可用于氘氚气体输运的气体循环增压泵性能测试.pdf
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1、Jul.20232023年7 月VACUUM空真Vol.60,No.4第6 0 卷第4期可用于氛氙气体输运的气体循环增压泵性能测试易均,周帆,邓合,岳晓斌,王宝瑞,韩志甲,王进(中国工程物理研究院材料研究所,四川绵阳621908)摘要:针对ITER氛循环增压输运需求,自主研制了气体循环增压泵,包括主泵和后级泵。主泵采用斜盘式往复柱塞结构,3个往复柱塞完成五级压缩,达到粗真空和增压效果。后级泵采用摇摆柱塞式结构,以增加流量并降低极限真空,使入口压力达到50 Pa的同时出口压力仍能达到0.4MPa。使用全金属双层波纹管完全隔离主轴系统和工作气腔,保持了输运气体的纯净度。使用金属C型密封圈作为气腔与
2、外部环境的静密封,整机密封漏率低于1.0 10-7 Pam/s。测试结果表明,自研气体循环增压泵可以满足氛循环增压输运要求。关键词:CFETR;I T ER;氙;辐射气体;洁净真空;增压泵;波纹管泵中图分类号:TL353.12文献标识码:A文章编号:10 0 2-0 32 2(2 0 2 3)0 4-0 0 6 9-0 6doi:10.13385/ki.vacuum.2023.04.13Development of Circulating and Boosting Pump for Tritium TransportationYI Jun,ZHOU Fan,DENG He,YUE Xiao-b
3、in,WANG Bao-rui,HAN Zhi-jia,WANG Jin(Institute of Materias,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621908,China)Abstract:For the requirement of tritium gas transportation,a set of bellow pump is developed,which includes a boosting pumpand a rocking pump.Swashplate-rod with piston structure is
4、developed for the boosting pump,in which three reciprocatingplunger pistons are adopted to get high compression ratio to deal with the low vacuum and booster.Rocking piston is adopted inrocking pump to increase the gas flow and decrease the vacuum pressure,which ensure the inlet pressure is 50Pa and
5、 outletpressure is O.4MPa.Double bellows are used to separate the tritium from the shaft system,which can prevent the transporting gasfrom any pollution.Helicoflex sealing is used to separate the tritium from the environment,and leaking ratio of 1.0 x10-7Pam/sis achieved.The self developed circulati
6、ng and boosting pump can meet the request of tritium boosting transportation.Key words:CFETR;ITER;tritium;radiant gas;clean vacuum;booster pump;bellow pump氙是中国聚变工程实验堆(CFETR)氙工厂的核心材料1-3,相关操作一般是闭合循环回路,涉及氙的回收、循环以及高压暂存等工序。气体循环增压泵是氙输运操作的核心基础设备1-4。其服役基本要求如下:1)氙的辐射特性要求泵近零泄漏、密封可靠,服役后免维护运行4;2)氙的化学性质要求气腔内无有机物
