一種兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電樞繞組的定子、帶有超導勵磁線圈的轉子和低溫制冷裝置，所述低溫制冷裝置固定在轉子輪轂上、隨轉子同步旋轉。所述低溫制冷裝置包括依次相連的冷頭、緩沖罐、后冷器和為冷頭供電并提供制冷工質的壓縮機，以及纏繞在后冷器周圍的冷卻水管。為冷卻水管引入引出循環(huán)冷卻水的旋轉接頭與轉子轉軸相連，為壓縮機供電的滑環(huán)復合在旋轉接頭上。超導勵磁線圈置于低溫杜瓦內，冷頭深入低溫杜瓦對超導勵磁線圈進行傳導冷卻。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明避開了現(xiàn)有低溫旋轉接頭氣封性能、熱輻射和對流熱交換對制冷系統(tǒng)的負面影響，大大提高了制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和有效性。
【專利說明】一種兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低溫制冷裝置全內置的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]兆瓦級高溫超導風機的冷卻方案普遍基于熱虹吸原理和氣體強迫對流原理，制冷系統(tǒng)獨立安裝在電機外部，因此需要一個低溫旋轉接頭實現(xiàn)制冷工質從靜止的制冷系統(tǒng)到旋轉的超導勵磁線圈的過渡問題。但是目前，低溫旋轉接頭的使用仍然存在以下問題:第一，氣封性。雖然低溫旋轉接頭的密封工藝不斷改善，但由于氣封性能導致的熱泄露和制冷工質的泄露(導致低溫旋轉接頭冰凍無法旋轉)，一直是低溫旋轉接頭無法克服的瓶頸。第二，熱輻射。熱輻射主要包括兩個方面:a.制冷工質由電機外部引入低溫真空杜瓦內，由于傳輸路徑長，且旋轉接頭和部分傳輸管道處于常溫環(huán)境中，難免出現(xiàn)熱輻射；b.低溫旋轉接頭長時間旋轉，旋轉部位摩擦產熱，產生熱輻射。第三，對流熱交換。制冷工質流入和回流過程中都要經過低溫旋轉接頭，由于回流后的制冷工質與流入的制冷工質之間存在溫差，兩者會發(fā)生對流熱交換，增加熱負荷。上述低溫旋轉接頭使用存在的三個問題，使得制冷系統(tǒng)工作的可靠性、安全性和有效性大大降低。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種低溫制冷裝置內置于轉子輪轂、隨轉子同步旋轉的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，避開了低溫旋轉接頭氣封性能、熱輻射和對流熱交換對制冷系統(tǒng)的負面影響，大大提高了制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和有效性。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:
[0005]本發(fā)明提出的一種兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，包括電樞繞組的定子、帶有超導勵磁線圈的轉子和低溫制冷裝置；所述低溫制冷裝置固定在轉子輪轂上、隨轉子同步旋轉；所述低溫制冷裝置包括依次相連的冷頭、緩沖罐、后冷器和為冷頭供電并提供制冷工質的壓縮機(每臺壓縮機匹配一個冷頭)，以及纏繞在后冷器周圍的冷卻水管；為冷卻水管引入引出循環(huán)冷卻水的旋轉接頭與轉子轉軸相連，為壓縮機供電的滑環(huán)復合在旋轉接頭上；超導勵磁線圈置于低溫杜瓦內，冷頭深入低溫杜瓦對超導勵磁線圈進行傳導冷卻。
