吳 畏，楊少柒，薛 瑞，謝秀娟，龔領(lǐng)會(huì)

（1.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的確立，開(kāi)發(fā)利用綠色低碳能源勢(shì)在必行。氫能以其清潔性、可再生和熱值高等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。液氫作為氫氣液化后的產(chǎn)品，是一種高能超低溫液體清潔燃料，在儲(chǔ)能密度和輸運(yùn)成本等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，發(fā)展空間廣闊。隨著氫能的大規(guī)模應(yīng)用，在液氫利用過(guò)程中，大流量液氫泵作為液氫輸送的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)推動(dòng)液氫在交通能源、航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重大意義。

低溫液體輸送泵常用結(jié)構(gòu)形式有離心式和活塞式兩種，離心泵相對(duì)轉(zhuǎn)速較高，但機(jī)械密封和安全性問(wèn)題難以解決?；钊脛t有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，故障率低，抗氣蝕能力強(qiáng)；（2）轉(zhuǎn)速不高，便于采用串聯(lián)式機(jī)械密封以保證裝置不泄露，提高裝置安全性能；（3）可采用變頻電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，便于實(shí)現(xiàn)變流量運(yùn)行[1]。因此選取活塞泵作為輸送液氫的基本泵型。目前在設(shè)計(jì)低溫系統(tǒng)時(shí)通?？紤]潛液式布置，即將泵體（包括作為動(dòng)力源的低溫電機(jī)）浸沒(méi)在低溫液體中，只引出動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)和測(cè)控導(dǎo)線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)零泄漏，同時(shí)大幅減少漏熱，提高系統(tǒng)的安全性，如戰(zhàn)穎[2]設(shè)計(jì)的全低溫液氫泵、孫曉玲等[3]研制的液化天然氣輸送泵均采用潛液式布置。

本文簡(jiǎn)要概括了液氫泵的發(fā)展，介紹了液氫活塞泵的結(jié)構(gòu)，總結(jié)了衡量液氫泵性能的關(guān)鍵指標(biāo)，并結(jié)合理論公式進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析探討了液氫活塞泵研發(fā)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，為液氫泵研制提供相關(guān)參考依據(jù)。

1 液氫活塞泵發(fā)展概況

早期液氫泵主要用于航天領(lǐng)域，為航天器輸送低溫液氫燃料。隨著科技的發(fā)展和對(duì)氫能的開(kāi)發(fā)利用，液氫泵逐漸向民用方向發(fā)展，在液氫的各種應(yīng)用中發(fā)揮著作用。

早在20世紀(jì)80年代，德國(guó)寶馬汽車(chē)公司將小型液氫活塞泵置于氫燃料汽車(chē)內(nèi)部。該液氫活塞泵置于液氫燃料箱外，液壓驅(qū)動(dòng)的壓力最高可達(dá)2.5 MPa。由于特殊設(shè)計(jì)，泵的冷卻時(shí)間小于5 min，停機(jī)后的升溫速率約為15 K/h，其設(shè)計(jì)運(yùn)行圖如圖1所示[4]。

圖1 德國(guó)寶馬汽車(chē)公司液氫活塞泵橫截面示意圖Fig.1 Cross section diagram of BMW liquid hydrogen piston pump

液氫活塞泵通過(guò)法蘭連接燃料箱內(nèi)部，不會(huì)增加內(nèi)外容器之間的熱泄漏。泵的沖程為2.5 mm，以每分鐘300～400次的沖程頻率泵送壓力為0.25 MPa的液氫，流量可達(dá)0.2 m3/h，平均輸出功率為25 W，工作行程期的峰值功率約為300 W。

