EAST低溫系統(tǒng)俄制氦透平膨脹機(jī)維修改進(jìn)與測試

付 豹 張啟勇 朱 平 成安義

1 EAST低溫系統(tǒng)及氦透平膨脹機(jī)介紹

1.1 氦低溫系統(tǒng)介紹

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

圖1為EAST氦制冷機(jī)的流程簡圖［2］，其核心部件是4臺(tái)俄制氦透平膨脹機(jī)，EAST低溫系統(tǒng)共有12臺(tái)4種不同進(jìn)口參數(shù)的氦透平膨脹機(jī)(每種類型有備份2個(gè))，分別工作在不同的壓力和溫度下。其中3臺(tái)(T1、T2、T3)用來制取4.5 K液氦溫區(qū)的冷量和生產(chǎn)液氦來冷卻超導(dǎo)磁體及其它部件，另一臺(tái)(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(zhuǎn)速下，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速在10—18萬轉(zhuǎn)每分［4］，工作轉(zhuǎn)速一般都在10萬轉(zhuǎn)每分左右。

圖1 EAST低溫系統(tǒng)流程圖Fig.1 Schematic diagram of EAST cryogenic system

1.2 俄制氦透平膨脹結(jié)構(gòu)介紹與分析

EAST低溫系統(tǒng)4種不同進(jìn)口參數(shù)的氦氣透平膨脹機(jī)是從俄羅斯“氦機(jī)器”公司進(jìn)口的，采用油軸承與氣體軸承混合結(jié)構(gòu)。其主要由軸承室、轉(zhuǎn)子(葉輪和主軸)、噴嘴、擴(kuò)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(zhuǎn)速計(jì)、回油罩和外圍幾個(gè)絕熱塊等部件組成。氦氣體軸承采用單排圓周8個(gè)固有孔節(jié)流的供氣孔結(jié)構(gòu)形式;徑向止推油軸承徑向采用2排圓周8個(gè)環(huán)面節(jié)流供油結(jié)構(gòu)形式和止推單排圓周8個(gè)環(huán)面節(jié)流供油結(jié)構(gòu)形式;止推油軸承采用單排圓周8個(gè)環(huán)面節(jié)流供油結(jié)構(gòu)形式。潤滑油采用的是長城潤滑油公司生產(chǎn)的32#汽輪機(jī)油，潤滑油的既有支撐潤滑作用也有摩擦制動(dòng)向外輸出功的作用。此次維修改進(jìn)設(shè)計(jì)的俄制氦透平膨脹機(jī)為TD型，代號(hào):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(jī)的損壞基本上都是發(fā)生在啟動(dòng)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(dǎo)致轉(zhuǎn)子做圓錐擺動(dòng)、氣體軸承承載力不夠或轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)出現(xiàn)“半速渦動(dòng)”等因素，導(dǎo)致氦透平膨脹機(jī)損壞。

一般的維修工作程序?yàn)?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(xù)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(nèi)孔尺寸，根據(jù)此測量尺寸，研磨主軸，保證主軸與軸承的各個(gè)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(jù)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(jìn)一步磨削，以方便主軸后期動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。所有零件加工、裝配完畢后，接下來要進(jìn)行零件清洗與轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。零件清洗一定要及時(shí)，并保證清洗干凈，這是裝配前的關(guān)鍵步驟。動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)是先平衡主軸，然后主軸與葉輪放在一起再整體做動(dòng)平衡。整體動(dòng)平衡合格后，葉輪與主軸拆開，再裝上，反復(fù)幾次，保證拆開前后動(dòng)平衡剩余不平衡量差異少于2 mg。確定轉(zhuǎn)子剩余不平衡量小于5 mg。清洗轉(zhuǎn)子，確認(rèn)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(shí)可以不考慮。葉輪與擴(kuò)壓器之間的間隙通過擴(kuò)壓器底座與氣體軸承之間的調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)。