[0006]上述低溫制冷裝置的內置(即固定在轉子輪轂上、隨轉子同步旋轉)解決了常規(guī)制冷系統(tǒng)外置時的低溫旋轉接頭問題。后冷器采用水冷卻循環(huán)散熱，在每個后冷器周圍纏繞冷卻水管，對于冷卻水的流入和流出問題，采用冷卻水旋轉接頭予以解決。所述旋轉接頭包括靜止部件和置于靜止部件中央的旋轉部件，旋轉部件通過磁流體密封技術與靜止部件實現(xiàn)密封旋轉；旋轉部件的一端通過靜止部件上的冷卻水流入口與外部靜止水管相連、將循環(huán)冷卻水引入旋轉部件內部，旋轉部件的另一端設有冷卻水流出口、并與冷卻水管相接；旋轉部件為雙層結構，層與層之間構成冷卻水回流通道，冷卻水回流通道一端設有回流冷卻水入口、并與冷卻水管相接，冷卻水回流通道另一端設有回流冷卻水出口、使循環(huán)冷卻水重新回到冷卻水庫。對于冷卻水流出口、回流冷卻水入口，需要根據壓縮機的實際數(shù)目設計相應的開口數(shù)，以保證冷卻水的順利循環(huán)。為了保證均勻冷卻，每一根轉子輪轂上安裝兩臺壓縮機，在轉子輪轂的兩側對稱設置。
[0007]所述滑環(huán)包括滑環(huán)固定端、電刷和滑環(huán)滑動端；滑環(huán)固定端和電刷通過導體板連接、并固定在所述靜止部件上，滑環(huán)固定端上裝有電源引線、與外部電源相連；滑環(huán)滑動端固定在所述旋轉部件上，通過與電刷的電接觸實現(xiàn)對壓縮機供電。將滑環(huán)的固定部件固定在旋轉接頭的靜止部件上，同時將滑環(huán)的滑動端固定在旋轉接頭的旋轉部件上，采用壓縮機供電滑環(huán)與冷卻水旋轉接頭復合的結構，同時有效地解決了旋轉供電問題和冷卻水循環(huán)散熱系統(tǒng)的旋轉問題。
[0008]在現(xiàn)有的超導電機傳導冷卻方案中，普遍采用冷頭與線圈直接接觸的方案，但該方案存在結構不夠緊湊、導熱不均勻、傳熱率偏低、機械性能差、冷卻時間偏長等問題。針對上述問題，設計所述冷頭通過導熱裝置對超導勵磁線圈進行傳導冷卻；所述導熱裝置包括設于超導勵磁線圈上表面和下表面的兩塊徑向堆疊導熱板，設于超導勵磁線圈側壁的軸向堆疊導熱板，設于超導勵磁線圈圓弧段處軸向堆疊導熱板外側的軸向導熱片，垂直于軸向導熱片設置的徑向導熱片，及設于徑向導熱片上、用于包裹冷頭的冷頭槽；徑向堆疊導熱板、軸向堆疊導熱板和軸向導熱片通過固定板和導熱螺母(導熱螺母采用導熱性能良好的材料制成，如紫銅等)固定連為一體。冷頭槽用于對冷頭的充分導熱和固定，保證冷頭熱量的傳導和機械穩(wěn)定性；徑向導熱片和軸向導熱片保證來自冷頭的熱量均勻傳遞到徑向堆疊導熱板和軸向堆疊導熱板；徑向堆疊導熱板和軸向堆疊導熱板分別用于熱量的徑向和軸向傳導，實現(xiàn)對超導勵磁線圈的充分均勻冷卻；導熱性能良好的螺母除了固定作用，還具有軸向導熱的作用，有效提高了熱量的傳導。
[0009]所述徑向堆疊導熱板和軸向堆疊導熱板為紫銅片堆疊結構，相鄰紫銅片之間涂有絕緣、高導熱性能粉末；所述絕緣、高導熱性能粉末可以是Al2O3，或AlN粉，或硅微粉，或MgO粉，等等。徑向堆疊導熱板和軸向堆疊導熱板的邊緣為齒槽狀，槽深為2-3mm。紫銅片堆疊結構能很好抑制軸向渦流損耗，齒槽狀邊緣結構能很好抑制徑向渦流損耗，以減少所述低溫制冷裝置的熱負荷。
[0010]所述壓縮機優(yōu)選為內置馬達電源的有油渦旋壓縮機，可以解決壓縮機散熱和潤滑問題；緩沖罐與后冷器之間設有多級油分離器，多級油分離器與壓縮機之間設有分離油回流管道，緩沖罐為復合油吸附的緩沖罐。有油渦旋壓縮機的有油可大大降低壓縮機兩個渦旋面的接觸摩擦，延長工作壽命，同時可降低排氣口出氣體的溫度，此外，壓縮機還可以依靠油冷卻。置于壓縮機后的后冷器作為壓縮機的一級冷卻進行預冷，對壓縮后的氣體進行降溫，以降低冷頭的工作負荷。由于壓縮機為有油式，排氣口排出的氣體將會摻雜油性物質(含油滴和油蒸汽的氦氣)，需添加油氣分離器將制冷氣體中的油性物質分離；由于冷卻后的氦氣油分離要容易得多，因此將多級油分離器安裝在后冷器的后面。所述分離油回流管道用于將分離后的油返回壓縮機，以循環(huán)使用。由于壓縮機適合連續(xù)運行，而冷頭的進排氣是周期性變化的，此外壓縮機的排氣端壓力過大，如果直接進入冷頭，會對冷頭造成一定沖擊，因此，需在冷頭前裝配緩沖罐，將連續(xù)性工作的壓縮氣體轉變成周期性工作的氣體，同時避免壓縮氣體對冷頭的沖擊。經油氣分離后的低溫氦氣仍含有微量的油氣，需要依靠活性炭吸附器吸附，因此將油吸附器復合在緩沖罐上，即緩沖罐為復合油吸附的緩沖罐。
