Автор: L. Decker, A. Kundig, K. Lohlein, W. Purtschert, B. Ziegler,
Ph. Lebrun, L. Tavian, I. Brunovsky, L. Tucek
Источник: Adv. Cryog. Eng., A 43 (1998) pp.637 – 641
Перевод: Р. И. Лоскутов
Большой адронный коллайдер (БАК), который в настоящее время находится в стадии разработки в ЦЕРНе, требует высокой хладопроизводительности с показателем 1,8 К. Сжатие газообразного гелия при криогенных температурах становится неизбежным. Вместе с субподрядчиками, Linde Kryotechnik разработал прототип такой машины. Данное устройство основано на криогенном осецентробежном компрессоре, работающий на керамических шарикоподшипниках и приводится в движение с переменной частотой электродвигателя, работающего при температуре окружающей среды. Имея встроенные в испытательную установку сверхпроводящие магниты, машина была введена в действие без особых проблем и успешно прошла входной контроль осенью 1995 года. Последующие шаги были уже предприняты по повышению эффективности этого прототипа. Эта статья описывает накопленный до сих пор опыт и отчеты об измерениях производительности до и после разработки.
В течение последнего десятилетия, технология производства шарикоподшипников значительно улучшилась благодаря внедрению новых материалов, таких как керамика, вдобавок к металлам, для образования смешанных материалов, так называемых гибридов. Гибридные подшипники предусматривают длительный срок службы при значительно более высоких эксплуатационных скоростях, чем обычные типы подшипников. Кроме того, они очень хорошо подходят для постоянного использования консистентной смазки. Данные подшипники нашли применение в шлиф –машинках, в области криогенной техники, вакуумной техники, в частности в турбо-молекулярных насосах. По сравнению с криогенной техникой, эти отрасли производят огромное количество единиц с соответствующим инвестиционным потенциалом, продвинутых продуктов и имеют глубокие знания относительно компонентов с точки зрения поведения и срока службы согласно статистике.
Когда Linde Kryotechnik возобновил разработку холодного компрессора в 1994 году, было принято решение использовать этот потенциал, а не разрабатывать новую технологию. Решение использовать шарикоподшипниковую технологию было принято на том основании, что они имеют низкие затраты по сравнению со всеми другими альтернативными решениями, а также являются невероятно простыми и надежными, плюс ко всему, отличаются крайне узким зазором благодаря предварительно натянутому подшипнику.
Поэтому были налажены связи с промышленным поставщиком высокоскоростных шпинделей, прославившиеся своим качеством. Основной подход был основан на следующих принципах:
Компрессор приводится в действие асинхронным электродвигателем с преобразователем частоты для изменения скорости вращения до 700 оборотов в секунду, работая при температуре окружающей среды. Напряжение на определенной максимальной нагрузке была выбрана с показателем 130 В, для того, чтобы минимизировать риск повреждения двигателя из-за снижения электрической прочности газообразного гелия при низком рабочем давлении. Кроме того был выбран специальный изоляционный материал.
Гибридные осевые и радиальные подшипники работают при температуре окружающей среды с опорной точки осевого подшипника, находящаяся рядом с колесом компрессора. Они смазываются консистентной смазкой, чтобы свести к минимуму риск загрязнения и износа. Общий объем смазки составляет всего несколько граммов. Гибридные шарикоподшипники продемонстрировали свое невероятное соответствие этому устройству. В отличие от масляных, газовых и магнитных подшипников во время переходных процессов, гибридные подшипники характеризуются высокой жесткостью и чрезвычайно малой радиальной и осевой фиксацией. Это приводит к фиксированию колеса компрессора, независимо в выключенном он состоянии или во время работы. Более того, они не требуют ни аварийной замены, ни сложного обслуживания, такого как газодинамические подшипники или бесперебойное питание.
Требования к системе управления такие же, как и для стандартной машины. Поэтому вся функциональная часть может быть легко
интегрирована в систему управления высокого уровня (открытая
система).
Общий диапазон скорости является явно ниже скорости биения ротора, включая вал и колесо компрессора.
Защита от утечки воздуха обеспечивается с помощью вакуумного ограничителя встроенного в корпус так, чтобы обеспечить легкий доступ для технического обслуживания.
Количество электрических выводов была сведена до минимума – 11 (4 на питание, 4 для датчиков температуры, 3 для датчиков скорости), т.е. гораздо меньше, чем для систем с магнитным подшипником.
Корпус, который включает цельносварные водоохладительные проходы, является компактным, с наружным диаметром 200 мм., и высотой 400 м.
Перед «холодной» эксплуатацией, были проведены краткосрочные и долгосрочные испытания в помещениях Linde со следующими целями:
Для этой цели был специально установлен испытательный стенд с сосудами низкого давления и все необходимое оборудование. Стенд показал крайне низкий уровень вибраций, что соответствовало высокому классу норм точности. Максимальная скорость была проверена и оказалась гораздо ниже первой резонансной частоты. Разрушительных электрических пробоев не наблюдалось. После более чем 8 000 часов работы состояние подшипников и смазки было проанализировано и показало отличные результаты.
Эти испытания дают возможность для выявления потенциала с целью дальнейших улучшений.
Реализуемый блок базируется на спецификации ЦЕРНа. Основными проектными данными являются:
Термодинамическое, аэродинамическое и механическое проектирование, а также изготовление холодного этапа были выполнены PBS, Velka Bites, Чешская Республика, компанией, которая сотрудничает с Linde в течение многих лет.
Характеристики холодного этапа:
Машина была разработана с наличием комфортной рабочей области с учетом многоступенчатого устройства для БАК. Таким образом, акцент был больше сделан на эксплуатационную гибкость, чем на эффективность в отдельности.
Осенью 1995 года система была установлена и успешно введена в эксплуатацию и прошла проверку в ЦЕРНе. Как сообщалось, в [1] КПД при расчетных условиях составила 57 %, то есть на 3 % ниже, чем прогнозировалось. Рабочее поле шире, чем ожидалось.
Одной из главных произошедших проблем при вводе в эксплуатацию стал электрический пробой в корпусе двигателя на соединениях, который был легко устранен.
На основании результатов этих испытаний, было выявлено, что эффективность машины может быть улучшена за счет уменьшения теплопритока от корпуса с показателем ниже 51 Вт, а также за счет оптимизации геометрии лопастного диффузора.
Следовательно, очередная серия испытаний была проведена весной 1997 года с измененным корпусом и диффузором. Снижение теплопритока с 51 до 41 Вт привело к увеличению эффективности на 2%, в то время как показатель более адаптированного диффузора составил 5%. В целом, сейчас машина показывает эффективность 64%. Рабочая область несколько сокращается, но остается достаточно удобной.
Благодаря альтернативным испытаниями других прототипов холодного компрессора и главного использования объекта для испытаний магнита, количество достигнутых рабочих часов все еще остается небольшим.
Криогенный гелиевый компрессор, поставляемый Linde, основанный на осецентробежном рабочем колесе и гибридных шарикоподшипников, работающих при температуре окружающей среды, подтвердил свою высокую производительность и технологическую пригодность для высокой хладопроизводительности с показателем 1,8 К., после оптимизации корпуса и диффузора и проверки срока службы подшипников.