2.2 TD-01-06啟動(dòng)前進(jìn)出口參數(shù)與啟動(dòng)準(zhǔn)備

TD-01-06啟動(dòng)前進(jìn)出口參數(shù)、啟動(dòng)過程參數(shù)設(shè)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(duì)應(yīng)供氣閥門全開)。為了方便啟動(dòng)，制動(dòng)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(zhuǎn)速約3萬轉(zhuǎn)每分，把油壓逐漸加到22.5×105Pa，以后就無須再增加。啟動(dòng)過程制動(dòng)油壓參數(shù)設(shè)置可以遵循這樣的規(guī)律:在開始啟動(dòng)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(dòng)過大不利于啟動(dòng)，等轉(zhuǎn)速加到3萬轉(zhuǎn)每分以上時(shí)再根據(jù)轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況、進(jìn)口壓力增大時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況再來調(diào)節(jié)制動(dòng)油壓。若沒有飛車現(xiàn)象，則油壓沒有必要供的太高，否則會(huì)加劇氣體軸承與油軸承剛度的不匹配程度，更易引起轉(zhuǎn)子的圓錐渦動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子＆軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。熱密封壓力在開始啟動(dòng)時(shí)供到3.0×105Pa左右，以后根據(jù)回氣結(jié)霜情況，逐步增加，一般不超過10.0×105Pa。對(duì)于TD熱密封壓力設(shè)置遵循如下的規(guī)律:啟動(dòng)前可以供給約3.0×105Pa左右，等轉(zhuǎn)速到3萬轉(zhuǎn)每分左右根據(jù)回氣結(jié)霜情況，逐步增加，最終保證回氣有輕微結(jié)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(huì)影響透平膨脹機(jī)的整機(jī)熱效率。

表1 TD-01-06啟動(dòng)前進(jìn)出口參數(shù)Table 1 Parameters of TD-01-06 before starting up

表2 TD-01-06啟動(dòng)過程參數(shù)設(shè)置Table 2 Setting parameters of TD-01-06 before starting process

2.3 啟動(dòng)過程分析

2.3.1 運(yùn)行結(jié)果

正常運(yùn)行結(jié)果如圖2所示，TD-01-06轉(zhuǎn)速約111.0萬轉(zhuǎn)每分，流量約133.0 g/s(對(duì)應(yīng)的進(jìn)口溫度是10.5 K，若進(jìn)口溫度為8.0 K左右，流量會(huì)變大，約為180 g/s)，Pin=14.94 ×105Pa，Pout=3.18 ×105Pa，Tin=10.8 K(實(shí)際可以降到8 K左右，為了調(diào)試的需要，防止透平膨脹機(jī)出口帶液和氣體節(jié)流后液化，通過旁通閥門 V2166，故意把進(jìn)口溫度調(diào)高)，Tout=6.72 K，效率 =62.91%;在此進(jìn)口參數(shù)下，穩(wěn)定運(yùn)行48小時(shí)左右。

圖2 TD-01-06穩(wěn)定運(yùn)行界面截圖Fig.2 Cutting chart of TD-01-06

2.3.2 啟動(dòng)過程

整個(gè)啟動(dòng)過程大概花費(fèi)150分鐘(2—3萬轉(zhuǎn)每分低速降溫花費(fèi)約100分鐘)，在啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)上升，沒有大的波動(dòng)，最終轉(zhuǎn)速在11萬轉(zhuǎn)每分穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。為了防止透平膨脹機(jī)出口帶液和氣體節(jié)流液化。因此，通過調(diào)節(jié)旁通閥門V2166，把TD-01-06進(jìn)口溫度控制在10.5 K左右。

啟動(dòng)過程:進(jìn)氣閥門V2241開度為26.5%時(shí)，氦透平膨脹機(jī)進(jìn)口為油溫為299.7 K。TD-01-06制動(dòng)油壓為14.5 ×105Pa，進(jìn)口壓力為2.36 ×105Pa，出口壓力為1.29 ×105Pa，壓差為1.07 ×105Pa時(shí)，開始有轉(zhuǎn)速。一般情況下，調(diào)試油氣混合軸承氦透平膨脹機(jī)，進(jìn)出口壓差達(dá)到1.5×105Pa，仍無轉(zhuǎn)速，則不要再繼續(xù)增加進(jìn)口壓力，應(yīng)關(guān)閉進(jìn)口閥門，拆下檢查原因。待分析完畢后再調(diào)試。此次TD-01-06啟動(dòng)過程質(zhì)量流量、進(jìn)出口壓力、閥門開度、進(jìn)口溫度等與轉(zhuǎn)速等之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 TD-01-06啟動(dòng)過程各個(gè)參數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Starting up process of turbine TD-01-06

