EAST低溫系統俄制氦透平膨脹機維修改進與測試

付 豹 張啟勇 朱 平 成安義

1 EAST低溫系統及氦透平膨脹機介紹

1.1 氦低溫系統介紹

EAST(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak)托卡馬克裝置在建成時，是世界上第一個全超導托卡馬克［1］。EAST低溫系統是2005年6月建成，并一次整體聯合調試成功，是目前中國最大的氦低溫系統。

圖1為EAST氦制冷機的流程簡圖［2］，其核心部件是4臺俄制氦透平膨脹機，EAST低溫系統共有12臺4種不同進口參數的氦透平膨脹機(每種類型有備份2個)，分別工作在不同的壓力和溫度下。其中3臺(T1、T2、T3)用來制取4.5 K液氦溫區的冷量和生產液氦來冷卻超導磁體及其它部件，另一臺(T4)制取13 kW/60 K的冷量冷卻熱輻射屏［3］。它們都工作在非常高的轉速下，設計轉速在10—18萬轉每分［4］，工作轉速一般都在10萬轉每分左右。

圖1 EAST低溫系統流程圖Fig.1 Schematic diagram of EAST cryogenic system

1.2 俄制氦透平膨脹結構介紹與分析

EAST低溫系統4種不同進口參數的氦氣透平膨脹機是從俄羅斯“氦機器”公司進口的，采用油軸承與氣體軸承混合結構。其主要由軸承室、轉子(葉輪和主軸)、噴嘴、擴壓器、熱密封座、氣體軸承、徑向止推油軸承、止推油軸承、供油供氣接口、轉速計、回油罩和外圍幾個絕熱塊等部件組成。氦氣體軸承采用單排圓周8個固有孔節流的供氣孔結構形式;徑向止推油軸承徑向采用2排圓周8個環面節流供油結構形式和止推單排圓周8個環面節流供油結構形式;止推油軸承采用單排圓周8個環面節流供油結構形式。潤滑油采用的是長城潤滑油公司生產的32#汽輪機油，潤滑油的既有支撐潤滑作用也有摩擦制動向外輸出功的作用。此次維修改進設計的俄制氦透平膨脹機為TD型，代號:TD-01-06。

2 維修與測試過程

2.1 TD-01-06的維修過程

每次俄制氦透平膨脹機的損壞基本上都是發生在啟動過程中，咬死損壞之處一般都在氣體軸承供氣孔附近。這是由于氣體軸承剛度與油軸承剛度匹配存在問題，導致轉子做圓錐擺動、氣體軸承承載力不夠或轉子軸承系統出現“半速渦動”等因素，導致氦透平膨脹機損壞。

一般的維修工作程序為:換主軸，視氣體軸承損壞程度，決定是否需要更換氣體軸承，徑向油軸承一般不磨損或磨損很小，不需更換，可以繼續用。氣體軸承與軸承室冷裝后，與徑向油軸承一起絎磨至同一尺寸，保證同軸度與尺寸公差。然后測量內孔尺寸，根據此測量尺寸，研磨主軸，保證主軸與軸承的各個配合間隙(主軸與氣體軸承、油軸承、熱密封處等)。這樣既可以保證氣體軸承與油軸承的同軸度和尺寸公差，還把主軸與軸承配合的加工公差全合并到主軸上，降低了軸承室與主軸的配磨難度。止推間隙，根據止推墊片尺寸，配磨主軸止推盤厚度，同樣可以降低主軸止推盤加工難度。止推盤外圓還需進一步磨削，以方便主軸后期動平衡實驗。所有零件加工、裝配完畢后，接下來要進行零件清洗與轉子動平衡實驗。零件清洗一定要及時，并保證清洗干凈，這是裝配前的關鍵步驟。動平衡實驗是先平衡主軸，然后主軸與葉輪放在一起再整體做動平衡。整體動平衡合格后，葉輪與主軸拆開，再裝上，反復幾次，保證拆開前后動平衡剩余不平衡量差異少于2 mg。確定轉子剩余不平衡量小于5 mg。清洗轉子，確認所有供氣、供油孔全通暢，開始裝配。主軸與軸承的徑向間隙、止推軸承與主軸止推面的配合間隙都是通過加工保證的，也一定是滿足要求的，在裝配時可以不考慮。葉輪與擴壓器之間的間隙通過擴壓器底座與氣體軸承之間的調整墊片來調節。

