图书名称：《低温潜液泵超导磁悬浮轴承系统研究》【作者】艾立旺，许孝卓作【页数】170【出版社】徐州：中国矿业大学出版社,2021.05【ISBN号】978-7-5646-4432-1【价格】42.00【参考文献】艾立旺，许孝卓作.低温潜液泵超导磁悬浮轴承系统研究.徐州：中国矿业大学出版社,2021.05.图书封面：超导磁悬浮轴承系统研究》内容提要：本书在总结国内外超导技术与低温液体泵、超导磁悬浮轴承研究现状的基础上，针对传统低温液体泵存在的问题，提出将超导磁悬浮轴承应用于轴向磁通盘式电机驱动的低温潜液泵，开展了低温泵用超导磁悬浮轴承系统的理论和实验研究。本书首先讨论了超导磁悬浮轴承的轴、径向悬浮力特性的理论建模方法并进行实验验证；分析了振动情况下径向型超导磁悬浮轴承的动态悬浮特性和多自由度动态悬浮特性；优化了低温潜液泵用径向超导磁悬浮轴承的关键电磁参数；建立了液氮环境下低温泵用盘式异步电机的三维数值模型研究其低温工作特性和电磁力特性；开展了悬浮体转子的力学特性建模，并讨论悬浮体转子的力学稳定性和共振特性。最后，试制超导磁悬浮低温潜液泵原理样机并开展液氮工质实验测试与验证。研究结果可为超导磁悬浮轴承应用与超导低温泵的研发提供奠定基础。本书适于电气工程领域的教师、研究生、本科高年级学生和研究人员及工程技术人员阅读参考。《低温潜液泵超导磁悬浮轴承系统研究》内容试读第1章绪论第1章绪论1.1课题背景及意义低温液体泵（又称低温泵、深冷泵）主要用于石油、空分和化工装置中低温液体产品（如液氧、液氮、液氢、液态烃和液化天然气等）的输送或循环。早在2009年，我国通过《装备制造业调整和振兴规划》将低温液体泵列为实施装备自主化的重点设备。低温泵在石油、空分和化工装置中的用量日益增加，并得到了广泛的应用和发展。然而，目前低温泵的大部分市场及其关键技术仍被国外公司垄断，如日本EBARA、法国CRYOSTAR、美国FLOWSERVER和瑞士SULZER等。因此，伴随着能源危机和环境问题的日益凸显，工业设施和科学装置对冷却系统可靠性的需求不断增加，低温液体泵具有不可或缺的发展需求。(1)低温泵在新型清洁能源中的应用大气污染严重和化石资源消耗过快的问题日益突出，迫切需要新的能源替代传统能源，其中氢和甲烷都是很有应用前景的能源。2014年，中国和美国联合发布了应对气候变化的声明，提出将控制中国碳排放到2030年达到峰值。这就需要寻求诸如液氢]、液化天然气[)(liquefiedaturalga,LNG)等新型清洁能源取代化石能源。英国石油集团BP公司公布的《BP世界能源展望(2019年版)》[3)的2035全球能源大趋势预测如图1-1所示：2012一2035年，天然气年均需求量增长速度约为1.9%；到2035年，全球一次能源消费结构中，天然气将与煤炭、石油趋同，均为26%一27%。国务院办公厅在《能源发展战略行动计划》中提出要大力发展天然气资源，提高天然气在一次能源消费中的比重)。在LNG、液氢等低温能源燃料的生产储存库、运输车船、燃料的分配与加注等都需要各种低温液体泵进行高效而可靠的介质输送)。(2)低温泵在超导技术中的应用超导材料及技术的发展和应用，可为发展低碳经济、解决能源问题提供有效技术手段，例如采用超导设备降低输配电过程及高能耗工业设备的损耗[6]；用高温超导电缆来解决超长距离输电问题和可再生能源并网]。目前，美国能源部。1·低温潜液泵超导磁悬浮轴承系统研究的《Grid2030》计划将超导技术列人国家骨干网建设。AMSC已正式启动(2016年)将美国三大电网实现完全互联的“TreAmiga超级变电站”项目，采用超导直流输电技术实现三大电网的互联。2019年2月21日，上海市启动我国首条公里级高温超导电缆示范工程项目，深圳市也即将启动（预计年内）430m高温超导电缆示范工程并计划在实际电网中长期运行。然而，限制超导技术广泛应用的一个重要原因是需要提供维持其超导体低温工作环境的附加冷却设施。