由于氫液化技術(shù)的成熟和氫能在民用領(lǐng)域的巨大潛力，加氫站發(fā)展迅速。我國(guó)建成和規(guī)劃的加氫站多為外供高壓氣氫加氫站，暫無(wú)液氫加氫站，國(guó)外則有大約1/3為液氫加氫站[5]。液氫加氫站是在航天儲(chǔ)氫技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的民用加氫設(shè)施，與氣氫的增壓擠出相比，液氫泵泵送液氫具有明顯的熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)，也帶來(lái)了許多實(shí)用優(yōu)點(diǎn)[6]。比如20 K溫度下液氫密度為70.85 kg/m3，約為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273 K，101.325 kPa）氣態(tài)氫密度的800倍，意味著液氫系統(tǒng)具有較高吞吐量，數(shù)據(jù)表明液氫泵流量可達(dá)100 kg/h；適當(dāng)調(diào)節(jié)液氫泵初始低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)間和泵速等參數(shù)可以提高平均加注率，同時(shí)也可以使泵逐步加速，從而降低活塞應(yīng)力，延長(zhǎng)泵的維護(hù)周期；液氫直接從杜瓦中泵送，相比氣氫的增壓擠出，省去了中間高壓緩沖存儲(chǔ)的費(fèi)用和損失，降低了成本；潛液式液氫泵的加注速度受外界溫度影響較小，在輸出液氫時(shí)最高填充密度可達(dá)80 kg/m3。具體優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如表1所列。

表1 液氫泵優(yōu)點(diǎn)一覽表Tab.1 List of advantages of liquid hydrogen pump

目前，美國(guó)、歐洲和日本在液氫加氫站發(fā)展方面走在前列。美國(guó)ACD公司設(shè)計(jì)的由三個(gè)高壓低溫往復(fù)泵組成的系統(tǒng)，用于在加注燃料之前將液氫從儲(chǔ)罐轉(zhuǎn)移到氣化器。作為一個(gè)連續(xù)工作系統(tǒng)，三個(gè)單缸活塞泵每臺(tái)均配備一臺(tái)皮帶驅(qū)動(dòng)的55.9 kW三相全封閉扇冷式（TEFC）電動(dòng)機(jī)，在最大工作壓力41.4 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)速為538 r/min，流量為0.02 m3/min。該系統(tǒng)能在不到10 min的時(shí)間內(nèi)為氫燃料公交車(chē)加注，并成功應(yīng)用于2010年冬奧會(huì)[7]。2018年林德公司研制了高壓液氫活塞泵，其技術(shù)特點(diǎn)是：小型化，單級(jí)壓縮，最大加注能力120 kg/h，最小輸入壓力0.2 MPa，最大輸出壓力90 MPa，出口狀態(tài)為液態(tài)[8]。

目前，我國(guó)在液氫活塞泵研制方面公開(kāi)的研究成果較少。2008年戰(zhàn)穎[2]設(shè)計(jì)的全低溫液氫泵，最大周期排量0.005 m3/min，最大壓差0.5 MPa。在此基礎(chǔ)上，李強(qiáng)等[9]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)液氫泵轉(zhuǎn)速?gòu)?10～1 320 r/min連續(xù)可調(diào)，980 r/min時(shí)壓差為0.5 MPa，流量為0.005 2 m3/min，隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，壓差可達(dá)0.7 MPa以上，流量可達(dá)0.006 3 m3/min以上。

2 液氫活塞泵的結(jié)構(gòu)組成

液氫活塞泵通常由液力端、傳動(dòng)端、減速機(jī)、原動(dòng)機(jī)及其他附屬設(shè)備（潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)等）組成。由于大多數(shù)潤(rùn)滑劑在液氫溫度下會(huì)硬結(jié)失去潤(rùn)滑性能，且推送介質(zhì)液氫不能被污染，因此，潛液式液氫活塞泵并不專(zhuān)設(shè)潤(rùn)滑系統(tǒng)，由液氫流體起潤(rùn)滑作用。液氫活塞泵由于其潛液式布置，結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，可分為液力端和動(dòng)力端（包括低溫電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）。

2.1 液力端

活塞泵液力端包括缸體、缸蓋、吸入和排出閥、閥箱、閥蓋、活塞、缸套以及進(jìn)出口法蘭等主要部件，液氫活塞泵主要是在材料選擇、處理和設(shè)計(jì)布置上有所區(qū)別。

