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高温超导体磁悬浮轴承在低温液体泵中应用的

时间:2017-10-10 10:37:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  低温液体如液氧、液氮、液氢、液氦等在工业应用、科学研究中的应用日益广泛。如液氢、液氧在火箭发动机、航天飞机等空间运载系统输运,液氦在超导磁体迫流冷却,空分装置中液氧、液氮、液氩产品的输运,还有未来将广泛应用的高温超导电缆中超导体的冷却介质液氮的输运等等,都需要应用到低温液体泵。目前常用的低温液体泵有离心式、往复式等类型。但往复式泵的结构复杂、易损件多且可靠性差,密封较难,在长期连续运行中一般采用离心泵。当低温液体泵中的轴承等摩擦部件受到温度限制或是其他原因无法采用常规的油、脂润滑时,通常只能采用固体润滑。相应的轴承在恶劣环境下的工作寿命大为减少,特别是在高转速、重载荷的情况下。

  高温超导体磁悬浮轴承(HTSMB)利用超导体的迈纳斯效应,将外界磁通排斥在体外产生悬浮力从而实现自稳定的悬浮,相比于常规机械轴承及电磁轴承,具有自稳定悬浮,无需外界控制环节,旋转速度高、损耗小,有一定热惯性而不至立即失效等优点112.将高温超导体磁悬浮轴承用于低温泵,有利于实现长寿命、高转速等要求,而且高温超导磁悬浮轴承工作环境为低温,可以直接引入低温介质冷却超导体无需再为超导体添加制冷设备。

  2低温液体泵用轴承低温液体泵用轴承对材料的要求包括高强度、高硬度、高断裂韧性、抗应力腐蚀、尺寸稳定及与低温介质的相容性341.目前泵用轴承主要是球轴承,9C18钢是制作轴承套圈和滚动体料的较好材料,但随着轴承的转速的增加、载荷的加大,容易出现过度磨损和胶合等形式的失效。近年来以S3N4陶瓷滚球与918套圈组成的混合式轴承由于更好的物理性能,改善了轴承高速旋转性能和摩擦性能匹配,减少了摩擦热量,一定程度上提高了轴承寿命和可靠性,因而在低温泵中的应用日益广泛。

  对于温度相对较高的液体如空分液体产品输运所用泵的轴承一般采用润滑脂或润滑油润滑。对于间歇性工作的液体泵可以采用低温润滑脂润滑方式,而连续运行则采用压力油强迫润滑方式15.对于输运液体温度更低或者是轴承直接工作在低温液体的轴承,例如火箭发动机上液氢、液氧泵用轴承,这时只能使用固体润滑方式。低温液体泵用轴承采用固体润滑方式,摩擦表面润滑膜的生成主要有两种方式:一种是通过采用自润滑保持架,通过球与保持架的摩擦使润滑膜在摩擦面间转移;另一种是通过PVD方法在轴承球和套固滚道表面预涂一层固体润滑膜。在轴承启动初期保持架材料转移膜尚未形成时,采用PD膜层来实现润滑,正常运转时主要依靠保持架材料的转移来进行润滑。当润滑膜破裂,就会造成干摩擦,使轴承温度急剧上升,使轴承失效。一般输运的低温液体的过冷度较小而且比热、汽化热不大,而轴承运转时局部温度可达几百摄氏度13,容易在滚球表面形成一个蒸汽层,阻碍轴承散热,造成轴承烧伤。

  直接工作在低温液体中的轴承的运转性能还会受到低温介质的影响1液氧因氧化性而易在摩擦表面形成氧化膜对表面既能起到保护作用也可能产生腐蚀作用,而且液氧环境中,固体润滑剂转移润滑膜在陶瓷球表面的附着力差,不能引入陶瓷混合轴承;液氢的还原气氛会去除表面保护膜,摩擦气化的氢还能导致表面层的脆化;而液氮则在当保护膜破裂时起到阻止其再生的作用一这些都对轴承的寿命及稳定性有一定影响。

