離心式冷壓縮機研發(fā)試驗研究

成安義 莊 明 程遠武

(中國科學院等離子體物理研究所低溫工程與技術研究室 合肥 230031)

離心式冷壓縮機研發(fā)試驗研究

成安義 莊 明 程遠武

(中國科學院等離子體物理研究所低溫工程與技術研究室 合肥 230031)

介紹了離心式渦輪冷壓縮機的國外應用情況。根據中國科學院等離子體物理研究所EAST超導托卡馬克氦低溫系統(tǒng)當中過冷槽的設計制冷量，進行冷壓機的整體結構設計，葉輪分析加工，軸承電機選擇，并進行試驗性加工。通過室溫下測試，符合轉速和穩(wěn)定性要求。

低溫系統(tǒng) 過冷氦 離心式渦輪冷壓縮機 離心式葉輪

1 引言

大型超導磁體都配備有一大型氦低溫制冷系統(tǒng)。從減少運行費用，提高運行效率的經濟因素方面考慮，需要不斷提高超導磁體裝置的性能，一種方法是采用過冷氦(低于4.2 K)冷卻，以增加超導磁體的溫度余量和線圈臨界電流密度，提高抗熱擾動能力和磁體的穩(wěn)定性裕度［1］。以中國科學院等離子體所EAST放電實驗為例，在實驗后期，低溫系統(tǒng)通過將磁體進口溫度從4.8 K降低到3.8 K，來提高磁體放電的穩(wěn)定性。從20世紀80年代開始，國外的一些物理裝置更是開始使用超流氦(1.8 K過冷HeⅡP或飽和HeⅡS)來冷卻超導磁體，如CEBAF連續(xù)電子束加速器，CERN 的 LHC［2］。

依據飽和液氦屬性，當對其減壓時，常規(guī)飽和液氦(HeI)逐漸過渡到飽和HeⅡ溫度，為獲取低于4.4 K的常規(guī)液氦溫度提供了理論依據。對于大型氦低溫系統(tǒng)，多種方案可以獲得溫度低于4.2 K的過冷氦或1.8K的飽和HeⅡ，如直接節(jié)流、抽真空減壓以及抽真空與節(jié)流過程相結合等等。

對于液氦容器的減壓操作，從位置上可以分為常溫減壓和直接低溫減壓，常溫減壓一般采用大型的機械泵在室溫下通過負壓管道回路對氦槽減壓，低溫減壓采用一些小型的壓縮設備直接在氦槽端將槽內飽和氦蒸氣壓縮排出，以降低槽壓。EAST低溫系統(tǒng)通過油環(huán)泵室溫減壓降溫，而目前國外先進大型的低溫系統(tǒng)普遍采用多級壓縮設備——離心式渦輪冷壓縮機(以下簡稱冷壓機)直接應用于氦槽端的低溫低壓環(huán)境下，將飽和氦蒸氣抽空減壓，LHC四級冷壓機串聯，如圖1所示，槽內1.6 kPa/1.8 K［3］，日本LHD二級串聯，槽內23 kPa/2.97 K，且應用技術已經相當成熟［4］。

2 冷壓機低溫流通部分設計

2.1 冷壓機結構原理

冷壓機主要由轉子葉輪、靜子、軸承和驅動裝置組成，當葉輪高速旋轉時，槽內氣體隨著旋轉，使氣體的動能大為增加，在離心力作用下，氣體被甩到后面的擴壓器中去，而在葉輪處形成真空地帶，這時外界的新鮮氣體進入葉輪。葉輪不斷旋轉，氣體不斷地吸入并甩出，從而保持了氣體的連續(xù)流動。同時，氣體在離心慣性力以及在葉輪葉道中降速的共同作用下，其靜壓能也得到大幅度提高，在葉輪后面的擴壓器中部分氣體動能又轉變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力進一步提高，經過幾級壓縮后，被壓縮的氣體排出機外，從而達到使槽內壓力不斷下降的目的，如圖2所示。