作為活塞泵的主體，缸體與閥門(mén)、缸蓋、管路及機(jī)體等配置連接，其內(nèi)部流道孔和外表形狀都很復(fù)雜。在設(shè)計(jì)中，把缸體內(nèi)的應(yīng)力高度集中部位和高壓交變載荷區(qū)分開(kāi)來(lái)，可以有效提高缸體的使用壽命。缸體與液氫直接接觸并承受交變的內(nèi)壓，可以選用奧氏體鉻鎳合金這種低溫韌性材料。如果加工工藝允許，在其內(nèi)部流道交孔處應(yīng)予導(dǎo)圓，并做表面強(qiáng)化處理，以減少應(yīng)力集中的影響。缸體內(nèi)有活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與活塞的截面積和行程直接相關(guān)，從而影響到泵的流量。在設(shè)計(jì)中，大流量低壓活塞泵通常采取雙作用整體鑄造式缸體，流道孔也大多直接鑄出[10]。

吸入閥一般采用以流體的壓力推開(kāi)的單向閥形式，在閥門(mén)運(yùn)動(dòng)時(shí)伴隨著一定壓力差，吸入閥周?chē)蜁?huì)存在阻力，實(shí)際吸入壓頭會(huì)偏高，容易造成低溫液體氣化量增大和在輸送液體進(jìn)程中產(chǎn)生脈動(dòng)。劉連文等[11]對(duì)低溫液體往復(fù)式活塞泵吸入閥進(jìn)行了改進(jìn)，吸入閥由活塞和活塞桿接觸的開(kāi)閉面構(gòu)成，設(shè)在前后兩個(gè)死點(diǎn)附近，利用活塞桿的動(dòng)作，可對(duì)其開(kāi)閉進(jìn)行控制，減小了吸入閥周?chē)淖枇臀胪返淖枇?。排出閥有平板閥、環(huán)狀閥、錐形閥和球面閥等形式，依靠閥前后的液體壓力差開(kāi)啟和關(guān)閉[12]。吸入閥和排出閥是活塞泵的重要部件，閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作應(yīng)與活塞的運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，閥門(mén)關(guān)閉滯后和閥門(mén)密封不嚴(yán)都會(huì)導(dǎo)致液氫泄漏，降低泵的容積效率。液氫活塞泵的超低溫閥門(mén)密封副可以采用氮化或在表面涂覆鎳鉻鎢等合金材料的方法進(jìn)行表面硬化處理，從而提高密封表面的耐磨擦性能，延長(zhǎng)其使用壽命[13]。

活塞桿帶動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)使泵腔內(nèi)的容積發(fā)生周期性變化，實(shí)現(xiàn)泵的吸、排液過(guò)程。活塞的截面積直接影響液氫流量大小，活塞和缸體之間的密封性能則關(guān)系到液氫的泄漏量。由于液氫的黏度很低，活塞應(yīng)與缸體內(nèi)壁密封良好，并能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)損密封，因此采用間隙密封的方法。活塞桿配有數(shù)個(gè)在低溫下仍具有良好的耐磨性、屈服和抗壓強(qiáng)度的活塞環(huán)，活塞環(huán)墊襯采用膨脹式設(shè)計(jì)，通常采用聚四氟乙烯（PTFE）用作低溫填料填充在活塞環(huán)內(nèi)以提高密封性能。

2.2 動(dòng)力端

動(dòng)力端為液力端提供初始動(dòng)力，可根據(jù)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同進(jìn)行劃分。最常見(jiàn)的有低溫電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力，例如戰(zhàn)穎[2]設(shè)計(jì)的全低溫液氫泵，采用曲軸、連桿和中間缸體活塞等組合結(jié)構(gòu)傳遞動(dòng)力；另外，電機(jī)可以通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)裝置以及傳動(dòng)箱來(lái)控制多個(gè)液氫泵冷端內(nèi)的活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)[14]；Yamane等[15]、Abe 等[16]和Liang等[17]使用動(dòng)磁直線(xiàn)電機(jī)，向磁芯提供交流電時(shí)，動(dòng)磁組件中會(huì)感應(yīng)出交變軸向力，使活塞以相同的頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)磁直線(xiàn)電機(jī)比傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)具有更高的電機(jī)效率，用作液氫泵動(dòng)力源時(shí)會(huì)使整個(gè)泵系統(tǒng)更加緊湊，簡(jiǎn)化泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少罐體蒸發(fā)損失。陳正文等[18]利用高壓流體遠(yuǎn)距離傳遞動(dòng)力，即利用高壓流體動(dòng)力源為常溫組件提供動(dòng)力，高壓流體動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)常溫活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)冷端活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有效解決了超低溫環(huán)境下電機(jī)技術(shù)問(wèn)題和易燃易爆環(huán)境下電機(jī)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的安全技術(shù)問(wèn)題。

