超导输电系统及其超导离心压缩机

技术领域

本申请涉及超导输电技术领域，特别是涉及超导输电系统及其超导离心压缩机。

背景技术

超导电缆是利用超导材料在其临界温度以下零电阻特性而设计制造的。具有通流密度大、损耗低的优点，可以制作紧凑型大容量电缆。超导电缆与传统电缆相比，不但可以降低能量损耗，还可以在较低电压的情况下提供更大容量的输电能力，从而简化换流设备和降低输配电系统的绝缘要求。超导电缆一般浸泡在-196℃的液氮中，通过低温维持超导状态，实现无损耗的电能量传输。

相关技术中，一般用于对液氮制冷的压缩机采用多机并列的冷头形式，以不断的对液氮循环系统制冷，使得液氮保持在低温状态。

然而，压缩机采用多机并列的冷头形式，结构复杂，占地面积大。

发明内容

基于此，有必要针对压缩机采用多机并列的冷头形式，结构复杂，占地面积大的问题，提供一种超导输电系统及其超导离心压缩机。

一种超导离心压缩机，所述超导离心压缩机包括：

主壳体，所述主壳体上开设有氮气进口和液氮出口；

吸气加压机构，与所述氮气进口连通，所述吸气加压机构包括超导电机和超导叶轮，所述超导电机用于驱动所述超导叶轮转动，所述吸气加压机构用于吸入氮气并对氮气加压并升温；

换热管，设置在所述主壳体内，所述换热管的进口与所述吸气加压机构连通，经过所述超导叶轮加压并升温后的高压氮气用于在换热管中降温；以及

绝热膨胀机构，所述绝热膨胀机构的进口与所述换热管的出口连通，经过所述换热管降温后的高压氮气用于在所述绝热膨胀机构中降压以部分冷凝为液氮，所述绝热膨胀机构的出口与所述液氮出口连通。

在其中一个实施例中，所述绝热膨胀机构具有缩候喷管结构，所述缩候喷管结构用于将所述高压氮气喷出并转化为低压氮气，所述缩候喷管结构的喷射方向朝向所述超导电机。

在其中一个实施例中，所述绝热膨胀机构包括呈封闭结构的膨胀器壳体和设置在所述膨胀器壳体内的膨胀管，所述膨胀管的底部与所述膨胀器壳体连接，所述缩候喷管结构位于所述膨胀管的上端，所述缩候喷管结构与所述膨胀器壳体的顶壁间隔设置，所述绝热膨胀机构的出口开设在所述膨胀器壳体的底壁上，所述膨胀管的下端与所述绝热膨胀机构的进口。

在其中一个实施例中，所述膨胀器壳体和所述膨胀管均为双层真空结构，所述吸气加压机构设置在所述膨胀器壳体的上部，所述缩候喷管结构正对的所述膨胀器壳体的双层真空结构之间设置有导热体。

在其中一个实施例中，所述超导电机包括绝热壳体和设置在所述绝热壳体内的超导线圈，所述超导叶轮包括转轴和设置在所述转轴一端的叶片，所述转轴外设置有超导层，所述转轴伸入至所述超导线圈内。

在其中一个实施例中，所述吸气加压机构包括叶轮上壳和叶轮下壳，所述叶片设置在所述叶轮上壳和叶轮下壳之间，所述叶轮上壳和所述叶轮下壳均为双层真空结构。

在其中一个实施例中，所述叶轮上壳的轴心位置开设有第一通孔，所述第一通孔与所述氮气进口连通，所述叶轮上壳的底部开设有叶轮容纳腔，用于容纳所述叶轮，所述叶轮上壳的周侧开设有多个第二通孔，所述换热管的一端伸入至所述第二通孔，以与所述叶轮容纳腔连通。

在其中一个实施例中，所述换热管的数量为多个，多个所述换热管绕设在所述绝热膨胀机构的周侧，所述主壳体包括换热管固定盘，所述换热管固定盘位于所述绝热膨胀机构的底部，所述换热管固定盘上开设有多个第三通孔，所述换热管远离所述吸气加压机构的一端伸入所述第三通孔内。