2.2 TD-01-06啟動前進出口參數與啟動準備

TD-01-06啟動前進出口參數、啟動過程參數設置見表1、表2。TD-01-06的氣體軸承供氣壓力一次性供到位約19.0×105Pa(對應供氣閥門全開)。為了方便啟動，制動油壓(徑向＆止推油軸承和止推油軸承)一般先供到14.5×105Pa;在轉速約3萬轉每分，把油壓逐漸加到22.5×105Pa，以后就無須再增加。啟動過程制動油壓參數設置可以遵循這樣的規律:在開始啟動前的油壓(徑向＆止推油軸承和止推油軸承)供的不要太高，一般約11×105Pa即可;否則，制動過大不利于啟動，等轉速加到3萬轉每分以上時再根據轉速波動情況、進口壓力增大時轉速波動情況再來調節制動油壓。若沒有飛車現象，則油壓沒有必要供的太高，否則會加劇氣體軸承與油軸承剛度的不匹配程度，更易引起轉子的圓錐渦動，導致轉子＆軸承系統穩定性變差。熱密封壓力在開始啟動時供到3.0×105Pa左右，以后根據回氣結霜情況，逐步增加，一般不超過10.0×105Pa。對于TD熱密封壓力設置遵循如下的規律:啟動前可以供給約3.0×105Pa左右，等轉速到3萬轉每分左右根據回氣結霜情況，逐步增加，最終保證回氣有輕微結霜，比較適宜［5］，熱密封壓力不能太高，否則影響氣體軸承排氣壓力，影響氣體軸承性能;若熱密封壓力過高，熱氣竄到膨脹端，還會影響透平膨脹機的整機熱效率。

表1 TD-01-06啟動前進出口參數Table 1 Parameters of TD-01-06 before starting up

表2 TD-01-06啟動過程參數設置Table 2 Setting parameters of TD-01-06 before starting process

2.3 啟動過程分析

2.3.1 運行結果

正常運行結果如圖2所示，TD-01-06轉速約111.0萬轉每分，流量約133.0 g/s(對應的進口溫度是10.5 K，若進口溫度為8.0 K左右，流量會變大，約為180 g/s)，Pin=14.94 ×105Pa，Pout=3.18 ×105Pa，Tin=10.8 K(實際可以降到8 K左右，為了調試的需要，防止透平膨脹機出口帶液和氣體節流后液化，通過旁通閥門 V2166，故意把進口溫度調高)，Tout=6.72 K，效率 =62.91%;在此進口參數下，穩定運行48小時左右。

圖2 TD-01-06穩定運行界面截圖Fig.2 Cutting chart of TD-01-06

2.3.2 啟動過程

整個啟動過程大概花費150分鐘(2—3萬轉每分低速降溫花費約100分鐘)，在啟動過程轉速的平穩上升，沒有大的波動，最終轉速在11萬轉每分穩定運轉。為了防止透平膨脹機出口帶液和氣體節流液化。因此，通過調節旁通閥門V2166，把TD-01-06進口溫度控制在10.5 K左右。

啟動過程:進氣閥門V2241開度為26.5%時，氦透平膨脹機進口為油溫為299.7 K。TD-01-06制動油壓為14.5 ×105Pa，進口壓力為2.36 ×105Pa，出口壓力為1.29 ×105Pa，壓差為1.07 ×105Pa時，開始有轉速。一般情況下，調試油氣混合軸承氦透平膨脹機，進出口壓差達到1.5×105Pa，仍無轉速，則不要再繼續增加進口壓力，應關閉進口閥門，拆下檢查原因。待分析完畢后再調試。此次TD-01-06啟動過程質量流量、進出口壓力、閥門開度、進口溫度等與轉速等之間的關系如圖3所示。

圖3 TD-01-06啟動過程各個參數關系圖Fig.3 Starting up process of turbine TD-01-06

如圖3，由啟動過程轉速圖可以看出:開始時進出口溫度比較高(20 K以上)，是由于氦透平膨脹機安裝后，進出口管道、閥門、一些換熱器等都處于常溫狀態，需要慢速冷卻下來(這是一個比較漫長的過程，約占整個啟動時間的2/3以上)才可以啟動。啟動過程大概經歷150分鐘，TD-01-06的調試比較穩定，轉速隨進口壓力穩步上升，沒有大的飛車跡象。轉速升到110萬轉每分左右時，轉速波動非常小，在額定轉速附近(額定轉速11.2萬轉每分)。轉速波動較小的原因可能有:其一，轉子動平衡實驗做的非常成功;減輕了軸承的負擔;其二氦透平膨脹機啟動過程中進口壓力增幅一直很小(閥門開度0.3%步長)，對葉輪的動量矩增幅也很緩慢，其三，進口溫度在12 K以下，屬于低溫區，此區氦氣焓降變化不大，氦氣對葉輪的動量矩增幅亦很小;其四，轉速達到10萬轉每分以上，轉子變為“柔性轉子”，轉子會“自對中”其剩余動不平衡量會降低。