3 液氫活塞泵關(guān)鍵指標(biāo)

參考美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）對(duì)液氫泵性能和耐用性的測(cè)試結(jié)果[6]，總結(jié)了衡量液氫活塞泵性能的關(guān)鍵指標(biāo)：液氫流量、液氫排出壓力、容積效率和液氫蒸發(fā)損失量。

該實(shí)驗(yàn)中使用的液氫泵是林德公司制造的，在低壓（0.3 MPa）和極低溫（24.6 K）下從杜瓦提取液氫，流量為100 kg/h，并在壓力87.5 MPa、溫度30～60 K的情況下將其輸送，液氫泵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液氫泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic describing operation of liquid hydrogen pump

由于液氫泵是直接泵送液氫，容器內(nèi)的初始?jí)毫εc額定壓力相近，耗電量較低，數(shù)據(jù)顯示，該液氫泵充填一次平均耗電量為1.39 kW·h/kg。

3.1 液氫流量

在不計(jì)泵內(nèi)任何容積損失時(shí)，泵在單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)排出的液體體積稱(chēng)為泵的理論平均流量?；钊玫牧髁坑?jì)算如式（1）：

式中：Qt為泵的理論流量；A為活塞的截面積，，D為活塞直徑；S為行程長(zhǎng)度；n為曲軸轉(zhuǎn)速，即活塞每分鐘往返次數(shù)；Z為活塞泵的聯(lián)數(shù)；K為系數(shù)，，Ar為活塞桿截面積，Dr為活塞桿直徑?？梢钥闯觯簹浠钊玫牧髁恐蝗Q于泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)n、S、D，幾乎與泵的排出壓力無(wú)關(guān)，當(dāng)n、S、D為定值時(shí)，泵的流量基本恒定。

3.2 液氫排出壓力

泵入口處和出口處的壓力換算到基準(zhǔn)面上的值稱(chēng)為泵的吸入壓力和排出壓力，如式（2）（3）所示：

式中：p1、p2分別為吸入壓力（絕對(duì)）和排出壓力（絕對(duì)）；p1′、p2′分別為泵入口和出口處的絕對(duì)壓力；γ是液體重度，Pa/m；h1、h2為泵入口處和出口處測(cè)壓點(diǎn)至基準(zhǔn)面間的距離。當(dāng)測(cè)壓點(diǎn)高于基準(zhǔn)面時(shí)，h1為負(fù)值，h2為正值；當(dāng)測(cè)壓點(diǎn)低于基準(zhǔn)面時(shí)，h1為正值，h2為負(fù)值。

泵的排出壓力p2是一個(gè)獨(dú)立參數(shù)，不是泵的固有特性，它只取決于排出管路的特性，而與泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電機(jī)功率無(wú)關(guān)。泵的額定排出壓力（即最大允許排出壓力）則取決于泵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、液力端密封性能和原動(dòng)機(jī)的額定功率。液氫活塞泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，工作腔內(nèi)液氫壓力應(yīng)始終大于輸送溫度下液氫的飽和蒸氣壓力，否則將會(huì)引起液氫氣化，造成活塞與液體脫離，從而引起工作腔內(nèi)的撞擊、噪聲、振動(dòng)及流量的減少。

3.3 容積效率

泵的流量與理論流量之比稱(chēng)為容積效率。

式中：ην為容積效率；Q為泵的流量；Δην為泵的容積損失率。工作腔的容積損失由以下幾部分組成：（1）液體壓縮或膨脹造成的容積損失率Δην1；（2）閥關(guān)閉滯后造成的容積損失率Δην2；（3）閥關(guān)閉不嚴(yán)，通過(guò)密封面的泄漏造成的容積損失率Δην3；（4）通過(guò)活塞或活塞桿、活塞環(huán)的泄漏造成的容積損失率Δην4。影響容積效率的因素除上述幾項(xiàng)外，還與輸送介質(zhì)的黏度，泵的壓力和轉(zhuǎn)速有關(guān)。對(duì)于液氫活塞泵而言，不考慮液氫的可壓縮性，主要的容積損失發(fā)生在閥門(mén)、活塞和活塞桿等地方。