在其中一个实施例中，所述主壳体包括底壳组件，所述底壳组件包括第一底面和第二底面，所述第一底面与所述第二底面之间抽真空，所述换热管固定盘设置在所述第一底面上，所述换热管固定盘的中部开设有第四通孔，所述第一底面的中部向远离所述换热管固定盘一侧凸起，所述绝热膨胀机构的进口与所述第四通孔连通。

一种超导输电系统，包括液氮循环系统和超导离心压缩机，所述超导离心压缩机的液氮出口与所述液氮循环系统的进口连通，所述超导离心压缩机的氮气进口与所述液氮循环系统的出口连通。

上述超导输电系统及其超导离心压缩机，超导离心压缩机的超导叶轮高速转动时，通过氮气进口吸入氮气，并且对吸入的氮气加压并且升温，使得氮气转变为高压氮气，高压氮气进入换热管中进行换热后，温度降低，再从绝热膨胀机构中减压喷出，经过减压的部分氮气冷凝为液氮从液氮出口重新回到至超导电缆的液氮管中，以此循环。即通过本申请超导离心压缩机的设置，能够使得液氮管中的氮气重新冷凝为液氮，且无需多机并列的冷头形式，结构简单，占地面积小。

附图说明

图1为一实施例中超导离心压缩机的剖视图。

图2为一实施例中绝热膨胀机构的剖视图。

图3为一实施例中超导电机的剖视图。

图4为一实施例中超导叶轮的结构示意图。

图5为一实施例中叶轮上壳的结构示意图。

图6为一实施例中换热管固定盘的结构示意图。

图7为一实施例中换热管的结构示意图。

图8为一实施例中底壳组件的结构示意图。

附图标记：100、主壳体；110、氮气进口；120、液氮出口；130、底壳组件；131、第一底面；132、第二底面；140、换热管固定盘；141、第三通孔；142、第四通孔；150、氦气进口；160、氦气出口；170、连接管；210、超导电机；211、绝热壳体；212、超导线圈；220、超导叶轮；221、转轴；222、叶片；230、叶轮上壳；231、第一通孔；232、叶轮容纳腔；233、第二通孔；240、叶轮下壳；300、换热管；400、绝热膨胀机构；410、膨胀器壳体；420、膨胀管；421、缩候喷管结构；440、绝热膨胀机构的出口；450、绝热膨胀机构的进口。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1，本申请一实施例提供的超导离心压缩机，超导离心压缩机包括主壳体100、吸气加压机构、换热管300以及绝热膨胀机构400。主壳体100上开设有氮气进口110和液氮出口120。吸气加压机构与氮气进口110连通，吸气加压机构包括超导电机210和超导叶轮220，超导电机210用于驱动超导叶轮220转动，吸气加压机构用于吸入氮气并对氮气加压并升温。换热管300设置在主壳体100内，换热管300的进口与吸气加压机构连通，经过超导叶轮220加压并升温后的氮气用于在换热管300中降温。绝热膨胀机构的进口450与换热管300的出口连通，经过换热管300降温后的高压氮气用于在绝热膨胀机构400中降压以部分冷凝为液氮，绝热膨胀机构的出口440与液氮出口120连通。

在实际使用时，超导电缆中液氮管中的液氮在长距离输送时，热量损失，部分液氮转化为氮气，超导电缆中液氮管的回流管与超导离心压缩机的氮气进口110连接。

在本实施例中，超导离心压缩机的超导叶轮220高速转动时，通过氮气进口110吸入氮气，并且对吸入的氮气加压并且升温，使得氮气转变为高压氮气，高压氮气进入换热管300中进行换热后，温度降低，再从绝热膨胀机构400中减压喷出，经过减压的部分氮气冷凝为液氮从液氮出口120重新回到至超导电缆的液氮管中，以此循环。即通过本申请超导离心压缩机的设置，能够使得液氮管中的氮气重新冷凝为液氮，且无需多机并列的冷头形式，结构简单，占地面积小。

