一种磁悬浮轴承支撑的高温屏蔽熔盐泵

技术领域

本发明涉及熔盐泵领域，更具体地涉及一种磁悬浮轴承支撑的高温屏蔽熔盐泵。

背景技术

高温熔盐泵是熔盐堆或熔盐储热项目中的传热介质驱动设备，用于克服回路的系统阻力，是回路系统的心脏。目前，熔盐堆或熔盐储热项目中常用的高温熔盐泵为独立电机驱动的立式液下泵。但这种熔盐泵具有诸多缺点：第一，其采用采用联轴器与独立电机相连，使得整体结构较长。第二，独立电机和泵体具有各自的轴承，会产生较多噪声而使得振动较大，从而导致运行不稳定。并且，轴承需要油冷等附属措施，较多的轴承会使得整体结构维护复杂。第三，密封性能差，不能使泵体内外气氛完全隔绝，同时密封需要增加额外的动密封结构。

因此，为了满足熔盐介质安全可靠的输运要求，需要研发出一种结构紧凑、运行平稳可靠、维护方便且内外气氛隔绝性能良好的熔盐泵。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种磁悬浮轴承支撑的高温屏蔽熔盐泵，以满足结构紧凑、运行平稳可靠、维护方便且内外气氛隔绝性能良好的要求。

本发明提供的一种磁悬浮轴承支撑的高温屏蔽熔盐泵，包括具有主轴的转动组件以及自上而下依次排布的轴承筒体、连接筒体和环形泵体，所述主轴贯穿所述连接筒体并延伸至所述轴承筒体和所述环形泵体的内部，还包括：第一盖板，密封连接在所述轴承筒体的顶部；磁悬浮轴承组，设于所述轴承筒体的内部，包括上径向磁悬浮轴承、轴向止推磁悬浮轴承以及下径向磁悬浮轴承；屏蔽电机，设于所述轴向止推磁悬浮轴承和所述下径向磁悬浮轴承之间；屏蔽塞，设于所述连接筒体的内部。

进一步地，所述主轴的中上部自上而下依次安装有上径向磁悬浮轴承转子、轴向止推磁悬浮轴承转子、屏蔽电机转子和下径向磁悬浮轴承转子，下部则设有一叶轮。

进一步地，所述上径向磁悬浮轴承转子的上侧以及所述上径向磁悬浮轴承转子与所述轴向止推磁悬浮轴承转子之间设有第一轴套和第二轴套，所述轴向止推磁悬浮轴承转子与所述屏蔽电机转子之间以及所述屏蔽电机转子与所述下径向磁悬浮轴承转子之间设有第三轴套、第四轴套。

进一步地，所述轴承筒体由第一外壳体、第一内壳体和第一法兰焊接而成，且所述第一外壳体和所述第一内壳体之间设有冷却流道。

进一步地，所述第一内壳体的内部自上而下依次排布有上径向磁悬浮轴承定子、轴向止推磁悬浮轴承定子、屏蔽电机定子和下径向磁悬浮轴承定子，所述上径向磁悬浮轴承定子与所述轴向止推磁悬浮轴承定子依次坐落于所述第一内壳体内部，所述下径向磁悬浮轴承定子通过螺栓安装于所述第一法兰内部。

进一步地，所述屏蔽电机定子上套设有屏蔽套，所述屏蔽套的上部与所述轴向止推磁悬浮轴承定子的下端面相连，下部与所述下径向磁悬浮轴承定子的上端面相连。

进一步地，所述轴向止推磁悬浮轴承包括第一组件、第二组件以及推力盘，所述第一组件与所述推力盘的磁力面积大于所述第二组件与所述推力盘的磁力面积。

进一步地，所述上径向磁悬浮轴承的上方设有上保护轴承，所述下径向磁悬浮轴承的下方设有下保护轴承。

进一步地，所述上保护轴承与所述上径向磁悬浮轴承定子共用轴承壳体，所述下保护轴承与所述下径向磁悬浮轴承定子共用轴承壳体。

进一步地，所述轴向止推磁悬浮轴承与所述上保护轴承的轴向距离小于等于所述上径向磁轴承厚度的两倍。

进一步地，所述屏蔽塞由第五法兰、第二外壳体、第二内壳体、隔板和屏蔽块焊接而成，并具有若干屏蔽腔室，所述屏蔽腔室内填充有隔热材料。

本发明采用可减少轴向尺寸的内置屏蔽电机以及无摩擦的磁悬浮轴承，使得熔盐泵整体结构紧凑且运行平稳。本发明的磁悬浮轴承支撑的高温屏蔽熔盐泵采用静密封，同时能实现内外气氛环境完全隔绝的效果。并且，本发明的磁悬浮轴承便于拆卸，使得维护方便高效。

