潜液式液氢泵的研制.docx

第十一届全国低温工程大会论文集·335·潜液式液氢泵的研制李强，李青(中国科学院理化技术研究所，北京100190)摘要：针对氢能源系统的使用情况，研制了潜液式安全液氢泵包括低温电机在内的整台液氢泵直接浸没在液氢中运 行，与外界空气无任何联系，彻底隔绝了空气，保证了氢系统的安全文中介绍了低温液氢泵的结构特点，实验系统，以及实 验结果研制的液氢泵压差可达0．7MPa，流量可达6 Yr／分以上关键词：液氢泵；潜液式；低温电机Development of Submerged Liquid Hydrogen PumpLi Qiang，Li Qing(Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)Abstract：Submerged liquid hydrogen pump WaS develeed．The whole pump with its motor runs in liquid hydrogen．There is no dynamic seal between motor and pump．The characteristics of pump，experimental device，and results are described in this paper． Pressure head is 0．7MPa，and flow rate is grater than 6 liter／rain．Keywords：Liquid hydrogen pump，Submerged，Cryogenic motor1前言2低温液氢泵总体方案氢能源作为一种新的能源体系已经受到世界液氢泵由低温驱动电机与泵本体两个关键部 各国的普遍重视，贮存与运输是氢能源系统最基本件组成，将二者集成一起置于杜瓦内，其特点是： 的功能。

目前氢能贮运有三种基本的方式：压缩氢(1)体积小；(2)几乎无附加漏热；(3)无动密 气、贮氢材料吸附氢气、液氢作为能源体系规模 封泄漏问题，安全有保障；(4)有助于解决低温液氢 使用氢能源，贮氢密度成为实用化的关键液氢贮 泵面临的气蚀现象 能密度高，是目前唯一可以满足未来贮运密度需求经过比较分析，我们选用往复式的活塞泵，这的方法种泵适于流量较小压差变化较大的场合常规的 利用泵对液体燃料进行传输分配是液体燃料 曲柄连杆机构驱动的活塞泵，活塞需要承受侧向 系统最基本的操作现有的液氢泵分为两类，一类 力，寿命受到影响本文研制的液氢泵，增加了一 是采用高压气体驱动动力透平，然后通过动力传动 个导向缸及导向缸活塞，由导向缸活塞在导向缸里 轴连接到泵，从而驱动低温泵工作；另一类是采用 面承受侧向力在工作缸里面进行往复运动的活 电机，通过动力传动轴驱动泵这两类液氢泵均是 塞不承受侧向力，减少了活塞与工作缸壁的磨损， 采用驱动部件放在室温区，泵的本体放置在低温 增加了泵的寿命由于泄漏量和泄漏面积成正比， 区，它们之间通过动力传动轴连接这种结构的泵 导向缸活塞与活塞之间通过一根细活塞杆连接，减 已经可以运行。

但是存在两个弱点，一是传动轴的 少了泄漏量图1是液氢泵的结构示意图，图2是 动密封结构不易保证氢的密封，二是动力传动轴结 液氢泵的照片构尺寸大及漏热损失大 本文研制的液氢泵包括低温驱动电机整体浸没在液氢中运行，与外界空气无任何联系，彻底隔 绝了空气，保证了氢系统的安全液氢泵设计指标为：工作介质：液氢；工作温度：20K；压差>0．5MPa；流量>5升／分钟；转速：l：低温电机2：曲轴3：连杆4：导向缸5：导向缸活塞6：400～1000rpm可调活塞杆7：工作缸8：工作缸活塞9：出口阀10：入13阀图l低温液氢泵结构示意图·336·低温与超导心，由漆包线和低温胶在真空浇注室浇注而成每 块磁铁托盘上有若干块N、s极性交替排列的磁铁 磁铁托盘、磁铁、前端轴、后端轴和连接筒一起作为 转动部件主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙和与之相 对的另一极，沿周向经过转子轭，再穿过相邻的磁 极和轴向气隙，最后沿转子轭部闭合控制器根据 位置传感器检测的转子位置信号，输出相应的电流 给绕组供电，驱动电机旋转图2液氢泵照片盘式电机的转子旋转时具有风扇作用，有利于电 机的散热低温环境运行的电机比室温运行的电机3低温电机的结构特点具有更好的冷却条件。