3.4 液氫蒸發(fā)損失量

液氫蒸發(fā)損失量是由外界傳熱或活塞泵內(nèi)部機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱量引起的。在數(shù)十天的實(shí)驗(yàn)中，液氫泵部件中的蒸發(fā)損失約占泵送液氫量的10%[6]，蒸發(fā)損失主要由以下幾部分組成：（1）液氫泵及液氫輸送管道的冷卻；（2）液氫泵運(yùn)行期間的損失，包括與杜瓦和管道之間的換熱、泵運(yùn)行時(shí)內(nèi)部摩擦生熱以及活塞密封處的泄漏等；（3）液氫泵在怠速和空轉(zhuǎn)期因摩擦生熱產(chǎn)生的損失；（4）液氫泵在暫停工作后與環(huán)境傳熱。

4 液氫活塞泵關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)液氫泵在國(guó)內(nèi)氫能領(lǐng)域的商業(yè)化推廣應(yīng)用，以下幾個(gè)方面仍然是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，即冷量損失抑制技術(shù)、機(jī)構(gòu)磨損減少技術(shù)以及容積泄漏損失抑制技術(shù)。

4.1 冷量損失抑制技術(shù)

由于液氫的溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，外部熱量的流入和設(shè)備本身摩擦發(fā)熱等是不可避免的。冷量損失將降低低溫泵效率，液體蒸發(fā)導(dǎo)致氣蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)壓力升高發(fā)生事故，因此有效減少低溫泵的冷量損失是低溫設(shè)備設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

液氫活塞泵在運(yùn)行期間的冷量損失主要由機(jī)構(gòu)摩擦產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致，因此減少機(jī)構(gòu)磨損也會(huì)相應(yīng)減少蒸發(fā)損失，具體措施在下文中介紹。Furuhama等[19]采用各種方法來(lái)降低液氫泵在非運(yùn)行期間的蒸發(fā)損失，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)效果進(jìn)行量化和改進(jìn)：（1）在泵底端與液氫液面之間充填氣氫，防止液氫和泵底接觸，減少熱傳導(dǎo)，通過(guò)這種方法蒸發(fā)損失降低到原來(lái)的29%；（2）在泵的支桿上加裝肋片，強(qiáng)化支桿與聚集在泵腔中的氣態(tài)氫氣換熱，從而減少了其與液氫的對(duì)流換熱，以液氮為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)測(cè)得蒸發(fā)損失降為原來(lái)的22%；（3）改變泵的位置，使其位于整個(gè)杜瓦的邊緣，可以增加真空區(qū)域的體積，減少液氫和泵下邊緣之間的接觸面積，這種方法減少了92%的蒸發(fā)損失，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前和改進(jìn)后液氫泵和儲(chǔ)罐的布置Fig.3 Arrangement of liquid hydrogen pumps and storage tanks before and after improvement

4.2 機(jī)構(gòu)磨損減少技術(shù)

液氫活塞泵中的磨損也需要重點(diǎn)考慮。有的磨損不可避免，例如，對(duì)于泵正常運(yùn)行時(shí)活塞和缸套之間的摩擦，應(yīng)注意材料的選取；氣缸中的活塞以及活塞桿的密封件應(yīng)選用耐磨性好、磨損系數(shù)低的密封材料。目前低溫活塞環(huán)主要填充聚四氟氯乙烯、柔性石墨以及其他組合型或新型密封材料，常用且密封性能優(yōu)良的是柔性石墨與不銹鋼復(fù)合的纏繞式墊片和聚氯三氟乙烯（PTCFE）唇式密封圈的組合密封[13]。為了獲得良好的耐磨性，金屬材質(zhì)活塞環(huán)需進(jìn)行熱處理，常用方法有表面鍍鉻或錫、滲硫處理、磷化處理和軟氮化處理[1]。