[0011]所述轉子軸向長度小于2m，直徑為4.5-5m,以保證轉子輪轂有足夠空間安裝低溫制冷裝置；所述轉子轉速為10-12rpm，降低了旋轉過程對低溫制冷裝置機械性能和工作特性的影響。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:低溫制冷裝置隨轉子同步旋轉，可避開低溫旋轉接頭氣封性能對制冷系統(tǒng)可靠性的負面影響；壓縮機和冷頭就近固定在轉子輪轂上，縮短了制冷劑的輸送距離，提高了制冷效率；壓縮機供電滑環(huán)與水冷旋轉接頭的復合結構，同時解決了水冷卻散熱系統(tǒng)的旋轉和壓縮機的供電問題；導熱板采用紫銅片堆疊結構和邊緣齒槽狀，能很好抑制軸向和徑向渦流損耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)的結構示意圖。
[0014]圖2是水冷旋轉接頭和壓縮機供電滑環(huán)復合的立體結構示意圖。
[0015]圖3是水冷旋轉接頭的旋轉部件的立體結構示意圖。
[0016]圖4是導熱裝置的軸向導熱片、徑向導熱片、冷頭槽和固定板的立體結構示意圖。
[0017]圖5是導熱裝置的徑向堆疊導熱板和軸向堆疊導熱板的立體結構示意圖。
[0018]圖6是徑向堆疊導熱板的齒槽狀邊緣結構示意圖。
[0019]圖7是導熱裝置的組裝立體結構示意圖。
[0020]圖8是實施例1中兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)的立體結構示意圖。
[0021]圖9是實施例1中低溫制冷裝置的結構示意圖。
[0022]圖中標號如下:
[0023]1壓縮機2冷頭
[0024]3導熱裝置4低溫杜瓦
[0025]5超導勵磁線圈 6旋轉接頭
[0026]7轉子轉軸8轉子輪轂
[0027]9定子10冷卻水管
[0028]11電樞繞組 12轉子支撐
[0029]13后冷器14緩沖罐
[0030]15多級油分離器16分離油回流管道
[0031]31徑向堆疊導熱板32軸向堆疊導熱板
[0032]33軸向導熱片 34徑向導熱片
[0033]35冷頭槽36固定板
[0034]37導熱螺母61旋轉部件
[0035]62靜止部件63冷卻水流入口
[0036]64冷卻水流出口 65冷卻水回流通道
[0037]66回流冷卻水入口 67回流冷卻水出口
[0038]68滑環(huán)固定端69電刷
[0039]60滑環(huán)滑動端
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作進一步的描述。[0041]實施例1
[0042]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示。搭建一同步直驅半超導型兆瓦級風機系統(tǒng)，具體結構:定子9為雙層結構的銅電樞繞組11，分布在144個槽中。轉子部分帶有YBCO帶材繞制的6個跑道型超導勵磁線圈5，對應轉子輪轂8的位置排列在轉子支撐12上，且置于低溫杜瓦4內；轉子軸向長度為1.5m,直徑為4.5m,正常工作時的額定轉速為lOrpm。轉子輪轂8數(shù)為6根，每一根轉子輪轂8上安裝兩臺壓縮機1，在轉子輪轂8的兩側對稱設置，共同對一個超導勵磁線圈5進行制冷。壓縮機I為內置馬達電源的有油渦旋壓縮機，壓縮機I后依次設有后冷器13、多級油分離器15、復合油吸附的緩沖罐14和冷頭2，多級油分離器15和壓縮機I之間設有分離油回流管道16，每臺壓縮機I匹配一個冷頭2，冷頭2就近固定在轉子輪轂8上，保證壓縮機I對其近距離供電和提供制冷工質；冷頭2深入到低溫杜瓦4內通過導熱裝置3對超導勵磁線圈5進行傳導冷卻。每臺壓縮機I后的后冷器13周圍均纏繞冷卻水管10，用于散熱，冷卻水管10中循環(huán)冷卻水的引入引出通過固定在轉子轉軸7末端的旋轉接頭6來實現(xiàn)；壓縮機I工作時由復合在旋轉接頭6上的滑環(huán)供電。上述壓縮機1、后冷器13、多級油分離器15、復合油吸附的緩沖罐14、分離油回流管道16、冷頭2、導熱裝置3和冷卻水管10共同構成低溫制冷裝置，固定在轉子輪轂8上、隨轉子同步旋轉。