附图说明

图1是按照本发明的磁悬浮轴承支撑的高温屏蔽熔盐泵的结构示意图。

图2是图1中转动组件的结构示意图。

图3是图1中轴承筒体的结构示意图。

图4是图1中径向磁悬浮轴承的结构示意图。

图5是图1中轴向止推磁悬浮轴承的结构示意图。

图6是磁悬浮系统的工作原理图。

图7是图1中连接筒体的结构示意图。

图8是图1中环形泵体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，按照本发明一较佳实施例的磁悬浮轴承支撑的高温屏蔽熔盐泵，包括转动组件1以及自上而下依次排布的轴承筒体2、连接筒体3和环形泵体4，转动组件1贯穿连接筒体3并延伸至轴承筒体2和环形泵体4的内部。其中，轴承筒体2上设有第一盖板211，第一盖板211通过螺栓固定在轴承筒体2的顶部，且第一盖板211和轴承筒体2之间通过密封垫圈212(如图3所示)密封。如此，第一盖板211和轴承筒体2形成熔盐泵内外气氛隔绝的两个边界。并且，轴承筒体2的内部设有包括上径向磁悬浮轴承5、轴向止推磁悬浮轴承6和下径向磁悬浮轴承7的磁悬浮轴承组以及屏蔽电机8，连接筒体3中设有屏蔽塞9。

如图2所示，转动组件1包括一主轴11，主轴11的中上部延伸至轴承筒体2的内部，下部则延伸至环形泵体4的内部。主轴11的中上部自上而下依次安装有上径向磁悬浮轴承转子51、轴向止推磁悬浮轴承转子61、屏蔽电机转子81和下径向磁悬浮轴承转子71，并且主轴11的最上侧设有第一锁紧螺母111，第一锁紧螺母111的下方依次为上保护轴承27的轴承压盖110和上保护轴承27的轴承下盖12(上保护轴承27见图3)。上径向磁悬浮轴承转子51与轴向止推磁悬浮轴承转子61之间设有第一轴套13，在轴向止推磁悬浮轴承转子61与屏蔽电机转子81之间设置第二轴套14，在屏蔽电机转子81与下径向磁悬浮轴承转子71之间设有第三轴套15。第一轴套13、第二轴套14和第三轴套15用于支撑上述转子51、61、71、81，这些轴套和转子均通过过盈装配于主轴11上，最终通过主轴11顶端的第一锁紧螺母111予以锁紧。主轴11的下部设有叶轮16，叶轮16通过第二锁紧螺母17锁紧在主轴11上。叶轮16上设有按键18，用于传递扭矩。叶轮16的背部设有第四轴套19，用于背部熔盐的迷宫节流密封。

轴承筒体2为磁悬浮轴承组和屏蔽电机8提供安装位置，并对它们进行冷却。如图3所示，轴承筒体2由第一外壳体21、第一内壳体22和第一法兰23焊接而成。第一外壳体21和第一内壳体22之间设有冷却流道，外置循环的冷却介质通过进水口242流入该冷却流道，并通过出水口241流出，带走各轴承和屏蔽电机8工作时的产热及下部组件传上来的热量，以保证各轴承和屏蔽电机8能够适合的温度下工作。并且，为了给轴承筒体2内的各器件(轴承、电机、传感器等)供电，在第一外壳体21的上部设置接线盒25，在第一内壳体22的内部周向对称布置走线槽26。轴承筒体2内的各器件的电气线缆排列在走线槽26内，并穿过轴承筒体2上部的通孔接入接线盒25。在接线盒25内部的电气接插件安装面板251上还设有密封垫，用来隔绝轴承筒体2内外气氛。

第一内壳体22的内部自上而下依次排布有上径向磁悬浮轴承定子52、轴向止推磁悬浮轴承定子62、屏蔽电机定子82和下径向磁悬浮轴承定子72，上径向磁悬浮轴承定子52与轴向止推磁悬浮轴承定子62通过一挡圈213隔开，且第一内壳体22的内壁上设有台阶状的沉台，使得第一内壳体22在沉台的上下两侧的部分的内径不同，轴向止推磁悬浮轴承定子62安装在第一内壳体22内部的沉台的支承面上。另外，为了防止熔盐蒸汽腐蚀屏蔽电机8的电子线圈，屏蔽电机定子82上套设有屏蔽套83，该屏蔽套83的上部与轴向止推磁悬浮轴承定子62的下端面相连，下部与下径向磁悬浮轴承定子72的上端面相连。

