低温氦气体轴承透平膨胀机实验系统设计

孙良瑞 熊联友 刘立强

(1中国科学院理化技术研究所 北京 100190)

(2中国科学院研究生院 北京 100049)

(3中国科学院低温工程学重点实验室 北京 100190)

1 引 言

低温氦气体轴承透平膨胀机(简称氦透平膨胀机)是大型低温制冷系统的关键部件，通过它的膨胀制冷来实现并维持在所需温区以下的低温环境。因此氦透平膨胀机技术在空间技术［1-2］、大科学工程，超导应用等诸多核心高技术领域发挥着不可替代的作用。

氦透平膨胀机是一个高速旋转的叶轮机械，叶轮尺寸小(直径从几毫米至几十毫米)，工作转速高(十几万至近百万转每分)。由于高转速以及高清洁度、深低温等要求，支撑转子的轴承不能采用传统的油润滑轴承，而必须采用氦气体润滑轴承，即膨胀机转子是由一层非常薄的只有几微米至几十微米厚的氦气膜来提供润滑和支撑。由于气膜的刚度、阻尼系数小，其承载能力和运转稳定性一直是低温领域的研究重点。此外，由于膨胀机转子两端分别工作在低温和常温环境，温度变化剧烈，沿转子轴向的温度梯度非常高，轴向导热引起的漏热会降低膨胀机绝热效率。增加转子转速有利于提高低温氦透平膨胀机的效率，但容易失稳［3］，所以应综合考虑膨胀机的转速、绝热效率与运转稳定性的关系。

鉴于透平膨胀机在低温系统中的关键作用以及研制难度，建立低温氦气体轴承透平膨胀机的实验系统非常重要。实验系统的建立可以为透平膨胀机实验研究提供所需的低温环境，提供实验研究所需的必要功能，并能深入系统地进行热力性能的研究以及机械性能的研究。

2 实验系统流程布置方案

氦透平膨胀机实验系统最核心的功能就是要通过调节实验系统的制冷能力，来实现可调节的低温环境，进而仿真氦透平膨胀机实验研究所需要的工况。调节能力越强，就越容易实现实验工况的仿真。有3种方案可以达到可调节的低温环境的目标:一是利用待测的氦透平膨胀机的制冷能力，通过系统自身的能量平衡来实现低温环境，但这种调节能力有限。二是增加一个辅助的氦透平膨胀机，利用辅助透平膨胀机的制冷能力来调节，但是增加一台氦透平膨胀机，会增加整个系统的复杂性，不利于实验系统的维护和稳定性。三是通过设置液氮预冷提供冷量来调节低温环境，这种方法不但调节能力较强，而且范围也广。通过对比，本实验系统采用液氮预冷来实现可调节的低温环境。

除了实现低温环境以外，还必须要使低温环境的温度可以稳定控制。本文采用增加旁路调节以及使待测氦膨胀机后置的方案，这样更加有利于低温环境下温度的稳定控制，并且后置膨胀使得进入负载换热器的氦气是高压气流，有助于减少负载换热器的尺寸以及氦气在负载换热器中的流动阻力。

以上的流程设计以及控制方案可以有6种不同的组合，最终选取液氮预冷以及待测透平膨胀机后置作为本实验系统的实施方案，结构见图1。

图1 透平膨胀机实验系统方案Fig.1 Program of turbo-expander experiment system

氦透平膨胀机装拆过程中易发生系统污染，不同规格膨胀机装拆时会破坏冷箱真空夹层高真空，实验前系统预处理时间长，实验效率低。

为避免杂质气体在低温下凝固从而堵塞换热器通道以及氦透平膨胀机轴承间隙，涉及氦透平膨胀机的系统在开机前要做系统纯度检测，要求系统内的氦气有着极高的纯度，即:氮气含量＜30×10－6，氢气含量＜5 ×10－6，水含量 ＜10 ×10－6，油含量 ＜20 ×10－9。装拆氦透平膨胀机时与透平膨胀机连接的管道暴露在环境中会使环境中的空气进入到系统中而污染系统，如果污染严重，将浪费大量时间来进行系统纯化。如果是更换另一种规格的氦透平膨胀机，由于氦透平膨胀机的低温端接口不同，需要卸开冷箱绝热真空夹层中的与氦透平膨胀机连接的管道法兰进行整体更换，这时冷箱夹层真空将被破坏，等安装完后需重新处理冷箱夹层真空。此外，如果在冷箱未复温前进行氦透平膨胀机的拆装，还将使得冷箱内部管道及部件内外冷表面结霜、结露从而引起污染和堵塞，因此必须等冷箱完全复温才能进行膨胀机的拆装。

为解决这些问题可将试验系统低温部分按分体结构设计，如图1所示，将系统低温部分的部件分别安装在冷箱和测试台两个具有独立真空的绝热真空容器中，冷箱和测试台之间用低温绝热管道连接。冷箱中的换热器尺寸大，因而整体尺寸也大，而测试台只包含氦透平膨胀机、负载换热器等尺寸小、热容小的部件，可以做得很紧凑，高度合适，也方便操作。由于测试台具有独立真空，因此膨胀机的拆装只会破坏测试台的绝热真空，而不会破坏冷箱的绝热真空，大大减少了绝热真空的处理时间。

3 实验系统流程计算

实验系统为带有液氮预冷的逆布雷顿循环，逆布雷顿循环是以气体为工质的制冷循环，其工作过程包括绝热压缩、等压放热、绝热膨胀以及等压吸热4个过程。因为实验系统要对不同规格的氦透平膨胀机进行测试，所以设计高压和低压两种不同的方案。各点的参数见图2。

图2 液氮预冷单级膨胀流程参数Fig.2 Parameters of single-stage expander flow process with liquid nitrogen precooling

