低溫氦氣體軸承透平膨脹機實驗系統設計

孫良瑞 熊聯友 劉立強

(1中國科學院理化技術研究所 北京 100190)

(2中國科學院研究生院 北京 100049)

(3中國科學院低溫工程學重點實驗室 北京 100190)

1 引 言

低溫氦氣體軸承透平膨脹機(簡稱氦透平膨脹機)是大型低溫制冷系統的關鍵部件，通過它的膨脹制冷來實現并維持在所需溫區以下的低溫環境。因此氦透平膨脹機技術在空間技術［1-2］、大科學工程，超導應用等諸多核心高技術領域發揮著不可替代的作用。

氦透平膨脹機是一個高速旋轉的葉輪機械，葉輪尺寸小(直徑從幾毫米至幾十毫米)，工作轉速高(十幾萬至近百萬轉每分)。由于高轉速以及高清潔度、深低溫等要求，支撐轉子的軸承不能采用傳統的油潤滑軸承，而必須采用氦氣體潤滑軸承，即膨脹機轉子是由一層非常薄的只有幾微米至幾十微米厚的氦氣膜來提供潤滑和支撐。由于氣膜的剛度、阻尼系數小，其承載能力和運轉穩定性一直是低溫領域的研究重點。此外，由于膨脹機轉子兩端分別工作在低溫和常溫環境，溫度變化劇烈，沿轉子軸向的溫度梯度非常高，軸向導熱引起的漏熱會降低膨脹機絕熱效率。增加轉子轉速有利于提高低溫氦透平膨脹機的效率，但容易失穩［3］，所以應綜合考慮膨脹機的轉速、絕熱效率與運轉穩定性的關系。

鑒于透平膨脹機在低溫系統中的關鍵作用以及研制難度，建立低溫氦氣體軸承透平膨脹機的實驗系統非常重要。實驗系統的建立可以為透平膨脹機實驗研究提供所需的低溫環境，提供實驗研究所需的必要功能，并能深入系統地進行熱力性能的研究以及機械性能的研究。

2 實驗系統流程布置方案

氦透平膨脹機實驗系統最核心的功能就是要通過調節實驗系統的制冷能力，來實現可調節的低溫環境，進而仿真氦透平膨脹機實驗研究所需要的工況。調節能力越強，就越容易實現實驗工況的仿真。有3種方案可以達到可調節的低溫環境的目標:一是利用待測的氦透平膨脹機的制冷能力，通過系統自身的能量平衡來實現低溫環境，但這種調節能力有限。二是增加一個輔助的氦透平膨脹機，利用輔助透平膨脹機的制冷能力來調節，但是增加一臺氦透平膨脹機，會增加整個系統的復雜性，不利于實驗系統的維護和穩定性。三是通過設置液氮預冷提供冷量來調節低溫環境，這種方法不但調節能力較強，而且范圍也廣。通過對比，本實驗系統采用液氮預冷來實現可調節的低溫環境。

除了實現低溫環境以外，還必須要使低溫環境的溫度可以穩定控制。本文采用增加旁路調節以及使待測氦膨脹機后置的方案，這樣更加有利于低溫環境下溫度的穩定控制，并且后置膨脹使得進入負載換熱器的氦氣是高壓氣流，有助于減少負載換熱器的尺寸以及氦氣在負載換熱器中的流動阻力。

