐缩渐扩形状的入口部，所述的静止进气管（1）插入所述入口部，静止进气管（1）出口喉部的直径为进旋转进气管（2）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，旋转部分（5.1）和静止部分（5.2）通过轴承定位，其特征在于：所述的缩放喷管流道处设置有对进气和回气进行隔离的特斯拉阀密封结构，所述的特斯拉阀密封结构由外环（6.1）和内环（6.2）组成，采用铝合金或不锈钢材料，所述的内环（6.2）外表面圆周方向上设置有多个圆弧形凹陷，所述的内环（6.2）内表面圆周方向上加工了多个圆弧形凹陷，所述的圆弧形凹陷错开布置。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导电机的氦传输密封结构，其特征在于，所述的圆弧形凹陷入射角为40～50°，数量4组以上，错开距离为0.2mm，动静间隙小于1mm，回勾角β小于10°。

3.根据权利要求1所述的一种高温超导电机的氦传输密封结构，其特征在于，所述的外环（6.1）与不锈钢光管的旋转进气管（2）焊接，内环（6.2）与不锈钢光管的静止进气管（1）焊接。

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