低压方案设计参数为:氦气质量流量76 g/s，冷箱入口温度、压力310 K/720 kPa，冷箱出口温度、压力298 K/105 kPa，膨胀机进口温度、压力21.50 K/598 kPa，绝热效率70%，膨胀机出口温度、压力14.6 K/135 kPa，绝热效率70%。液氮消耗大于9 g/s。TS图见图3。

图3 液氮预冷单级膨胀低压流程T-S图Fig.3 T-S figure of single-stage expander low pressure flow process with nitrogen liquid precooling

高压方案设计参数为:氦气质量流量76 g/s，冷箱入口温度、压力310 K/1 250 kPa，冷箱出口温度、压力298 K/105 kPa，膨胀机进口温度、压力 22.00 K/940 kPa，绝热效率70%，膨胀机出口温度、压力13.40 K/135 kPa。液氮消耗大于10 g/s。T-S图见图4。

图4 液氮预冷单级膨胀高压流程T-S图Fig.4 T-S figure of single-stage expander high pressure flow process with nitrogen liquid precooling

通过工况的比较，高压设计在同样效率下膨胀机的出口温度较低，但同时也需要更多的液氮。

4 实验系统的组成部分

低温氦气体轴承透平膨胀机实验系统通常由压力氦气源、冷箱、测试台以及控制系统组成，如图5所示。实验时将被测透平膨胀机安装连接到测试台上的专门接口，就可以进行相关的实验测试和研究。

图5 透平膨胀机实验系统组成Fig.5 Composition of turbo-expander experiment system

4.1 压力氦气源

压力氦气源系统是常温氦气系统，压缩机是实验系统气源的主要设备，为系统提供高压氦气，使氦气在整个实验系统中得以循环。本实验系统使用德国凯撒公司的氦压缩机ESD442FC/14×105Pa，吸气压力范围(1.0—1.3)×105Pa，输出压力14 ×105Pa，额定质量流量80 g/s，满足氦气压力源的使用要求。

气源系统中的缓冲罐作为气源储备结合阀门用以调节高低压管道的压力，阀门CV-1可以直接快速调节高低压管道的压力差。当高压管道压力高时，打开阀门CV-2，使系统内氦气进入缓冲罐，以降低压力。当高压管道压力低时，打开阀门CV-3，使缓冲罐内氦气进入系统，以增加压力。

4.2 冷箱

冷箱包含多级板翅式换热器、调节阀门、低温管线以及多组温度、压力、流量传感器等组成。冷箱为一圆柱形筒体，高2.35m，直径1.7m。其中板翅式换热器的作用是回收冷量，预冷来流气体;旁通阀的作用在于调节待测透平膨胀机的进气流量，透平出口减压阀的作用在于调节透平膨胀机的出口压力。

4.3 测试台

测试台主要包含待测透平膨胀机接口、低温截止阀、电热负载换热器。实验时将被测透平膨胀机通过法兰连接到测试台接口上，法兰连接可以满足多种型号膨胀机的拆装。测试台是一个相对冷箱来说体积较小的真空容器，高1.8 m，直径1.11 m，这样分体结构设计的缺点是由于多了一个真空容器，制造成本会稍有增加。此外由于连接两个真空容器内部管道的低温传输管线会引入额外漏热，会增加系统的总体漏热，但通过绝热设计，漏热可以控制在较小范围内。

4.4 待测透平膨胀机

氦透平膨胀机的效率是设计中最为关键的参数，而高的效率需要膨胀机的转子在高速下运转。转子的结构形式常用的有气体轴承透平和油轴承透平，气体轴承透平又分为静压气体轴承透平和动压气体轴承透平。油轴承透平膨胀机稳定性较高［4］，但是在高速运转的情况下会使油的温度升高而降低油的黏度，会影响制动效果。同时氦透平膨胀机的高清洁度以及深低温使油轴承也不适用于转子轴承。气体轴承中的静压气体轴承相对于动压气体轴承来说支撑刚度较高，但是需要额外的供气系统，会增加装置的复杂性，所以研究动压气体轴承在氦透平膨胀机中的使用对于提高膨胀机的效率尤为重要［5］。

4.5 控制系统

图6 透平膨胀机实验系统控制系统Fig.6 Control system of turbo-expander experiment system

实验系统控制系统主要由一个主PLC和4个从PLC组成，如图6所示，分别对压缩机、气体管理面板、冷箱和测试台进行测控。测控的参数主要有温度、压力、流量等，以便对整个系统的调试和运转进行控制。

5 总 结

通过该实验系统的研制，可以建立一套具有自主知识产权的氦透平膨胀机的实验系统，为发展中国低温工程所需的大型低温制冷机提供基本的实验研究平台，使中国能够尽快开展以氦为工质的低温环境下透平膨胀机实验研究，并最终掌握氦透平膨胀机核心技术，有助于中国在氢、氦制冷技术领域得到长远发展，保障国家安全以及中国大科学工程、超导等国家发展重大项目的顺利实施。

1 花严红，罗 涛，汪永根，等.氦透平膨胀机在空间技术的应用现状及展望［J］.通用机械，2008(08):46-49.

2 侯 予，熊联友，刘立强，等.低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析［J］.西安交通大学学报，2003，37(7):666-669.

3 熊联友，陈纯正，刘立强，等.新型氦气体透平膨胀机的研制［J］.低温与特气，2002，20(1):23-25.

4 王学敏，朱 平，付 豹.油气混合氦透平膨胀机在EAST低温系统中应用现状研究［J］.润滑与密封，2010，35(7):95-98.

5 朱朝辉，侯 予，熊联友，等.低温氦透平膨胀机的研究进展［J］.低温与特气，2003，21，(1):1-6.