以上的流程設計以及控制方案可以有6種不同的組合，最終選取液氮預冷以及待測透平膨脹機后置作為本實驗系統的實施方案，結構見圖1。

圖1 透平膨脹機實驗系統方案Fig.1 Program of turbo-expander experiment system

氦透平膨脹機裝拆過程中易發生系統污染，不同規格膨脹機裝拆時會破壞冷箱真空夾層高真空，實驗前系統預處理時間長，實驗效率低。

為避免雜質氣體在低溫下凝固從而堵塞換熱器通道以及氦透平膨脹機軸承間隙，涉及氦透平膨脹機的系統在開機前要做系統純度檢測，要求系統內的氦氣有著極高的純度，即:氮氣含量＜30×10－6，氫氣含量＜5 ×10－6，水含量 ＜10 ×10－6，油含量 ＜20 ×10－9。裝拆氦透平膨脹機時與透平膨脹機連接的管道暴露在環境中會使環境中的空氣進入到系統中而污染系統，如果污染嚴重，將浪費大量時間來進行系統純化。如果是更換另一種規格的氦透平膨脹機，由于氦透平膨脹機的低溫端接口不同，需要卸開冷箱絕熱真空夾層中的與氦透平膨脹機連接的管道法蘭進行整體更換，這時冷箱夾層真空將被破壞，等安裝完后需重新處理冷箱夾層真空。此外，如果在冷箱未復溫前進行氦透平膨脹機的拆裝，還將使得冷箱內部管道及部件內外冷表面結霜、結露從而引起污染和堵塞，因此必須等冷箱完全復溫才能進行膨脹機的拆裝。

為解決這些問題可將試驗系統低溫部分按分體結構設計，如圖1所示，將系統低溫部分的部件分別安裝在冷箱和測試臺兩個具有獨立真空的絕熱真空容器中，冷箱和測試臺之間用低溫絕熱管道連接。冷箱中的換熱器尺寸大，因而整體尺寸也大，而測試臺只包含氦透平膨脹機、負載換熱器等尺寸小、熱容小的部件，可以做得很緊湊，高度合適，也方便操作。由于測試臺具有獨立真空，因此膨脹機的拆裝只會破壞測試臺的絕熱真空，而不會破壞冷箱的絕熱真空，大大減少了絕熱真空的處理時間。

3 實驗系統流程計算

實驗系統為帶有液氮預冷的逆布雷頓循環，逆布雷頓循環是以氣體為工質的制冷循環，其工作過程包括絕熱壓縮、等壓放熱、絕熱膨脹以及等壓吸熱4個過程。因為實驗系統要對不同規格的氦透平膨脹機進行測試，所以設計高壓和低壓兩種不同的方案。各點的參數見圖2。

圖2 液氮預冷單級膨脹流程參數Fig.2 Parameters of single-stage expander flow process with liquid nitrogen precooling

低壓方案設計參數為:氦氣質量流量76 g/s，冷箱入口溫度、壓力310 K/720 kPa，冷箱出口溫度、壓力298 K/105 kPa，膨脹機進口溫度、壓力21.50 K/598 kPa，絕熱效率70%，膨脹機出口溫度、壓力14.6 K/135 kPa，絕熱效率70%。液氮消耗大于9 g/s。TS圖見圖3。

圖3 液氮預冷單級膨脹低壓流程T-S圖Fig.3 T-S figure of single-stage expander low pressure flow process with nitrogen liquid precooling

高壓方案設計參數為:氦氣質量流量76 g/s，冷箱入口溫度、壓力310 K/1 250 kPa，冷箱出口溫度、壓力298 K/105 kPa，膨脹機進口溫度、壓力 22.00 K/940 kPa，絕熱效率70%，膨脹機出口溫度、壓力13.40 K/135 kPa。液氮消耗大于10 g/s。T-S圖見圖4。

圖4 液氮預冷單級膨脹高壓流程T-S圖Fig.4 T-S figure of single-stage expander high pressure flow process with nitrogen liquid precooling

通過工況的比較，高壓設計在同樣效率下膨脹機的出口溫度較低，但同時也需要更多的液氮。

4 實驗系統的組成部分

低溫氦氣體軸承透平膨脹機實驗系統通常由壓力氦氣源、冷箱、測試臺以及控制系統組成，如圖5所示。實驗時將被測透平膨脹機安裝連接到測試臺上的專門接口，就可以進行相關的實驗測試和研究。

圖5 透平膨脹機實驗系統組成Fig.5 Composition of turbo-expander experiment system

4.1 壓力氦氣源

壓力氦氣源系統是常溫氦氣系統，壓縮機是實驗系統氣源的主要設備，為系統提供高壓氦氣，使氦氣在整個實驗系統中得以循環。本實驗系統使用德國凱撒公司的氦壓縮機ESD442FC/14×105Pa，吸氣壓力范圍(1.0—1.3)×105Pa，輸出壓力14 ×105Pa，額定質量流量80 g/s，滿足氦氣壓力源的使用要求。