如高温超导电缆工作时需要低温冷却系统，且该系统需采用低温液体泵克服介质流阻实现冷却液循环输送；同时超导电缆工作时消耗液氮，须周期性补充液氮[幻。其他的超导装置如超导变压器、超导电机等正常工作时，须用低温液体泵单元对超导体进行强迫循环冷却。十亿吨油当量50%T18r可再生能源石油40%15水电核能1230%煤炭煤炭920%天然气6天然气可再生能源·10%水电石油0核能0%19652000203519651975198519952005201520252035一次能源消费一次能源占比图1-1BP预测的2035全球能源大趋势(3)低温泵在普通石油、空分和化工过程中的应用低温液体泵在石油化工、空分设备和煤化工装置中的低温泵用量日益增加，这里低温泵主要用于低温液体产品（如液氧、液氮、液氦、液氢、液态烃和LNG等)的输送。自《装备制造业调整和振兴规划》将低温液体泵列为实施装备自主化的重点设备以来，在过去的十多年，尽管我国通过独立研究、技术引进和国际合作在相关技术方面取得了巨大成功，但国内石油、空分等化工行业内各种低温泵设备的研制技术还处于起步阶段，距离国际先进水平还有很大差距)。(4)低温泵在航空航天以及交通运输动力设备中的应用国内外多数航空航天飞行器以及运载火箭主要采用低温液氧与液氢组合推进剂。如2012年欧盟“ISaceProulio一1”工程资助研制了一种新型太空·2·第1章绪论推进系统，采用液氢（或液体甲烷）和液氧作为火箭推进的低温燃料。我国航天事业与深空探测技术的发展，对运载火箭低温燃料的需求也迅速增加。短时间内完成运载火箭燃料加注的高速液氧、液氢泵是航空航天与化工重工等领域的核心元件。此外，火箭飞行升空后低温燃料向动力引擎的输送也需要高效、安全、可靠的低温燃料泵)。关于低温燃料泵的关键技术，法国、俄罗斯和日本都做了深入的研究工作。低温液体燃料输送泵的研发，可以为我国新一代运载火箭的大流量低温燃料加注奠定基础。(5)低温泵在科研装置和实验室小型制冷设备中的应用许多科学实验装置经常需要用液氮或液氨来制冷或降温，通常利用低温杜瓦容器压力泵或直接倾倒的方式将液氮由容器输送到实验设备。但目前工业用的低温泵并不适用于实验室小型设备，而依靠杜瓦压力输送液氮又存在一定缺陷，即容器需要压力源如外部气缸或储存器内部的加热元件，难以获得较好的时间响应，且产生低温液体的闪蒸损耗。因此，一些科研装置和实验室小型制冷系统对小型低温液体泵也有一定的应用需求山由于低温液体泵的设计、工艺、制造和试验方面难度较大，国内具备低温泵研制技术的厂家极少。目前，在国内石油、空分等化工行业内，用于低温液体产品输送和循环等流程的各种低温泵设备在泵用电机、低温轴承、密封等主要部件和低温气蚀防止技术方面还存在一系列技术问题。1.2相关领域的发展现状与趋势按照工作原理的不同，低温液体泵主要分为往复式和离心式两类。往复式低温泵的结构复杂、易损件多、密封困难且可靠性较差，而离心式低温泵在效率和可靠性方面具有一定优势，所以在长期连续运行工况下多采用离心式低温泵。由于低温液体泵输送的介质为低温液体，低温环境对泵各部件的设计和运行带来一些技术挑战。通过对低温液体泵国内外研究现状的调研总结，现有常规离心式低温液体泵主要存在以下几个方面的问题：(1)叶轮等过流部件的设计优化与低温气蚀问题低温液体泵的工作介质沸点很低、极易挥发，操作不当就会引发气蚀现象，对泵的工作性能和寿命产生不可忽略的影响。另外，低温液体泵的过流部件如叶轮、诱导轮、蜗壳等结构参数的设计和优化结果关系到低温泵的工作效率并直接影响气蚀现象的产生12.1)。因此，叶轮等过流部件的优化设计和气蚀现象的防治是多年来低温液体泵的研究焦点之一「1,1]。(2)低温液体泵用轴承的低温工作寿命和可靠性·3·第1章绪论液氦泵时产生的漏热问题，将超导技术应用于输送液氦的潜液式容积泵。该低温液氦泵采用超导圆筒直线电机驱动，超导直线电机主要包括音圈式超导电枢线圈和钐钴永磁体，利用液氦工作介质直接冷却超导电枢线圈[5]。