泵空轉(zhuǎn)也會(huì)造成不必要的磨損，這需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量避免。陳衛(wèi)華等[20]提出降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，采用繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍大的電動(dòng)機(jī)替代籠型異步電機(jī)等方法，使低溫液體的泵送量與需求量相匹配，在泵連續(xù)工作的同時(shí)避免空轉(zhuǎn)，減少低溫泵柱塞與缸套之間的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。沈莫華等[21]發(fā)明了一種新型雙向進(jìn)液的低溫往復(fù)泵，通過(guò)改進(jìn)前后進(jìn)液閥組件和機(jī)構(gòu)，克服泵腔內(nèi)部嚴(yán)重紊流及氣液混合現(xiàn)象，避免了泵流量不足、打空車(chē)和打壓慢等現(xiàn)象，提高泵的工作效率，減少易損件的消耗。

4.3 容積泄漏損失抑制技術(shù)

影響液氫活塞泵容積效率的主要因素有：進(jìn)、排液閥泄漏，活塞泄漏，閥門(mén)關(guān)閉滯后，液氫氣化導(dǎo)致氣液混合狀態(tài)，使介質(zhì)可壓縮性增加[22]。

活塞和氣缸之間的較大間隙有助于減少摩擦，但在泵處于壓縮沖程時(shí)會(huì)導(dǎo)致較大的泄漏。為了減少泄漏，活塞外表面最好在壓力升高時(shí)才向氣缸壁膨脹。為此，Yamane等[23]研制了一種具有自動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)間隙的液氫泵，活塞具有杯形腔體，受壓時(shí)活塞杯狀部分的壁面向缸壁擴(kuò)張，使間隙變小，在減小泵泄漏量的同時(shí)維持約80%的容積效率，如圖4所示。

圖4 杯型活塞的壓力分布Fig.4 Pressure distribution on cup-shaped piston

陳連善等[24]提出，選取較小的配合間隙，適當(dāng)提高柱塞與缸套的加工精度，在柱塞工作表面設(shè)置環(huán)形密封槽，可以減少泵的泄漏量；通過(guò)減小進(jìn)液管路的阻力，適當(dāng)增加灌注靜壓頭，增加泵口液體的過(guò)冷度，提高泵的吸入性能；同時(shí)，選擇合適的液體出口閥，設(shè)置有效的回氣裝置，提高泵的容積效率。章軼明等[25]針對(duì)泵泄漏設(shè)計(jì)了一種雙壓力敏感密封氣體檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)有通過(guò)開(kāi)孔與缸體后端部相連通的密閉空腔，活塞泵缸體出現(xiàn)泄漏會(huì)引起空腔氣壓變化從而被檢測(cè)到。

5 結(jié)論與展望

液氫加氫站的大規(guī)模應(yīng)用需要液氫泵關(guān)鍵技術(shù)的突破和關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。對(duì)于大流量低壓液氫泵，液力端可采用雙聯(lián)雙作用形式以提高流量。對(duì)于小流量高壓液氫泵，可以增設(shè)壓縮腔，采用雙級(jí)或者多級(jí)壓縮形式提高排出壓力。

未來(lái)可從三個(gè)方面突破液氫活塞泵關(guān)鍵技術(shù)：

（1）活塞桿和活塞的耐磨密封件采用聚四氟乙烯（PTFE）、石墨和特殊金屬等為主的各種減磨材料制成，以延長(zhǎng)泵的工作壽命，在無(wú)油潤(rùn)滑條件下磨損較小，能在較大的溫度和壓力范圍內(nèi)使用。

（2）開(kāi)發(fā)新的活塞泵整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝，收集相關(guān)模式結(jié)構(gòu)信息，系統(tǒng)了解、研究和分析各種結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)各種已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)工藝，減小液氫活塞泵設(shè)備整體質(zhì)量和尺寸，提高其密封性能和吸入能力。

（3）設(shè)計(jì)優(yōu)化潛液式液氫泵用低溫電機(jī)。由于潛液式液氫泵低溫電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境和低溫驅(qū)動(dòng)特性與常溫電機(jī)有所不同，有必要根據(jù)這些差異形成其分析設(shè)計(jì)公式，并結(jié)合電磁場(chǎng)-熱場(chǎng)-流體場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)的耦合仿真對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。