7、,材料为全金属5;3)氙工厂的工艺性和经济性6 要求泵出口在达到较高压力时,人口仍能达到较低的真空压力,减少容器中的氙残留。目前,单台泵结构基本无法同时满足上述服役要求,实际生产中工厂普遍采用组合泵结构,主要有两种方案7-8:1)增压泵搭配真空泵结构,即以隔膜泵或波纹管密封柱塞泵作为增压泵,搭配干式涡旋真空泵或者水银泵作为真空泵,联合使用实现抽空增压功能;2)气体循环增压泵作为主泵搭配后级泵结构,即单台主泵实现抽空增压功能,后级泵进一步降低入口真空压力,并提升流量等技术指标。隔膜式结构泵9-10 通过隔膜片的弯曲变形,驱动隔膜片与阀头之间的气室周期性扩展和压缩,其工作气腔与驱动部分被三层隔膜完
8、全隔离,密封漏率能达到1.0 10-7 Pa?m/s,可保证输运气体的纯净度。国际上,德国Sera公司和美国PPI公收稿日期:2 0 2 2-0 8-11作者简介:易均(198 6-),男,贵州遵义人,博士,高级工程师。通讯作者:周帆,高级工程师70第6 0 卷VACUUM空真司均有生产成熟的金属隔膜压缩机,但价格昂贵且国内获取困难。北京汇知机电设备有限责任公司自主研制了GD134-30/160对称平衡型金属隔膜压缩机,适用于一般氢同位素气体的循环使用,但国内膜片的材料及其制备等关键技术尚未突破,膜片寿命有限,无法在CFETR氙环境下可靠使用。常规干式涡旋泵的密封漏率经过特殊改造能达到1.0
9、10-Pam/s,但距离CFETR应用还有较大差距。特殊场所应用的干式涡旋泵,国际上目前基本被美国AirSquared和SeniorAeroSpace垄断。为此,成都国光电气股份有限公司等单位尝试了电磁驱动结构的涡旋泵结构 12-14,解决了设备动密封问题,但电磁部件的运行发热,以及内部轴承润滑带来的有机物污染等问题,导致有关产品无法真正满足CFETR的氙回收洁净度要求。金属波纹管密封泵的主体结构 7 是单柱塞或者多柱塞串并联结构,可以实现2 0 0 Pa的人口真空和较高的出口压力,满足基本的循环转移功能要求。此种结构的关键是采用双层金属波纹管将工作气腔与驱动系统(往复连杆或者摇摆盘等)进行物
10、理隔离,同时使用恰当的金属静密封件,确保整机的漏率和洁净度达到特殊场合使用要求。相比隔膜式入口压力过高、膜片寿命受限、小流量的缺点,以及电磁式磁极易过热、内置润滑脂等洁净度缺点,金属波纹管密封泵结构在CFETR氙环境下的应用优势明显。本文所述气体循环转移增压泵,使用基于双层金属波纹管密封的多级柱塞泵结构作为主泵,搭配双层金属波纹管密封的摇摆泵作为后级泵,满足CFETR氛使用要求,空气介质主要技术指标如下:1)人口极限真空压力 0.4MPa;3)密封漏率优于1.0 10-7 Pa?m/s;4)实测流量10 m/h;5)气腔全金属、无油、无有机物。6)整机质量2 0 0 kg,外形尺寸8 0 0
11、mm800mm800mm。1设备结构气体循环增压泵设计为组合式结构,由一台主泵和一台后级泵构成,如图1所示。81.主泵;2.主泵驱动转轴;3.主泵双层波纹管;4.主泵连杆组件;5.主泵压缩柱塞;6.主泵电机;7.后级泵;8.后级泵驱动转轴;9.后级泵摆盘;10.后级泵双层波纹管;11.后级泵动平衡块;12.后级泵电机。图1主泵与后级泵结构示意图Fig.1Structure of the boosting pump and rocking pump主泵整体采用斜盘连杆式柱塞泵结构,使用三个定容往复柱塞形成五级压缩达到10 0 0 0 的压缩比,其中一级压缩和二级压缩由2 个柱塞并联加大供气量,三
