抽真空飞轮装置模拟研究

飞轮储能的基本原理是由电能驱动飞轮做高速旋转，电能转变为机械能储存。当外界不需要电力时，电动机以很小的功率维持电机转子与飞轮高速转动;当外界需要电力时，再把电力输出为负载所用。飞轮在高速地旋转时，必然会与空气产生摩擦，于是将飞轮置于真空室并对后者抽真空减少飞轮与空气的摩擦损耗。目前，波音公司将小直径转子用高温超导磁悬浮轴承支承置于金属真空室中旋转，该真空室先用低真空泵抽真空，移除后再用带前级泵的涡轮分子泵系统抽真空［1］。德国AdelwitzTechnologiezentrumGmbH(ATZ)推出的产业用250kW高温超导磁悬浮飞轮，将所有飞轮组件放入真空室，由于复合材料放气则通过涡轮分子泵机组维持真空室的压力为0.1Pa［2］。真空领域的发展过程相对较长，加上行业对真空的需求多样化，国外出现了一些高真空直排大气的干泵已经应用于实际中。英国BOCEdwards公司的EPX干泵，内部分为螺旋级、牵引分子级和旋涡级三级，有较大的压缩比和抽速［3］。德国Pfeiffer公司的OnTool干泵，采用卧式结构且同一根轴串联Holweck级转子、侧槽旋涡级转子和内电机转子，转速可达60000r/min，抽速可达2166L/min［4］。东北大学的于治明等［5］讲述了涡轮分子增压泵的研究现状，并提出通过计算流体动力学方法(CFD)和直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)模拟计算抽气通道内气体从粘滞流到分子流的流动，但是没有做出具体分析。但R．Y．Jou等［6］认为当克努森数的范围为0.1＜Kn＜0.5，CFD方法与DSMC方法均对涡轮增压泵抽速模拟不太合适，在这种情况下实验方法是分析抽速最适当和有效的方法。目前的飞轮储能产品都是采用整套外置真空系统来对其抽真空，造价较高，能耗损失大，占用空间大，控制难度大，且受空间、磁轴承磁场与安装位置的限制，分子泵到真空室有一定的距离，需要用波纹管连接且口径要与分子泵的进气口法兰一致，于是这段波纹管实际上就变成了真空室，即增加了真空室容积，抽真空时间拉长，难以达到较高真空度。而分子泵领域发展较为成熟，有丰富的理论基础与应用产品，加上现有飞轮储能装置与分子泵结构上均有高速电机、磁悬浮轴承、保护轴承与变频器等，因此笔者考虑采用内置分子泵自抽真空方式的飞轮储能装置并外附有机械前级泵的情况，来代替整套外置真空系统，并用数值模拟与实验方法进行研究。

1飞轮储能装置的内部结构及内置分子泵设计盘式电机型飞轮储能装置剖面图如图1所示。包括上、下飞，电机定子绕阻线圈，真空室(筒)，磁悬浮轴承等，两飞均为普通飞与电机转子的集成，中间夹着定子绕阻线圈，轴孔之间用过盈配合连接，再用永磁磁悬浮轴承支承，上端与下端均有保护轴承，置于密封的真空室内。飞高速旋转时，上、下飞的外壁与真空室内气体有摩擦损耗［7］;还有上、下飞的上、下端面分别与真空室内气体也存在摩擦损耗，由的转子半径Rr远大高度h，那么主要摩擦阻力产生在端面上，所以在设计飞轮结构与加工允许条件下选择小的真空室内壁间隙δ，较大的飞端面与真空室盖间隙δu和飞磁钢面与电机定子间隙δd，提高转子外壁的光滑度，从而减小转子外壁、端面与真空室内气体的摩擦损耗。同时克努森数Kn对摩擦功率总和P影响很大，随着Kn增大而显著减小，所以减小摩擦功率最有效的方法就是增大Kn来减少风损，即提高真空度，所以要求对飞轮储能装置真空室抽真空。针对上述飞轮结构要求与要点，设计出内置分子泵自抽真空方式的结构，并采用CF法兰密封手段，减少长期放气的零部件，采用内置分子泵自抽真空方式的飞轮储能装置如图2所示。内置分子泵设计工作压力范围为100Pa～10－6Pa，结构上由内置泵体、泵转子和护网等，其中泵转子上有螺旋叶片，每个叶片包括3个不同的部分［8］:在泵转子进口处的叶片采用涡轮分子泵的叶片截面，出口处采用螺旋槽截面，在涡轮分子泵叶片和螺旋槽叶片间采用了连接部分。内置分子泵具体结构与尺寸标注，如图3所示。

2数值模拟

当克努森数Kn≤0.01与0.01≤Kn≤0.1时，即分别在粘滞流和滑移流时，CFD法［9］的计算是比较准确的。当0.1＜Kn≤10与Kn＞10时，即在过渡流和自由分子流时，采用直接模拟蒙特卡罗法是比较合适的，取得了较多的成果［10］。当飞轮储能装置中真空度达到0.01Pa时，风损几乎可以忽略不计［7］，此文只用前者做粘滞流和滑移流的数值计算就可。

2.1CFD法数学模型利用CFD法建上的数学模型为［5］式中:p、μ和uj分别表示压强、流体粘度和3个方向速度;R表示普适气体常数，Mω表示混合气体分子量，εijk为在直角坐标系下的Eddington张量，ui为相对速度，δil、δjm、δim、δjl为Kronecker符号，Ω表示内置分子泵的转速，xm为矢径的长度;Φ和Q分别表示能量耗散和热传导。