铜线圈的电阻率在低温下比低温液氢泵的工作离不开动力源用机械结 常温下低很多(液氮温度下约为常温的1／10，液氢温 构将室温区的常规方式的动力源传人低温区，虽然度下约为常温的1／100)，使得铜耗大大降低 能够实现驱动要求，但是如能实现低温下的直接驱这种电机的优点是：采用无铁心电枢结构，不 动，将大大简化系统从原理上来说，电机的工作存在圆柱形电机由于齿槽引起的转矩脉动，转矩平 过程是基于电磁原理，温度对其工作有影响，但是稳；不存在磁滞和涡流损耗，可达到较高的效率，这 没有限制然而实际的低温电机不是简单地将常点对于直接浸没在低温液体内工作的低温电机尤 规电机变换到低温区运行它带来了一系列困难，其重要；电枢绕组电感小，换向性能好；电枢绕组两 但是也提供了一些新的特性低温下材料的性质 端面直接与气隙接触，有利于电枢绕组散热，使得发生了变化；另外，加工装配工作在常温下完成，而 绕组容易保持低温下的低电阻率，从而获得较高效 运行过程是在低温下，是否能够达到设计的要求需 率；由于无铁心，电枢绕组转动惯量小，具有优良的 要实验验证；运动部分无润滑剂，运行工况，寿命等 快速反应性能，可用于频繁启动和制动的场合。

轴 等受到影响但是低温下的一些特性也带来了改 向尺寸短，特殊场合应用时可节约安装空间 善性能的可能性，如低温环境具有良好的冷却条4试验系统及试验结果 件；从室温到液氢温区，铜的电阻率下降了很多等等所以，低温电机需要从低温工作状态实际出 试验系统如图4所示，主要由以下部分组成 发，从低温工程的角度和低温环境的实际情况人手(1)80升带平口法兰的低温杜瓦，其法兰上的 进行优化设计接口设备满足试验的要求，并设置有相应的阀f-j；本文研制的低温电机使用的是盘式无铁心电(2)C∞液氢槽车(作为液氢加注及补加容器)；(3) 机，如图3所示： 液氢真空加注管、排放管；(4)液面计；(5)流量计， 流量1—10L／min，精度±0．5％；(6)压力表Pl，量程0—1．6MPa，精度0．4级(测量稳压器压力及泵 的出口压力)；(7)压力表P：，量程0—0．1MPa，精度 0．4级(测量液池压力及泵的进口压力)；(8)氢气 气源(用于吹除)；(9)氦气气源(给稳压器提供气 源)；(10)氮气气源(给引线接口提供氮气保护)； (11)220V，10A电源插座(给电机驱动电路，流量显 示仪表供电)为了保证安全，80升液氢杜瓦设置防静电接 地，液氢试验在协作单位专门的防爆试验台上 图3低温电机结构图进行。

双转子和单定子构成双气隙，电枢无槽无铁第十一届全国低温工程大会论文集·337·氯气瓶氯气瓶氢气瓶藏氢槽车实验社瓦Vl：氢气减压阀；V2：氢气增压阀；V3：放空阀；V4：氦气减压阀；V5：氮气加压阀；V6：氮气减压阀；V7：氮气加压阀(用于 引线接121氮气保护)图4液氢泵试验系统流程图液氢泵试验结果如表1所示流量可达6．3 Yl-／分以上 表1液氢泵试验结果5结论 序号压力／MPa流量／1．min1转j塞／rpm1O．051．4310完成了潜液式低温液氢泵及其试验系统的研 20．12．0440制整台液氢泵连同低温驱动电机一起浸泡在液 3O．23．4 62040．34．5810氢里面工作液氢泵转速连续可调，泵压差可达0．5O．44．99207Mpa，流量可达6升／分60．55．29∞7O．66．O1260参考文献80．76．31320 [1]李青．低温动力机械的研制——热机研制的系统动力学 从表1看出，液氢泵转速从310～1320rpm连续方法．武汉：华中理工大学博士论文，1996． 可调在980rpm时压差为0．5MPa，流量为5．2升／[2]李青，李强．氢能输运中安全液氢泵的研制[R]．国家高 分。

随着转速进一步提高，压差可达0．7MPa以上，技术研究发展计划(863计划)课题研究报告．2009．。