48小時穩定運行分析:如圖4所示，在整個穩定運行期間，閥門是保持開度不變，透平膨脹機進口壓力受閥前壓力波動的影響;從圖4可以看出，透平膨脹機進口壓力基本保持恒定，這個歸功于壓機站的調節，這樣對透平膨脹機的擾動很小，對透平膨脹機的穩定運行是有利的。在低溫區，出口溫度對透平膨脹機流量影響很大，因為此時的流量是根據透平膨脹機出口壓力、溫度管徑等參數計算得來，在如此高壓低溫區，氦氣易形成“臨界轉變”，微小的溫度變化，會導致大的密度變化。氦頭透平膨脹機在完成啟動穩定運行后，其運行穩定性主要受進出口壓力的波動和進口溫度波動的影響。當然，外圍輔助油泵系統和潤滑油溫度也是影響其穩定性的因素之一。

圖4 TD-01-06啟動、運行過程轉速圖，48小時穩定運行過程各個參數關系圖Fig.4 Starting up and running process of turbine TD-01-06

由圖5可看出，停機前在進口壓力、閥門開度沒有變化時，轉速、質量流量、進口溫度、出口溫度等都出現了“鋸齒型”波動，這是由于操作人員模擬EAST放電時，對TD實際運行狀態影響而產生的。因為EAST實驗會產生交流損耗，瞬間會產生大量的熱，導致磁體內大量的液氦蒸發，又因為TD出口與磁體入口是近乎直接相連，在磁體放電時，TD出口壓力會急劇上升(有時會上升1.5×105Pa)，使得TD的膨脹比減小，從而轉速會下降;相同的進口壓力、溫度下，透平膨脹機的轉速下降會導致透平膨脹機熱效率降低，表現為出口溫度升高;流量是根據出口溫度和出口壓力計算得出，故流量也隨之變化。此TD大概經歷20余次的人工模擬，性能表現非常良好。如圖2所示，這樣人為的模擬是靠關小排氣閥門V2166來實現的。

3 測試結果與設計值比較

圖5 TD-01-06停機過程各個參數關系圖Fig.5 Stopping process of turbine TD-01-06

此改進維修的俄羅斯氦透平膨脹機(代號:TD-01-06)穩定運行某時刻實際運行參數見表3，在這個轉速下還比較穩定。對比設計參數表4可以看出，進口壓力、效率等實際測量都小于設計值。進口壓力偏低的主要原因是在這個進口壓力下，流量與制冷量已足夠需求，無需再增加進口壓力的必要;運行效率偏低的主要原因是進口溫度偏高，沒有能夠運行在設計進口溫度左右(測試時人為調高，防止透平膨脹機出口帶液)，否則，運行效率會提高。流量與制冷量實際測量都大于設計值，流量偏大，這個與氦透平膨脹機葉輪與擴壓器的裝配間隙偏大和葉輪的流道設計有關。制冷量的偏大直接是由于流量偏大所引起的。若增加進口壓力，流量、效率與制冷量都會相應增加，進出口溫度降低，不但可以增加制冷量，還可以增加制冷量的“品質”，這對提高制冷機系統效率是有利的，但不能偏離太多，這樣對氦透平膨脹機不利，其效率會有所降低。

表3 TD-01-06實際穩定運行參數Table 3 Stability running parameters of TD-01-06

表4 TD-01-06設計參數Table 4 Designed parameters of TD-01-06

4 結論

敘述了EAST低溫系統俄制氦透平膨脹機結構、維修、測試過程。此氦透平膨脹機的維修改進并調試成功，初步解決了EAST低溫系統核心問題。但此氦透平膨脹機還存流量偏大，效率偏低等不足，有待進一步改進。在穩定運行期間其轉速還是相當穩定的，和其它透平膨脹機一樣，不知道其“軸心軌跡”是否穩定，此時穩定的轉速不一定代表穩定的軸心軌跡，還需要增加一對位移傳感器檢測其軸心軌跡變化，這也是下一步需要考慮的問題。此次維修改進俄制氦透平膨脹機只是調試成功，前后經歷大概50小時(4萬轉每分以下低轉速運行大約2小時，11萬轉每分以上高轉速運行大約46小時)，能否接受EAST放電考驗，能否長期穩定運行替代俄羅斯進口原裝氦透平膨脹機還有待進一步通過實踐檢驗。

1 Wan Yuanxi，HT-7 Team，HT-7U Team.Overview of steady state operation of HT-7 and present status of the EAST project［J］.Nuclear Fusion，2000，40:1057-1068.

2 付 豹.EAST低溫系統氦透平膨脹機的設計與性能測試［D］.北京:中國科學院研究生院，2007.

3 Bai Hongyu，Bi Yanfang，Wang Jingrong，et al.Design of 2kW/4K helium refrigerator for HT-7U［C］.Conference proceedings of ICEC19，2002.

4 白紅宇.HT-7U超導托卡馬克氦制冷系統熱力學分析及設計研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2002.

5 付 豹，朱 平，莊 明.EAST低溫系統又一新降溫模式［J］.低溫與超導，2010，38(3):11-15.

6 計光華.透平膨脹機［M］.北京:機械工業出版社，1989.