  一般低温液体的过冷度不高,采用的低温泵要求效率高以减少液体温升及气化,减少汽蚀佘量。对于小流量、高扬程输送提高泵效率最有效的方式是提高比转速15.提高比转速可通过提高设流量、增加叶轮级数和增加泵的工作转速等三个方面来实现,增加级数使结构变复杂,同时增加了叶轮损失,提高流量则是大泵小用,经济性不好,最理想的方式是提高泵工作转速。低温液体泵转速的提升将是对机械轴承的一个考验。

  机械轴承由于磨损寿命有限,而低温环境下轴承的工作条件则更为苛刻,特别是由于其温度太低或其他原因而只能采用固体润滑剂时,润滑剂本身寿命有限,导致其磨损加快等原因,使用寿命只有5 000小时左右,当转速更高、载荷更大的情况下如航天飞机发动机用液氢液氧泵的寿命只有几个小时,这限制了低温液体泵在长时间连续稳定运行的应用,例如在未来超导电缆的稳定运行中,我们希望泵能够尽可能长时间的连续工作而不至于因为泵轴承的更换而影响电网的运行。

  对于很高转速(>30000Pm)目前已有气体轴承在低温泵中使用的报道,我们考虑高温超导体磁悬浮轴承也是希望其能用于高转速、长期连续运行的场合中。

  3高温超导磁轴承进展实际应用的高温超导体是非理想的第二型超导体具有抗磁性与磁通钉扎性,高温超导磁悬浮轴承就是利用抗磁性提供静态磁悬浮力,利用钉扎提供稳定力,从而实现自稳定悬浮。这也是其相对于主动磁轴承(AMB)、永磁磁轴承(FMB)无需引入外界控制环节的原因。

  高温超导磁悬浮轴承可以由超导体与永磁体、超导体与电流线圈等结合构成,实际研究应用较多的是永磁体与超导体的结合,考虑到超导体的冷却问题,一般由超导体作为定子。按照定转子间相互作用力方向,轴承又可分为轴向、径向两类(如所示)。轴向型,其特点是结构简单、制作容易,在轴向承载能力较好,但是由于转子材料机械强度的限制对于高转速、大载荷应用不适合;而径向型,其特点是结构紧凑、负载灵活,可以通过增加沿轴向定子转子中超导块材、永磁材料数量来增加相互作用面积而不用改变转子直径来提高承载能力和悬浮刚度,容易实现大承载能力和强刚度,更加适合大尺寸应用。

