低溫氦氣體軸承透平膨脹機實驗系統(tǒng)設(shè)計

孫良瑞 熊聯(lián)友 劉立強

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

(2中國科學(xué)院研究生院 北京 100049)

(3中國科學(xué)院低溫工程學(xué)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(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過它的膨脹制冷來實現(xiàn)并維持在所需溫區(qū)以下的低溫環(huán)境。因此氦透平膨脹機技術(shù)在空間技術(shù)［1-2］、大科學(xué)工程，超導(dǎo)應(yīng)用等諸多核心高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

氦透平膨脹機是一個高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機械，葉輪尺寸小(直徑從幾毫米至幾十毫米)，工作轉(zhuǎn)速高(十幾萬至近百萬轉(zhuǎn)每分)。由于高轉(zhuǎn)速以及高清潔度、深低溫等要求，支撐轉(zhuǎn)子的軸承不能采用傳統(tǒng)的油潤滑軸承，而必須采用氦氣體潤滑軸承，即膨脹機轉(zhuǎn)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(shù)小，其承載能力和運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性一直是低溫領(lǐng)域的研究重點。此外，由于膨脹機轉(zhuǎn)子兩端分別工作在低溫和常溫環(huán)境，溫度變化劇烈，沿轉(zhuǎn)子軸向的溫度梯度非常高，軸向?qū)嵋鸬穆釙档团蛎洐C絕熱效率。增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有利于提高低溫氦透平膨脹機的效率，但容易失穩(wěn)［3］，所以應(yīng)綜合考慮膨脹機的轉(zhuǎn)速、絕熱效率與運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的關(guān)系。

鑒于透平膨脹機在低溫系統(tǒng)中的關(guān)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(tǒng)非常重要。實驗系統(tǒng)的建立可以為透平膨脹機實驗研究提供所需的低溫環(huán)境，提供實驗研究所需的必要功能，并能深入系統(tǒng)地進行熱力性能的研究以及機械性能的研究。

2 實驗系統(tǒng)流程布置方案

氦透平膨脹機實驗系統(tǒng)最核心的功能就是要通過調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)的制冷能力，來實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的低溫環(huán)境，進而仿真氦透平膨脹機實驗研究所需要的工況。調(diào)節(jié)能力越強，就越容易實現(xiàn)實驗工況的仿真。有3種方案可以達(dá)到可調(diào)節(jié)的低溫環(huán)境的目標(biāo):一是利用待測的氦透平膨脹機的制冷能力，通過系統(tǒng)自身的能量平衡來實現(xiàn)低溫環(huán)境，但這種調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)，但是增加一臺氦透平膨脹機，會增加整個系統(tǒng)的復(fù)雜性，不利于實驗系統(tǒng)的維護和穩(wěn)定性。三是通過設(shè)置液氮預(yù)冷提供冷量來調(diào)節(jié)低溫環(huán)境，這種方法不但調(diào)節(jié)能力較強，而且范圍也廣。通過對比，本實驗系統(tǒng)采用液氮預(yù)冷來實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的低溫環(huán)境。

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

以上的流程設(shè)計以及控制方案可以有6種不同的組合，最終選取液氮預(yù)冷以及待測透平膨脹機后置作為本實驗系統(tǒng)的實施方案，結(jié)構(gòu)見圖1。

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

氦透平膨脹機裝拆過程中易發(fā)生系統(tǒng)污染，不同規(guī)格膨脹機裝拆時會破壞冷箱真空夾層高真空，實驗前系統(tǒng)預(yù)處理時間長，實驗效率低。

為避免雜質(zhì)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(tǒng)在開機前要做系統(tǒng)純度檢測，要求系統(tǒng)內(nèi)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(huán)境中會使環(huán)境中的空氣進入到系統(tǒng)中而污染系統(tǒng)，如果污染嚴(yán)重，將浪費大量時間來進行系統(tǒng)純化。如果是更換另一種規(guī)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(fù)溫前進行氦透平膨脹機的拆裝，還將使得冷箱內(nèi)部管道及部件內(nèi)外冷表面結(jié)霜、結(jié)露從而引起污染和堵塞，因此必須等冷箱完全復(fù)溫才能進行膨脹機的拆裝。

為解決這些問題可將試驗系統(tǒng)低溫部分按分體結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1所示，將系統(tǒng)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(fù)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(tǒng)流程計算

實驗系統(tǒng)為帶有液氮預(yù)冷的逆布雷頓循環(huán)，逆布雷頓循環(huán)是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，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(tǒng)要對不同規(guī)格的氦透平膨脹機進行測試，所以設(shè)計高壓和低壓兩種不同的方案。各點的參數(shù)見圖2。

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

低壓方案設(shè)計參數(shù)為:氦氣質(zhì)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(yù)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(shè)計參數(shù)為:氦氣質(zhì)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(yù)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(shè)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(tǒng)的組成部分

低溫氦氣體軸承透平膨脹機實驗系統(tǒng)通常由壓力氦氣源、冷箱、測試臺以及控制系統(tǒng)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(guān)的實驗測試和研究。

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

4.1 壓力氦氣源

壓力氦氣源系統(tǒng)是常溫氦氣系統(tǒng)，壓縮機是實驗系統(tǒng)氣源的主要設(shè)備，為系統(tǒng)提供高壓氦氣，使氦氣在整個實驗系統(tǒng)中得以循環(huán)。本實驗系統(tǒng)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(zhì)量流量80 g/s，滿足氦氣壓力源的使用要求。

氣源系統(tǒng)中的緩沖罐作為氣源儲備結(jié)合閥門用以調(diào)節(jié)高低壓管道的壓力，閥門CV-1可以直接快速調(diào)節(jié)高低壓管道的壓力差。當(dāng)高壓管道壓力高時，打開閥門CV-2，使系統(tǒng)內(nèi)氦氣進入緩沖罐，以降低壓力。當(dāng)高壓管道壓力低時，打開閥門CV-3，使緩沖罐內(nèi)氦氣進入系統(tǒng)，以增加壓力。

4.2 冷箱

冷箱包含多級板翅式換熱器、調(diào)節(jié)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(yù)冷來流氣體;旁通閥的作用在于調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)部管道的低溫傳輸管線會引入額外漏熱，會增加系統(tǒng)的總體漏熱，但通過絕熱設(shè)計，漏熱可以控制在較小范圍內(nèi)。

4.4 待測透平膨脹機

氦透平膨脹機的效率是設(shè)計中最為關(guān)鍵的參數(shù)，而高的效率需要膨脹機的轉(zhuǎn)子在高速下運轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)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(wěn)定性較高［4］，但是在高速運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)，會增加裝置的復(fù)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(tǒng)

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

實驗系統(tǒng)控制系統(tǒng)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(shù)主要有溫度、壓力、流量等，以便對整個系統(tǒng)的調(diào)試和運轉(zhuǎn)進行控制。

5 總 結(jié)

通過該實驗系統(tǒng)的研制，可以建立一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氦透平膨脹機的實驗系統(tǒng)，為發(fā)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(zhì)的低溫環(huán)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(shù)，有助于中國在氫、氦制冷技術(shù)領(lǐng)域得到長遠(yuǎn)發(fā)展，保障國家安全以及中國大科學(xué)工程、超導(dǎo)等國家發(fā)展重大項目的順利實施。

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

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

3 熊聯(lián)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(xué)敏，朱 平，付 豹.油氣混合氦透平膨脹機在EAST低溫系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)狀研究［J］.潤滑與密封，2010，35(7):95-98.

5 朱朝輝，侯 予，熊聯(lián)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.