在一些实施例中，结合图2，绝热膨胀机构400具有缩候喷管结构421，缩候喷管结构421用于将高压氮气喷出并转化为低压氮气，缩候喷管结构421的喷射方向朝向超导电机210。

在本实施例中，缩候喷管结构421的喷射方向朝向超导电机210，并且缩候喷管结构421用于将高压氮气喷出并转化为低压氮气，即通过缩候喷管结构421喷射的低温氮气即能够使得超导电机210保持在超导状态。即本申请将超导电机210与绝热膨胀机构400集成设置，直接通过低温氮气对超导电机210进行降温，无需设置其他降温机构，同时还能通过超导电机210效率高的优点提高超导离心压缩机的制冷效率，从而无需设置多台并列的制冷机冷头。

进一步的，绝热膨胀机构400包括呈封闭结构的膨胀器壳体410和设置在膨胀器壳体410内的膨胀管420，膨胀管420的底部与膨胀器壳体410连接，缩候喷管结构421位于膨胀管420的上端，缩候喷管结构421与膨胀器壳体410的顶壁间隔设置，绝热膨胀机构的出口440开设在膨胀器壳体410的底壁上，膨胀管420的下端为绝热膨胀机构的进口450。

在实际运行过程中，经过换热管300降温后的高压氮气从膨胀管420的下端进入至膨胀管420中，并且从缩候喷管结构421中喷出，部分氮气冷凝为液氮，由于缩候喷管结构421与膨胀器壳体410的顶壁间隔设置，即冷凝后的液氮在膨胀器壳体410的顶壁的阻挡作用下沿着膨胀管420的外壁以及膨胀器壳体410的内壁向下流动，然后从绝热膨胀机构的出口440经液氮出口120，最终回到至液氮导管中。

具体的，膨胀器壳体410和膨胀管420均为双层真空结构，吸气加压机构设置在膨胀器壳体410的上部，缩候喷管结构421正对的膨胀器壳体410的双层真空结构之间设置有导热体。

在本实施例中，由于膨胀器壳体410内的液氮温度和膨胀管420内的氮气温度以及膨胀器壳体410外的液氮温度均不同，因此，为了防止不同位置的氮气之间温度的相互传递，膨胀器壳体410和膨胀管420均为双层真空结构，用于起到隔绝热传导作用。同时为了由于缩候喷管结构421与超导电机210之间设置有膨胀器壳体410，膨胀器壳体410为双层真空结构，因此，缩候喷管结构421正对的膨胀器壳体410的双层真空结构之间设置有导热体。导热体可以是铜块，铁块等金属或者合金。导热体用于将缩候喷管结构421喷口的温度传递至超导电机210。

其中，双层真空结构即两层壳体，两层壳体中间抽真空。

在一些实施例中，结合图1，主壳体100上还开设有氦气进口150和氦气出口160，氦气进口150位于氦气出口160的下方。氦气从氦气进口150进入至主壳体100内，对主壳体100内的换热管300中的氮气进行降温后，从氦气出口160流出。主壳体100为双层真空结构，两层壳体之间填充有珍珠岩，以实现内外部的绝热。

在一些实施例中，结合图3和图4，超导电机210包括绝热壳体211和设置在绝热壳体211内的超导线圈212，超导叶轮220包括转轴221和设置在转轴221一端的叶片222，转轴221外设置有超导层，转轴221伸入至超导线圈212内。

其中，每片叶轮呈近似梯形结构，沿着转轴221的径向向外，叶轮的沿竖直方向的横截面依次减小。多个叶轮均匀设置在转轴221的周侧以形成伞状结构。

超导电机210包括绝热壳体211和设置在绝热壳体211内的超导线圈212，以形成超导电机210的定子部分。转轴221插入至超导线圈212内，以形成电机的转子部分。绝热壳体211可以可以是双层真空结构，超导叶轮220整体由316不锈钢制成。