[0043]旋轉接頭6包括靜止部件62和置于靜止部件62中央的旋轉部件61，旋轉部件61通過磁流體密封技術與靜止部件62實現(xiàn)密封旋轉。旋轉部件61的一端通過靜止部件62上的冷卻水流入口 63與外部靜止水管相連，將循環(huán)冷卻水引入旋轉部件61內部；旋轉部件61的另一端設有12個冷卻水流出口 64，并分別與冷卻水管10相接。旋轉部件61為雙層結構，層與層之間構成冷卻水回流通道65 ;冷卻水回流通道65 —端設有12個回流冷卻水入口 66，并分別與冷卻水管10相接；冷卻水回流通道65另一端設有回流冷卻水出口 67，使循環(huán)冷卻水重新回到冷卻水庫。
[0044]所述滑環(huán)包括滑環(huán)固定端68、電刷69和滑環(huán)滑動端60?；h(huán)固定端68和電刷69通過導體板連接，滑環(huán)固定端68和電刷69固定在靜止部件62上；滑環(huán)固定端68上裝有電源引線，與外部電源相連?；h(huán)滑動端60固定在旋轉部件61上，通過與電刷69的電接觸實現(xiàn)對12臺壓縮機I的供電。
[0045]導熱裝置3包裹超導勵磁線圈5，且置于低溫杜瓦4內。導熱裝置3包括設于超導勵磁線圈5上表面和下表面的兩塊徑向堆疊導熱板31，設于超導勵磁線圈5側壁的軸向堆疊導熱板32，設于超導勵磁線圈5圓弧段處軸向堆疊導熱板32外側的軸向導熱片33，垂直于軸向導熱片33設置的徑向導熱片34，及設于徑向導熱片34上、用于包裹冷頭2的冷頭槽35 ;徑向堆疊導熱板31、軸向堆疊導熱板32和軸向導熱片33通過固定板36和導熱螺母37固定連為一體。徑向堆疊導熱板31和軸向堆疊導熱板32均由導熱性能優(yōu)良的紫銅片堆疊而成，相鄰紫銅片之間涂有硅微粉。徑向堆疊導熱板31和軸向堆疊導熱板32的邊緣為齒槽狀，槽深為2mm。
[0046]實施例2
[0047]與實施例1相同的地方不再重復敘述，不同之處在于:超導勵磁線圈5由MgB2帶材繞制而成。轉子軸向長度為1.8m,直徑為5m,正常工作時的額定轉速為12rpm。相鄰紫銅片之間涂有Al2O315徑向堆疊導熱板31和軸向堆疊導熱板32的邊緣為齒槽狀，槽深為3mm。[0048]實施例3
[0049]與實施例1相同的地方不再重復敘述，不同之處在于:超導勵磁線圈5由YBCO帶材和MgB2帶材共同繞制而成；根據兩種超導帶材高場載流能力的不同，超導勵磁線圈5的內層(高場部分)由YBCO帶材繞制，超導勵磁線圈5的外層(低場部分)由MgB2帶材繞制。相鄰紫銅片之間涂有AlN粉。
[0050]實施例4
[0051]與實施例1相同的地方不再重復敘述，不同之處在于:超導勵磁線圈5由低溫超導材料NbTi繞制而成。相鄰紫銅片之間涂有MgO粉。
【權利要求】
1.一種兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，包括電樞繞組(11)的定子(9)、帶有超導勵磁線圈(5)的轉子和低溫制冷裝置，其特征在于:所述低溫制冷裝置固定在轉子輪轂(8)上、隨轉子同步旋轉；所述低溫制冷裝置包括依次相連的冷頭(2)、緩沖罐(14)、后冷器(13)和為冷頭(2)供電并提供制冷工質的壓縮機(1)，以及纏繞在后冷器(13)周圍的冷卻水管(10);為冷卻水管(10)引入引出循環(huán)冷卻水的旋轉接頭(6)與轉子轉軸(7)相連，為壓縮機(I)供電的滑環(huán)復合在旋轉接頭(6)上；超導勵磁線圈(5)置于低溫杜瓦(4)內，冷頭(2)深入低溫杜瓦(4)對超導勵磁線圈(5)進行傳導冷卻。