如圖3，由啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速圖可以看出:開始時(shí)進(jìn)出口溫度比較高(20 K以上)，是由于氦透平膨脹機(jī)安裝后，進(jìn)出口管道、閥門、一些換熱器等都處于常溫狀態(tài)，需要慢速冷卻下來(這是一個(gè)比較漫長的過程，約占整個(gè)啟動(dòng)時(shí)間的2/3以上)才可以啟動(dòng)。啟動(dòng)過程大概經(jīng)歷150分鐘，TD-01-06的調(diào)試比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速隨進(jìn)口壓力穩(wěn)步上升，沒有大的飛車跡象。轉(zhuǎn)速升到110萬轉(zhuǎn)每分左右時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)非常小，在額定轉(zhuǎn)速附近(額定轉(zhuǎn)速11.2萬轉(zhuǎn)每分)。轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小的原因可能有:其一，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)做的非常成功;減輕了軸承的負(fù)擔(dān);其二氦透平膨脹機(jī)啟動(dòng)過程中進(jìn)口壓力增幅一直很小(閥門開度0.3%步長)，對(duì)葉輪的動(dòng)量矩增幅也很緩慢，其三，進(jìn)口溫度在12 K以下，屬于低溫區(qū)，此區(qū)氦氣焓降變化不大，氦氣對(duì)葉輪的動(dòng)量矩增幅亦很小;其四，轉(zhuǎn)速達(dá)到10萬轉(zhuǎn)每分以上，轉(zhuǎn)子變?yōu)椤叭嵝赞D(zhuǎn)子”，轉(zhuǎn)子會(huì)“自對(duì)中”其剩余動(dòng)不平衡量會(huì)降低。

48小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行分析:如圖4所示，在整個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行期間，閥門是保持開度不變，透平膨脹機(jī)進(jìn)口壓力受閥前壓力波動(dòng)的影響;從圖4可以看出，透平膨脹機(jī)進(jìn)口壓力基本保持恒定，這個(gè)歸功于壓機(jī)站的調(diào)節(jié)，這樣對(duì)透平膨脹機(jī)的擾動(dòng)很小，對(duì)透平膨脹機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行是有利的。在低溫區(qū)，出口溫度對(duì)透平膨脹機(jī)流量影響很大，因?yàn)榇藭r(shí)的流量是根據(jù)透平膨脹機(jī)出口壓力、溫度管徑等參數(shù)計(jì)算得來，在如此高壓低溫區(qū)，氦氣易形成“臨界轉(zhuǎn)變”，微小的溫度變化，會(huì)導(dǎo)致大的密度變化。氦頭透平膨脹機(jī)在完成啟動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行后，其運(yùn)行穩(wěn)定性主要受進(jìn)出口壓力的波動(dòng)和進(jìn)口溫度波動(dòng)的影響。當(dāng)然，外圍輔助油泵系統(tǒng)和潤滑油溫度也是影響其穩(wěn)定性的因素之一。

圖4 TD-01-06啟動(dòng)、運(yùn)行過程轉(zhuǎn)速圖，48小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行過程各個(gè)參數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Starting up and running process of turbine TD-01-06