2.2边界条件采用等温边界条件，对于固体边界表面根据该处克努森数的大小，自动的采用滑移或非滑移条件。在式中:λ为气体的平均自由程;ω为固体壁面。

2.3建模与划分网格使用UG软件对带螺旋槽的泵转子进行建模［6，8］，转子上有6个螺旋形叶片，其中参数为:转子入口处最小半径R0，转子出口处最小半径R1，转子最大直外径DM，转子螺旋管道高度L，入口处的螺旋角β1，出口处的螺旋角β2，螺旋槽数N，几何参数为R0=45mm，R1=99.5mm，DM=206.5mm，L=240mm，β1=30°，β2=12.8°，N=6，转子的立体图如图4所示。由于转子上流道对称，则只计算一个流道。整个计算区域由4个部分组成，将转子流道分成94516个网格，单个转子流道计算网格图如图5所示。4个区域分别为内置分子泵进口、转子的流动槽、转子的出口平面和内置泵的出口平面之间的区域、叶片端部和泵下端间的间隙区域。

2.4求解方法求解器选择分离的隐式求解器。为了离散输运方程，运用有限差分法，输运方程的对流部分采用三阶迎风TVD格式，方程中的粘性项和源项采用了二阶中心差分。为了增强速度-压力耦合，以及在每个时间步长末的质量守恒流动场的解，采用了基于压力的预测/校正算法。为了改进稳态流动收敛性，采用了改进的Euler法。用于做分析的坐标固定在转子上，以一个恒定的速度旋转。模拟气体采用氮气。

2.5模拟结果分析应用Fluent软件对单个螺旋槽进行数值模拟，出口压力设置为小于100Pa的数值，速度再取0～72000r/min中的数值再代入。根据上述参数，如出口压力设置为5Pa，速度为24000r/min，由抽气通道内分子流动速度矢量图，可知经过迭代计算后分子向通道一侧稍集中，不同区域密度发生变化。再设置不同的出口压力与入口速度参数，可模拟通道内气体压力的变化，将模拟的结果综合起来，得到出口压力与入口压力关系图，如图6所示，表明内置分子泵在工作后，入口压力与出口压力始终存在一个较大压力差，体现其良好的抽气性能，能在很短的时间内提供较高的压力，能满足飞轮储能装置的工作需要。此外，根据模拟得出流量计算推导公式［11］需要的相关参数，再通过计算得出内置分子泵的计算抽速与转速的关系，如图7所示，可知在小于12000r/min时，抽速上升较快;当转速达到60000r/min后，抽速上升趋于平缓，即在12000r/min到60000r/min自抽真空方式的飞轮储能装置具有良好的抽气性能。让自抽真空飞轮储能装置放电后最好不低于12000r/min，如果用过高的成本把飞轮转子做得高于60000r/min，也对抽真空没有明显地提高，所以在成本和抽气性能的综合考虑之下取经济合理的转速。这对于确定飞轮储能的工作转速起重要的指导作用，而不是转速越高越好。

3抽真空时间对比实验

3.1实验装置为了进行此自抽真空方式与普通外置真空系统对飞轮储能装置抽真空时间对比，在国内某公司的储能实验室进行了试验，试验对象为100kW飞轮储能装置，如图8所示。部分真空产品具体参数如下:23-前级(旋片)泵TRP-24，抽气速率6L/s，14-涡轮分子泵F-100/110，抽气速率110L/s，42300r/min，双电阻、一电离复合真空计ZDF-X型，外带4-电阻规ZJ-52T-KF16，18-电阻规ZJ-52T-KF25，5-电离规ZJ-27-KF16。说明:本次试验用的装置为氟橡胶密封，会对抽气增加一定的难度。实验装置图如图10所示。3.2实验方法与结果实验正式开始之前先用机械泵通过旁路对真空室进行抽真空，这样可以减小定子等内部部件的放气量。实验时开启前级泵，从真空计显示可知，当前级泵抽真空到100Pa时，真空度上升比较缓慢，到10Pa时，开启涡轮分子泵，我们得到实验过程中真空度与时间的关系图。自抽真空的飞轮储能装置用旁路对真空室进行抽真空，到100Pa时，开启内置分子泵，由轮储能装置自身并考虑到转子强度，速度只上升到20000r/min，以补偿涡轮分子泵尺寸稍小于此装置的转子尺寸，使两者转子上线速度相等，两者的抽气关系曲线图对比，如图11所示。由图11可知，自抽真空的方式在前级泵抽到100Pa时，具有优越的抽气速度，在6min左右就能达到0.01Pa，非常符合飞轮储能快速充电的特点而外置真空系统则要在较长的时间后，直到10P时才能启动涡轮分子泵，抽气时间则相对较长。

4结论

1)提出把分子泵中螺旋槽泵转子与飞轮做成同轴整体的自抽真空飞轮储能装置，能减小能量损失，大大地缩短抽气的时间。2)用CFD法模拟计算抽气通道内的稀薄气体及粘性气体流动输运过程，并模拟内置分子泵在粘滞流和滑移流领域的抽气性能，结果表明真空室的工作压力完全能由内置分子泵与前级泵提供。3)从转速与抽气性能关系图可知:12000r/min～60000r/min之间是自抽真空飞轮储能装置工作的最佳转速。4)自抽真空飞轮储能装置在前级泵抽到100Pa后，具有优越的抽气速度，本次研究的自抽真空飞轮储能装置在6min左右就能达到0.01Pa，非常符合飞轮储能快速充放电的特点。