2.根據權利要求1所述的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，其特征在于:旋轉接頭(6)包括靜止部件(62)和置于靜止部件(62)中央的旋轉部件(61)，旋轉部件(61)通過磁流體密封技術與靜止部件(62)實現(xiàn)密封旋轉；旋轉部件(61)的一端通過靜止部件(62)上的冷卻水流入口(63)與外部靜止水管相連、將循環(huán)冷卻水引入旋轉部件(61)內部，旋轉部件(61)的另一端設有冷卻水流出口(64)、并與冷卻水管(10)相接；旋轉部件(61)為雙層結構，層與層之間構成冷卻水回流通道(65)，冷卻水回流通道(65) 一端設有回流冷卻水入口(66)、并與冷卻水管(10 )相接，冷卻水回流通道(65 )另一端設有回流冷卻水出口( 67 )、使循環(huán)冷卻水重新回到冷卻水庫。
3.根據權利要求2所述的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，其特征在于:所述滑環(huán)包括滑環(huán)固定端(68 )、電刷(69 )和滑環(huán)滑動端(60 );滑環(huán)固定端(68 )和電刷(69 )通過導體板連接、并固定在靜止部件(62)上，滑環(huán)固定端(68)上裝有電源引線、與外部電源相連；滑環(huán)滑動端(60 )固定在旋轉部件(61)上，通過與電刷(69 )的電接觸實現(xiàn)對壓縮機(I)供電。
4.根據權利要求1-3任一所述的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，其特征在于:冷頭(2)通過導熱裝置(3 )對超導勵磁線圈(5 )進行傳導冷卻；導熱裝置(3 )包括設于超導勵磁線圈(5 )上表面和下表面的兩塊徑向堆疊導熱板(31)，設于超導勵磁線圈(5)側壁的軸向堆疊導熱板(32),設于超導勵磁線圈(5)圓弧段處軸向堆疊導熱板(32)外側的軸向導熱片(33),垂直于軸向導熱片(33)設置的徑向導熱片(34)，及設于徑向導熱片(34)上、用于包裹冷頭(2)的冷頭槽(35);徑向堆疊導熱板(31)、軸向堆疊導熱板(32)和軸向導熱片(33)通過固定板(36)和導熱螺母(37)固定連為一體。
5.根據權利要求4所述的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，其特征在于:徑向堆疊導熱板(31)和軸向堆疊導熱板(32)為紫銅片堆疊結構，相鄰紫銅片之間涂有絕緣、高導熱性能粉末。
6.根據權利要求4所述的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，其特征在于:徑向堆疊導熱板(31)和軸向堆疊導熱板(32)的邊緣為齒槽狀,槽深為2-3mm。
7.根據權利要求5所述的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，其特征在于:所述絕緣、高導熱性能粉末為Al2O3,或AlN粉，或硅微粉，或MgO粉。
8.根據權利要求1-3任一所述的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，其特征在于:壓縮機(I)為內置馬達電源的有油渦旋壓縮機，緩沖罐(14)與后冷器(13)之間設有多級油分離器(15)，多級油分離器(15)與壓縮機(I)之間設有分離油回流管道(16)，緩沖罐(14)為復合油吸附的緩沖罐。
9.根據權利要求1-3任一所述的兆瓦級高溫超導風機系統(tǒng)，其特征在于:所述轉子軸向長度小于2m,直徑為4.5_5m,轉速為10_12rpm。
【文檔編號】H02K9/00GK103730985SQ201410026438
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權日:2014年1月21日
【發(fā)明者】金建勛, 姜在強, 畢延芳, 信贏, 向田法 申請人:電子科技大學