上述定子52、62、72、82的位置与安装在主轴11上的转子51、61、71、81的位置一一对应，且相对应的定子和转子之间具有间隙，从而分别构成上径向磁悬浮轴承5、轴向止推磁悬浮轴承6、下径向磁悬浮轴承7和屏蔽电机8。其中，上径向磁悬浮轴承5和下径向磁悬浮轴承7为转动组件1提供径向力支承，轴向止推磁悬浮轴承6为转动组件1提供轴向定位以防止转动组件1的轴向窜动，屏蔽电机8提供各转子旋转的动力。

在本实施例中，上径向磁悬浮轴承5的上方设有上保护轴承27，下径向磁悬浮轴承7的下方设有下保护轴承28，上保护轴承27与上径向磁悬浮轴承定子52共用轴承壳体，下保护轴承28与下径向磁悬浮轴承定子72共用轴承壳体。上保护轴承27放置于上保护轴承座271上，并通过上保护轴承压盖272固定，且上保护轴承座271通过端部锁紧环273通过弹簧压紧固定于第一内壳体22内部。需要说明的是，上保护轴承座272同时也作为上径向磁悬浮轴承5的定子壳体。下保护轴承28放置于第二法兰281上，第二法兰281为组合式法兰，其通过螺栓连接至第一法兰23上，用于支撑及定位下径向磁悬浮轴承7，并充当下保护轴承28的轴承座，同时充当下径向磁悬浮轴承7的定子壳体，方便下保护轴承28的拆卸和维护。保护轴承27、28起到断电时的轴系支撑作用和冲击保护作用，在熔盐泵运行时与磁悬浮轴承5、6、7不接触。由于设有上保护轴承27，对应地，在主轴11端部设有轴承压盖110(参见图2)，且轴承压盖110通过第一锁紧螺母111锁紧，以通过保护轴承27承受轴向力。另外，轴承筒体2上端部的外侧设置有吹扫气管29，该吹扫气管29沿定转子部件的间隙向下吹扫。

结合图1-图3可以看出，磁悬浮轴承组和屏蔽电机8设置在远离叶轮16的位置处，这种设置可以降低各磁悬浮轴承与屏蔽电机8的工作温度，避免受高温介质影响而使熔盐泵失效。并且，上径向磁悬浮轴承5与叶轮16的距离最长，使得在控制叶轮16转子平衡时，上径向磁悬浮轴承5所需施加给叶轮16转子的力更小，从而使得所需电流更小，节约成本。需要说明的是，在其他实施例中，上径向磁悬浮轴承5和轴向止推磁悬浮轴承6的位置也可以根据需要进行互换。

如图4所示，为了尽可能地减小涡流，径向磁悬浮轴承定子52、72的定子铁芯以及与铁芯相对的转子部位(即径向磁悬浮轴承转子51、71)采用叠片结构，且各层之间绝缘。本发明使用8极径向磁轴承，使得每两个磁极对可依据常用于力学中的笛卡尔坐标系进行设计，以简化轴承控制，垂直于转子旋转轴的平面上极性是NSSNNSSN序列或NSNSNSNS序列。

需要说明的是，本发明中的上径向磁悬浮轴承5的轴向长度可以小于、等于或大于下径向磁悬浮轴承7。在本实施例中，上径向磁悬浮轴承5的轴向长度小于下径向磁悬浮轴承7的轴向长度。因为下径向磁悬浮轴承7的安装位置可以设置到转子重心处附近，以利于控制转子，而由于靠近转子重心附近处的径向磁轴承需要输出更大的力，因此需要增加下径向磁悬浮轴承7的轴向长度，即增加下径向磁悬浮轴承7内部定子铁芯与轴承转子71间的磁力面积来获得更大的磁力。

如图5所示，轴向止推磁悬浮轴承6包括第一组件601和第二组件602以及磁力吸引推力盘603，第二组件602用于调整轴向位移，推力盘603用于吸引转子悬浮。在本实施例中，第一组件601与推力盘603的磁力面积大于第二组件602与推力盘603的磁力面积(即第一组件601的体积大于第二组件602)，以增加第一组件601的轴向磁力。应当理解，在满足转子悬浮控制的条件时，轴向止推磁悬浮轴承的组件601、602的体积大小可根据实际需要进行设置。

另外，轴向止推磁悬浮轴承6与上保护轴承27安装在同一侧，且与上保护轴承27的轴向距离应当小于等于上径向磁轴承5的两倍厚度。理由如下：

由于轴向止推磁悬浮轴承6位于上保护轴承27的下方，相对更靠近叶轮15，因此熔盐泵工作时，轴向止推磁悬浮轴承6的温度高于上保护轴承27。根据热胀冷缩效应，若轴向止推磁悬浮轴承6与上保护轴承27的轴向距离过远，当轴向止推磁悬浮轴承定子62与轴向止推磁悬浮轴承转子61的间隙较小时，轴向止推磁悬浮轴承6膨胀后与轴向止推磁悬浮轴承转子61的间隙会小于上保护轴承27与转子的间隙，此时上保护轴承27在轴向上失去保护作用。