由圖5可看出，停機(jī)前在進(jìn)口壓力、閥門開度沒有變化時(shí)，轉(zhuǎn)速、質(zhì)量流量、進(jìn)口溫度、出口溫度等都出現(xiàn)了“鋸齒型”波動(dòng)，這是由于操作人員模擬EAST放電時(shí)，對(duì)TD實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)影響而產(chǎn)生的。因?yàn)镋AST實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生交流損耗，瞬間會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致磁體內(nèi)大量的液氦蒸發(fā)，又因?yàn)門D出口與磁體入口是近乎直接相連，在磁體放電時(shí)，TD出口壓力會(huì)急劇上升(有時(shí)會(huì)上升1.5×105Pa)，使得TD的膨脹比減小，從而轉(zhuǎn)速會(huì)下降;相同的進(jìn)口壓力、溫度下，透平膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速下降會(huì)導(dǎo)致透平膨脹機(jī)熱效率降低，表現(xiàn)為出口溫度升高;流量是根據(jù)出口溫度和出口壓力計(jì)算得出，故流量也隨之變化。此TD大概經(jīng)歷20余次的人工模擬，性能表現(xiàn)非常良好。如圖2所示，這樣人為的模擬是靠關(guān)小排氣閥門V2166來實(shí)現(xiàn)的。

3 測試結(jié)果與設(shè)計(jì)值比較

圖5 TD-01-06停機(jī)過程各個(gè)參數(shù)關(guān)系圖Fig.5 Stopping process of turbine TD-01-06

此改進(jìn)維修的俄羅斯氦透平膨脹機(jī)(代號(hào):TD-01-06)穩(wěn)定運(yùn)行某時(shí)刻實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見表3，在這個(gè)轉(zhuǎn)速下還比較穩(wěn)定。對(duì)比設(shè)計(jì)參數(shù)表4可以看出，進(jìn)口壓力、效率等實(shí)際測量都小于設(shè)計(jì)值。進(jìn)口壓力偏低的主要原因是在這個(gè)進(jìn)口壓力下，流量與制冷量已足夠需求，無需再增加進(jìn)口壓力的必要;運(yùn)行效率偏低的主要原因是進(jìn)口溫度偏高，沒有能夠運(yùn)行在設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度左右(測試時(shí)人為調(diào)高，防止透平膨脹機(jī)出口帶液)，否則，運(yùn)行效率會(huì)提高。流量與制冷量實(shí)際測量都大于設(shè)計(jì)值，流量偏大，這個(gè)與氦透平膨脹機(jī)葉輪與擴(kuò)壓器的裝配間隙偏大和葉輪的流道設(shè)計(jì)有關(guān)。制冷量的偏大直接是由于流量偏大所引起的。若增加進(jìn)口壓力，流量、效率與制冷量都會(huì)相應(yīng)增加，進(jìn)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(zhì)”，這對(duì)提高制冷機(jī)系統(tǒng)效率是有利的，但不能偏離太多，這樣對(duì)氦透平膨脹機(jī)不利，其效率會(huì)有所降低。

表3 TD-01-06實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)Table 3 Stability running parameters of TD-01-06

表4 TD-01-06設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Designed parameters of TD-01-06

4 結(jié)論

敘述了EAST低溫系統(tǒng)俄制氦透平膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)、維修、測試過程。此氦透平膨脹機(jī)的維修改進(jìn)并調(diào)試成功，初步解決了EAST低溫系統(tǒng)核心問題。但此氦透平膨脹機(jī)還存流量偏大，效率偏低等不足，有待進(jìn)一步改進(jìn)。在穩(wěn)定運(yùn)行期間其轉(zhuǎn)速還是相當(dāng)穩(wěn)定的，和其它透平膨脹機(jī)一樣，不知道其“軸心軌跡”是否穩(wěn)定，此時(shí)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速不一定代表穩(wěn)定的軸心軌跡，還需要增加一對(duì)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(jìn)俄制氦透平膨脹機(jī)只是調(diào)試成功，前后經(jīng)歷大概50小時(shí)(4萬轉(zhuǎn)每分以下低轉(zhuǎn)速運(yùn)行大約2小時(shí)，11萬轉(zhuǎn)每分以上高轉(zhuǎn)速運(yùn)行大約46小時(shí))，能否接受EAST放電考驗(yàn)，能否長期穩(wěn)定運(yùn)行替代俄羅斯進(jìn)口原裝氦透平膨脹機(jī)還有待進(jìn)一步通過實(shí)踐檢驗(yàn)。

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(tǒng)氦透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)與性能測試［D］.北京:中國科學(xué)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(dǎo)托卡馬克氦制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析及設(shè)計(jì)研究［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2002.

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

6 計(jì)光華.透平膨脹機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.