  31HTSMB应用研究超导磁悬浮轴承有着无源自稳定、高转速、小损耗、长寿命等优点,随着高温超导材料及永磁材料的发展,现在已接近大规模工业运用的要求。

  国内外对其研究众多,而其中主要的应用研究集中在飞轮储能系统及超导电机等方面。

  轴向。径向轴承结构示意运转至4400W由的振云、水平位移均直径啊厚mmm的波音公司设计的10lWh飞轮储能系统171采用轴向HTSMB定子为由正六边形单畴熔融织构YBOO块材组成的中空平板,转子由3个中间由高磁导铁环分开的不同半径的同心永磁环组成,每个永磁环由多个圆弧段拼接而成,且径向充磁,中间的高磁导铁环的作用是一方面为提高磁场的梯度,一方面也作为力支撑面(IM材料机械强度不高)超导体定子采用液氮对流冷却,温度保持为77K转子及飞轮设计转速为20 000Pn飞轮在轴向间距为3 21寸,获得的轴向刚度为144N/mn径向刚度为69N/mn外推得到20000Pn时包括制冷耗功在内的损耗小于20W德国Nxn公司为西门子公司的4001W发电机研制的径向HTSMB89,轴承结构为外部高温超导体定子,内部永磁体转子。定子由小块的单畴顶端籽晶熔融织构法制备的梯形高温超导YBCC块材拼接成的圆柱环组成,内腔尺寸为令325X305转子则由多个令319的NdFB永磁环(轴向充磁)层叠而成,层与层之间为高磁导率铁隙。轴承工作气隙为3n水平放置,设计定子的下半部分可以上下移动,据此采用一种新式的超导体磁化方式,获得更高的径向承载能力,使其在工作温度为28K及转轴处于中心时,径向承载能力达5000N对应悬浮刚度51kN/mn轴承设计运行速度3600r/min并成功能装置采用立式径向HTSMB2101.定子由55块较小尺寸的多籽晶熔融织构YBOO块材拼接成环,胶合至铜制环形柱中,再经打磨加工而成,外径230n内径205n高度120n永磁转子外径200内径150高度120n由8高的P环堆叠而成,FM坏间由铁隙隔开。定子由一台35W77KG-M制冷机冷却。轴承工作气隙25在轴向位移33温度722K时,轴承的轴向最大承载重量达1 000kg轴向刚度45k/m径向位移3 2温度为72K时,径向承载重量达470哮径向刚度1.8日本ETEC制造的10lWh飞轮储能装置采用了五组立式径向HTSMB11‘121.其结构上采用的是内定子、外转子形式,其中每个定子单元由8块瓦片形YB0C块材直接拼接成一个外径123 2内径932高度60的超导环,转子单元则由4个轴向充磁的NdFeB永磁体环及其间隙间的高磁导率铁隙组成,其外径160内径126高度60定子和转子间工作气隙1. 4该飞轮采用了HTSMB与主动磁轴承(AMB)结合的工作形式,工作转速15860其中HTSMB在77K时的最大悬浮力密度超过8N/.日本铁路技术研究所为铁路飞轮储能系统研制的超导磁轴承(SB),由于相对位置的限制,卧式轴承在径向获得承载力和刚度比较小。为改进其承载能力与刚度,提出将定子分成可移动的两半(见)这样通过调节定子上下半壳位置可以提高轴承径向承载能力并且获得全方向的刚度。

  定子分开磁化目前用于HTSMB的较好的永磁体是NdFB其最大的表面磁场强度约为1. 3T永磁体与超导体之间的相互作用力可以用F=- gad B)dV来表示,从公式可知,获得最大的磁场梯度是改进HISMB承载能力的有效途径。

  因此,通常将FM环极向交错堆叠,同时尽量减少转子与定子之间的工作间隙以获得最大的磁场梯度,IM间的铁隙是为了提高悬浮力并均匀化磁通以减少旋转损失。同时也有研究1151认为目前限制HTSMB轴承性能的主要因素在于永磁体的性能,因此也有关于改进NcFB的材料研究,波音公司计划选用高磁能积的N52钕铁硼永磁转子替换现有永磁体1,也有提出利用超导线圈提供更为强大磁场的研究报道131,日本铁路技术研究所为飞轮储能系统研制的利用高温超导GdBCQ块材与低温超导NbT钱圈组成的轴承获得的力密亩莲弹潘市热讲‘浮商迪莲弹溆溪s薛置埘菇狭爵。爹驾3:3:斯来雄,固HaD雒菡飞旰sas敦;tzi奋迪4;(2)屮3:漭薤涵奋迪。0芪浮固薤来3:旰陈敢跑浮屮菩砘-HS甚汾薛,一跑遄屮驾陕置铒为43:1有砘知咎耕鬯麻,甬KM闽阵泔钸建翁曲迓孚颂埘帑S3-H洚置4.Hltb,刭泛姗Hrsi硌m昏颂敦邓闲娜浮搭莲弹S商酷壤。

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  可以看出,实际测量所得到的换热量值与理未予计算地层分段不够详细等。

  表6理论与实测换热量对比项目夏季冬季理论计算换热-AW/m)修正后实测换热AW/m)误差率7结语通过本次现场测试和理论计算结果的对比,再综合考虑,发现实验所得到的数据具有很高的可信度。其数值与众多既建工程所积累的经验数据十分相近,表明该工程能够很好地使用地源热泵这一绿色节能的空调冷热源方式;同时也说明,试验所用的设备材料及其组成的测试系统科学可行,经过进一步的优化之后可以广泛推广使用。理论计算结果在很好的验证了实测内容的同时,也证明了计算方法自身的实用性。