进一步的，结合图1和图5，吸气加压机构包括叶轮上壳230和叶轮下壳240，叶片222设置在叶轮上壳230和叶轮下壳240之间，叶轮上壳230和叶轮下壳240均为双层真空结构。

叶片222设置在叶轮上壳230和叶轮下壳240之间，当叶轮转动时，用于在叶轮上壳230和叶轮下壳240之间对氮气进行加压，使得从氮气进口110进入的低压氮气变为高压氮气。

具体的，叶轮上壳230的轴心位置开设有第一通孔231，第一通孔231与氮气进口110通过连接管170连通，叶轮上壳230的底部开设有叶轮容纳腔232，用于容纳叶轮，其中，叶轮容纳腔232的形状与叶轮的形状相匹配。叶轮上壳230的周侧开设有多个第二通孔233，换热管300的一端穿过第二通孔233，以与叶轮容纳腔232连通。

在本实施例中，换热管300的一端穿过第二通孔233，以与叶轮容纳腔232连通，且叶轮容纳在叶轮容纳腔232内，即高压氮气能够从叶轮容纳腔232进入至换热管300中，同时叶轮上壳230还能起到对换热管300的固定作用。

超导电机210位于叶轮下壳240与膨胀器壳体410之间。

在一些实施例中，结合图1、图6以及图7，换热管300的数量为多个，多个换热管300绕设在绝热膨胀机构400的周侧，主壳体100包括换热管固定盘140，换热管固定盘140位于绝热膨胀机构400的底部，换热管固定盘140上开设有多个第三通孔141，换热管300远离吸气加压机构的一端伸入第三通孔141内。

即换热管300的一端与叶轮上壳230焊接，换热管300的另一端与换热管固定盘140焊接，同时换热管300绕设在绝热膨胀机构400的周侧，结构紧凑。具体的，换热管300束由外径30mm，内径25mm的316不锈钢管制成。

进一步的，结合图1、图6以及图8，主壳体100包括底壳组件130，底壳组件130包括第一底面131和第二底面132，第一底面131与第二底面132之间抽真空，换热管固定盘140设置在第一底面131上，换热管固定盘140的中部开设有第四通孔142，第一底面131的中部向远离换热管固定盘140一侧凸起，绝热膨胀机构的进口450与第四通孔142连通。

在本实施例中，第一底面131的中部向远离换热管固定盘140一侧凸起，以使得换热管固定盘140与第一底面131之间具有间隙，同时换热管300远离吸气加压机构的一端伸入换热管固定盘140的第三通孔141内，即经过换热管300降温后的氮气能够从换热管固定盘140与第一底面131之间的间隙依次经过第四通孔142、绝热膨胀机构的进口450流通至绝热膨胀机构400中。其中绝热膨胀机构的进口450即膨胀管420下端。

在实际使用时，超导叶轮220吸气，保持氮气进口110为低压，吸入中继换热器输入的压力为80kpa、温度为-150℃氮气，通过超导叶轮220加压后升温，变为高压氮气，通过多个换热管300后降温变为压力为600kpa，温度为-160℃的氮气，多个换热管300通过氦气循环泵，与LNG换热器实现热交换。绝热膨胀机构400内有缩候喷管结构421，通过缩候喷管结构421将压力为600kpa，温度为-160℃的氮气变成压力为90kpa的低压氮气，在减压过程中，部分氮气冷凝为液氮，经由液氮出口120流出，重新进入液氮循环系统中。由于液氮出口120处始终保持90kpa的压强，可保证液氮系统中的温度不高于-196℃。超导叶轮220由超导电机210带动旋转，超导电机210通过缩候喷管结构421处提供的冷源保持超导态。

本申请一实施例还提供了一种超导输电系统，包括液氮循环系统和超导离心压缩机，超导离心压缩机的液氮出口120与液氮循环系统的进口连通，超导离心压缩机的氮气进口110与液氮循环系统的出口连通。即通过超导离心压缩机可实现对液氮循环系统中的液氮的降温。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。