12、、四、五级压缩由第三个串联柱塞实现。三个往复柱塞环向均布在一个摇摆盘上,摇摆盘周期摆动驱动三个柱塞上下往复运动。与海水泵中的斜盘连杆式柱塞泵结构 15 不同,此处摇摆盘为对称回转结构。摇摆盘周向转动被双层波纹管限制,并安装在一根末端倾斜的斜轴上,斜轴转动通过滚动轴承传递为摆盘摆动。此种结构完全隔离了主轴系统和工作气体,避免了轴承润滑脂对输运气体的污染,并且易于密封。简单紧凑的多级压缩设计,保证了主泵单独运行时人口真空能达到2 0 0 Pa,出口压力能达到0.4MPa。主泵单独使用时,只能用于粗真空增压,因此设计后级泵增加流量和降低极限真空度。后级泵设计为PR型摇摆泵,泵腔被一个倾斜摆盘和71易
13、第4期均,等:可用于气运的气体循环增压泵性能测试一个隔板划分为4个相对独立的可变容积腔室,摆盘摆动驱动气腔容积周期变化,完成气体的抽吸过程。利用双层金属波纹管,完全隔离主轴系统与工作气腔,并限制摆盘的周向转动自由度。类似此种结构的泵,国际国内均有报道,如法国Thales公司生产的应用于国际热核实验反应堆(ITER)氙工厂的PR130.2(7),国内2 0 世纪8 0 年代上海真空泵厂和江苏省海门真空泵厂的BMB-2516,以及上海市通用机械技术研究所的WY-617。但此种泵型需在0 0.0 1bar压力范围内工作,否则上下摆盘压差过大极容易引起摆盘与泵腔刮擦导致损坏。主泵采用伺服电机驱动皮带传
14、递,设计额定工作转速50 0 r/min,使用材料主要为不锈钢。后级泵也采用伺服电机驱动皮带传递,设计额定工作转速16 0 0 r/min,为减轻倾斜摆盘质量,泵腔和摆盘均使用2 A12硬铝材料。对于主泵中的三个柱塞,采用高温等离子喷涂方法,在柱塞表面喷涂Cr0,陶瓷耐磨涂层。设备中其他与工作气体接触的零件,材料均为不锈钢或高弹性合金钢。主泵与后级泵及两个电机均安置在一个支架上,支架底部同时设计减震垫和可移动轮方便安装与移动,装配完成后的设备如图2 所示。图2 设备实物图Fig.2Photograph of the pump2密封如图1所示,工作气腔与主轴的动密封,使用双层金属波纹管完全隔离主
15、轴系统与工作气腔。该双层波纹管中间设置初始0.0 4 0.0 6 MPa的真空压力后焊死,并采用电接点压力表监测压力变化,一旦压力升高(主轴一侧波纹管破裂)或者降低(工作气腔一侧波纹管破裂)均会紧急报警停机,避免双层波纹管出现同时破裂,有效防止工作气体外泄。主泵中三个柱塞的往复运动需要连杆机构驱动,采用单层波纹管进行完全密封隔离。波纹管在装配前单独进行密封检漏,漏率达到1.0 10-10 Pam/s再投入使用。工作气腔与外部环境的静密封,采用Helicoflex金属C型密封圈,外圈材料为10 6 0 工业软铝,内衬优质弹簧,极大降低了密封端面的加工精度要求,同时保证密封漏率。研制团队先后对比了
16、法国Technetics和我国上海尚固科技有限公司的C型密封圈,二者目前基本达到了相近水平,单个密封圈漏率可以达到1.0 10-Pam/s。装配过程中,设计装配检漏工装进行逐级检漏,保证满足整机装配漏率需求。据报道,国际ITER计划中的法兰密封 18 和我国反应堆容器压力 19-2 0 也是采用此种密封结构。0.040.06MPa图3双层金属波纹管及国产C型密封圈Fig.3Structure of double bellows and Helicoflex sealing3斜轴动平衡主泵和后级泵的主轴,均采用如图4所示的类似结构。其中,主泵设计转速6 0 0 r/min,无动平衡考虑,其转轴机
17、构的运动仿真分析参见文献 2 1。后级泵设计额定转速16 0 0 r/min,需进行动平衡设计。利用ADMAS建立转轴系统的动力分析模型,包括摆盘、波纹管、安装螺钉等零部件,提取支撑轴承处的作用力,并以支撑轴承作用力最小作为目标,设计倾斜末端动平衡方案。采用此种结构的驱动转轴,搭配波纹管限制摆盘周向转动自由度,使得驱动结构简洁可靠。另一方面,此种结构振动不平衡包括了摆盘、螺钉等,目前仅能做到理论仿真分析动平衡,未能做到现场动平衡。从实际运行效果来看,目前后级泵振动加速度约1.2g,处于较好水平;进一步提高运行转速需跨过18 0 0 r/min位置的振动峰,至2 2 0 0 r/min附近才能稳
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