实验结果表明该超导直线电机可以用于驱动容积泵进行液氦的输送，但是泵提供的最大压力受到电机永磁体退磁电流的限制。2004年，日本九州工业大学采用超导块材改善电机性能，研制了超导块材步进电机驱动的低温液氮泵如图1-2()所示。首先进行超导步进电机的电磁结构设计，如图1-2()所示，并确定超导电机转子的主要尺寸。然后通过样机实验测量在零场冷条件下，超导步进电机驱动液氮泵的扬程和流量特性：转速为1500r/mi时，该液氮泵的扬程和流量分别为60mm和1.3L/mi261.2007年，考虑到脉冲磁场对超导块材的磁化作用可进一步提高超导块材步进电机的性能，又搭建了脉冲磁化电路和超导步进电机的控制平台，并实验测量脉冲磁化作用下超导块材步进电机的输出特性及其驱动低温液氮泵的工作特性。实验研究表明，相对于零场冷条件，超导步进电机在脉冲磁化条件下可获得更高的转速。泵的扬程与转速成正比关系且与驱动电流无关；当转速为1050r/mi和1350r/mi时，最大流量分别为0.75L/mi和1.3L/mi2)。由于该液氮泵的转子由处于轴两端的一对机械轴承支撑，难以长期连续运行，工作转速也难以进一步提高。出▣泵壳超导转子步进电机电磁铁叶轮轴承超导体入口(a)液氮泵结构()超导步进电机图1-2液氮泵结构和超导步进电机2009年，日本九州工业大学又提出一种1.5kW全超导型同步/异步电机驱动的液氢泵。该液氢泵用超导电机的定子绕组和转子鼠笼均采用超导材料二硼化镁(MgB2),可以极大地减小电机定、转子绕组损耗（约比相同条件下铜绕组的损耗低两个数量级)。图1-3()为具有MgB2导条的超导鼠笼转子。该电机在·5·低温潜液泵超导磁悬浮轴承系统研究同步状态运行时输出转矩和输出功率约为同等条件下传统电机额定转矩和输出功率的3倍。理论研究表明该电机能以很小的功耗驱动泵进行液氢的传输和循环[28]。2012一2013年日本新能源与工业技术开发机构NED0、京都大学、九州大学和日立公司合作研究具有MgB2鼠笼绕组的超导感应/同步电机特性，并研制了由该超导电机驱动的液氢循环泵[2]。通过在所述超导电机的输出轴端添加叶轮构成一个超导液氢循环泵，并搭建液氢泵的传输试验系统测试电机转矩转速特性和泵的流量-转速特性（当电机转速为1800r/mi时，流量可达7L/mi)。图1-3()为具有MgB2全超导电机驱动的液氢泵传输系统[3o。(a)二硼化镁MgB2导条的鼠笼转子()超导液氢泵传输系统图1-3二硼化镁MgB鼠笼转子和超导液氢泵传输系统俄罗斯莫斯科国家航空航天研究所、德国耶拿光子技术研究院PHT在超导块材电机领域做了大量研究工作。二十多年来他们合作先后采用YBCO和Ag-BSCCO块材研制出功率为15W~37kW的磁滞型、永磁型和磁阻型等超导电机。1991一2001年，在总结采用YBCO块材的高温超导盘式电机研究现状和发展趋势的基础上，提出了采用YBCO块材的超导磁阻电机的三种转子结构，并对三种转子结构超导磁阻电机的功率因数、效率和输出功率进行仿真分析和实验验证。2004年，在总结用于飞行器低温燃料供应的低温液体泵的研究现状基础上，提出高温超导电机驱动的低温液体泵在飞行器低温燃料供应方面具有一定应用需求[3)。并针对高温超导体的磁通钉扎特性、抗磁性和磁滞特性研制了三种相应的超导电机，图1-4(a)和()分别为所研制的四极超导同步磁阻电机及其驱动的低温燃料泵测试平台。目前，该团队正在研发功率为250kW的超导磁阻电机，但尚未发现进一步的相关报道。为了适应高温超导电缆以及相应的新型低温冷却系统的研发需求，2012年莫斯科科尔扎诺夫斯基能源研究所提出将超导电机驱动的低温液体泵用于高温超导电缆液氯循环冷却系统的需求[32]。可见，超导电机驱动低温液体泵是未来6···试读结束···...
2022-05-04
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