根据麦克斯韦电磁吸力公式：

其中，F为电磁力，B是磁感应强度，S是磁极面积，μ

其中，N是线圈匝数，I是电流，δ是气隙。因此：

由上式可知，电磁的吸引力与电流的二次方成正比，与气隙的二次方成反比。因此轴向止推磁悬浮轴承6与轴向止推磁悬浮轴承转子61的气隙越大，吸力越小。为了使得轴向止推磁悬浮轴承6提供足够的轴向力控制转子，气隙必须设计的很小。因此为避免热胀冷缩效应使上保护轴承27失去轴向保护功能，本发明将轴向止推磁悬浮轴承6与具有轴向保护功能的上保护轴承27安装在同一侧，且轴向距离设置为小于等于上径向磁轴承5的两倍厚度。

本发明的高温熔盐泵在运行之前，先给轴向止推磁悬浮轴承6通电，控制转动组件1悬浮。再给上下径向磁悬浮轴承5、7通电，控制转动组件1的径向位置。最后给屏蔽电机8通电，控制转动组件1旋转。转动组件1旋转的同时，通过磁悬浮轴承5、6、7来控制转动组件1的位置及振动，最终以规定的转速泵送出高温高压的熔盐。整个磁悬浮系统包括各转子、径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、传感器、功率放大器和控制器，其工作原理如图6所示：传感器检测转子相对于参考位置的偏移，控制器根据偏移量给出一个控制信号，该控制信号通过功率放大器后转变为控制电流，对应的径向磁轴承或轴向磁轴承根据控制电流的变化产生相应的电磁场，最终所形成的磁场力始终维持着转子悬浮在设定的位置上。

连接筒体3用于连接轴承筒体2与环形泵体4，如图7所示，连接筒体3为两端具有法兰的筒型部件。具体地，连接筒体3由第三法兰31、筒体壁32以及第四法兰33焊接而成。筒体壁32上分层开设有通气孔34，且第四法兰33处开设有熔盐排出孔35和熔盐连通孔36。熔盐泵工作时，熔盐液位淹没第四法兰33，最高液位稍高于熔盐连通孔36。

屏蔽塞9整体位于连接筒体3的内部，在熔盐泵工作时处于气体环境中，起到热屏蔽的作用。屏蔽塞9由第五法兰91、第二外壳体92、第二内壳体93、隔板94和屏蔽块95焊接而成，并且第五法兰91、第二外壳体92、第二内壳体93、隔板94和屏蔽块95组合形成若干不同的屏蔽腔室96。其中，第五法兰91通过螺栓固定在第二法兰23上，屏蔽腔室96内填充有隔热材料。为了保持屏蔽腔室96内外气体的压力一致，在内外壳体92、93的对应于屏蔽腔室96的任一位置开设有通气孔。位于屏蔽塞9下部的屏蔽块95为具有一定厚度的实体，实体内部填充的材料可根据辐射剂量进行选择。屏蔽块95也可采用不同厚度的整体屏蔽块，整体屏蔽块材料与屏蔽塞9主体材料一致，起到辐射屏蔽的作用。

如图8所示，环形泵体4包括第二盖板41、环形壳体42、进口管43以及出口管44。第二盖板41的内环上设有密封齿，用于形成迷宫密封，对高压熔盐进行节流。第二盖板41的下表面设有径向导叶45，且径向导叶45与进口管43螺栓连接。另外，为了消除预旋，进口管43的内部设有导流隔片46。上述这些部件共同组成熔盐的包罗壳体，熔盐流向可参见图5的箭头所指：熔盐通过进口管43吸入，经过叶轮15加压、径向导叶45扩压和环形壳体42收集后，从出口管44泵出。

本发明的磁悬浮轴承支撑的高温屏蔽熔盐泵采用了可减少轴向尺寸的内置屏蔽电机和无摩擦的磁悬浮轴承，并且整泵的密封均为无动密封，因此具有结构紧凑、运行平稳、维护方便、无磨损的特点，同时能实现泵机组内外气氛环境完全隔绝的效果。本发明的熔盐泵可实现在800℃熔盐介质下连续运转，可应用于熔盐堆及熔盐储能装置中的熔盐驱动，泵送介质适用于氟盐、氯盐、硝酸盐、碳酸盐或多元熔盐介质，同时也可应用于高温液体介质如导热油，还可应用于高温有害液体介质的输运。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。