氣源系統中的緩沖罐作為氣源儲備結合閥門用以調節高低壓管道的壓力，閥門CV-1可以直接快速調節高低壓管道的壓力差。當高壓管道壓力高時，打開閥門CV-2，使系統內氦氣進入緩沖罐，以降低壓力。當高壓管道壓力低時，打開閥門CV-3，使緩沖罐內氦氣進入系統，以增加壓力。

4.2 冷箱

冷箱包含多級板翅式換熱器、調節閥門、低溫管線以及多組溫度、壓力、流量傳感器等組成。冷箱為一圓柱形筒體，高2.35m，直徑1.7m。其中板翅式換熱器的作用是回收冷量，預冷來流氣體;旁通閥的作用在于調節待測透平膨脹機的進氣流量，透平出口減壓閥的作用在于調節透平膨脹機的出口壓力。

4.3 測試臺

測試臺主要包含待測透平膨脹機接口、低溫截止閥、電熱負載換熱器。實驗時將被測透平膨脹機通過法蘭連接到測試臺接口上，法蘭連接可以滿足多種型號膨脹機的拆裝。測試臺是一個相對冷箱來說體積較小的真空容器，高1.8 m，直徑1.11 m，這樣分體結構設計的缺點是由于多了一個真空容器，制造成本會稍有增加。此外由于連接兩個真空容器內部管道的低溫傳輸管線會引入額外漏熱，會增加系統的總體漏熱，但通過絕熱設計，漏熱可以控制在較小范圍內。

4.4 待測透平膨脹機

氦透平膨脹機的效率是設計中最為關鍵的參數，而高的效率需要膨脹機的轉子在高速下運轉。轉子的結構形式常用的有氣體軸承透平和油軸承透平，氣體軸承透平又分為靜壓氣體軸承透平和動壓氣體軸承透平。油軸承透平膨脹機穩定性較高［4］，但是在高速運轉的情況下會使油的溫度升高而降低油的黏度，會影響制動效果。同時氦透平膨脹機的高清潔度以及深低溫使油軸承也不適用于轉子軸承。氣體軸承中的靜壓氣體軸承相對于動壓氣體軸承來說支撐剛度較高，但是需要額外的供氣系統，會增加裝置的復雜性，所以研究動壓氣體軸承在氦透平膨脹機中的使用對于提高膨脹機的效率尤為重要［5］。

4.5 控制系統

圖6 透平膨脹機實驗系統控制系統Fig.6 Control system of turbo-expander experiment system

實驗系統控制系統主要由一個主PLC和4個從PLC組成，如圖6所示，分別對壓縮機、氣體管理面板、冷箱和測試臺進行測控。測控的參數主要有溫度、壓力、流量等，以便對整個系統的調試和運轉進行控制。

5 總 結

通過該實驗系統的研制，可以建立一套具有自主知識產權的氦透平膨脹機的實驗系統，為發展中國低溫工程所需的大型低溫制冷機提供基本的實驗研究平臺，使中國能夠盡快開展以氦為工質的低溫環境下透平膨脹機實驗研究，并最終掌握氦透平膨脹機核心技術，有助于中國在氫、氦制冷技術領域得到長遠發展，保障國家安全以及中國大科學工程、超導等國家發展重大項目的順利實施。

1 花嚴紅，羅 濤，汪永根，等.氦透平膨脹機在空間技術的應用現狀及展望［J］.通用機械，2008(08):46-49.

2 侯 予，熊聯友，劉立強，等.低溫氦透平膨脹機的熱力設計及性能分析［J］.西安交通大學學報，2003，37(7):666-669.

3 熊聯友，陳純正，劉立強，等.新型氦氣體透平膨脹機的研制［J］.低溫與特氣，2002，20(1):23-25.

4 王學敏，朱 平，付 豹.油氣混合氦透平膨脹機在EAST低溫系統中應用現狀研究［J］.潤滑與密封，2010，35(7):95-98.

5 朱朝輝，侯 予，熊聯友，等.低溫氦透平膨脹機的研究進展［J］.低溫與特氣，2003，21，(1):1-6.