圖1 IHI/Linde冷壓機Fig.1 IHI/Linde cold compressor

圖2 冷壓機結構Fig.2 Structure drawing of cold compressor

2.2 冷壓機葉輪設計

中國科院等離子體物理研究所EAST超導托卡馬克氦低溫制冷機，是中國目前最大的氦制冷系統(tǒng)。設計制冷量為1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/s LHe。超導磁體的工作溫度3.8 K，使用超臨界氦冷卻，超導磁體的進口氦流通過和過冷槽(設計制冷量1 050 W/3.5 K)換熱，達到進口3.8 K的過冷溫度。過冷槽通過油環(huán)泵在室溫下來減壓制取3.5 K的冷量。其中過冷槽中3.5 K氦對應的飽和壓力為0.47×105Pa，考慮到負壓路的阻力損失，油環(huán)泵的吸氣壓力為0.37×105Pa，當過冷槽制冷量為1 050 W/3.5 K時，所需油環(huán)泵的流量約3 000 m3/h［5］。研究以EAST低溫系統(tǒng)當中過冷槽的制冷量作為冷壓機的研發(fā)參數，進行冷壓機葉輪及整個低溫流通部分的設計。

理論計算方面，以EAST的3.5 K制冷量參數為依據，從冷壓機進出口壓力比、流量、進口溫度和葉輪造型出發(fā)，分別計算出設計參數。進口流量的計算上，按照抽真空獲取1.8 K飽和HeⅡ的原理，根據能量守恒原理模型、Carandang模型、Mironer模型以及忽略蒸汽焓變得率能量守恒原理模型分別計算得到進口流量，進行比較。最終得到葉輪的工作輪進口角、出口角、葉片安放角、葉片數目、葉片輪轂和外緣尺寸等建模數據，如圖3所示。

數值分析主要運用CFD軟件進行冷壓機葉輪、蝸殼、出口擴壓器的局部流道數值模擬，得出冷壓機在不同轉速下壓比和流量關系的性能曲線，理論上確定冷壓機安全的運行范圍，防止冷壓機進入喘振和堵塞工況，為以后的冷壓機運行調節(jié)提供參考依據。圖4—6是冷壓機低溫流通部分CFD分析結果及實物模型。

圖3 過冷槽冷壓機離心式葉輪設計模型Fig.3 3D part drawing of cold compressor centrifugal impeller

圖4 進出口壓力變化云圖Fig.4 Pressure changes from inlet to outlet

圖5 低溫流道中的壓力曲線Fig.5 Streamwise curve of pressure

圖6 葉輪實物加工Fig.6 Centrifugal impeller of cold compressor

3 冷壓機的整體結構設計

冷壓機是一種高速旋轉機械，不可避免的涉及到軸承技術方面。在軸承的選擇上，國外產品選擇激勵式磁軸承，但在冷壓機的開始研究階段也經過各類型軸承的試驗比較，分別為氣體軸承、激勵式磁軸承和陶瓷軸承，3種類型軸承都能夠達到設計轉速，表1是早期CERN-LHC冷壓機原型機的測試性能數據。

表1 LHC冷壓機的原型機性能參數Table 1 Performance assessment of industrial prototype cryogenic helium compressors for LHC

經過比較，氣體軸承不能夠提供足夠的承載力，不適用于質量較大的轉子，且要考慮到向低溫端的密封、漏熱影響，從而造成整體結構設計復雜。陶瓷球軸承，能夠簡化整體結構設計，且市場產品成熟，但不能長時間運行，且穩(wěn)定性和精度也不如磁力軸承。磁力軸承能夠在低壓下提供足夠的承載力，可在高溫、深冷及真空環(huán)境下運轉，但控制技術復雜，加工精度要求嚴格，國內市場上缺乏相關應用。

冷壓機的整體結構設計除軸承的選擇設計外，還要考慮最低限度減少向低溫端的漏熱，在CERN的冷壓機分析中，每20 W的漏熱會減少1%的絕熱效率。結構上需要考慮絕熱結構的設計和漏熱的測量，并考慮整體密封性。驅動電機的選擇方面需要進行選型定制，目標是選擇在最大限度的降低向低溫端漏熱條件下，滿足驅動功率和軸向、徑向跳動精度，穩(wěn)定運行的電機。轉子葉輪的整體動平衡測量，影響冷壓機能否連續(xù)可靠的長期運轉。葉輪、蝸殼、轉子等零件的高精度加工，這些工作能夠提高冷壓機高速旋轉的穩(wěn)定性。

4 冷壓機常溫下轉速穩(wěn)定性測試

常溫下測試冷壓機的徑向振動量和穩(wěn)定性，當轉子振動量超過一定限值時，會使葉輪和進氣管發(fā)生碰撞摩擦，使設備損壞報廢。圖7，圖8是冷壓機試驗機在常溫下穩(wěn)定運行12小時的徑向振動測量，采用電渦流傳感器測量，轉速500 Hz，測試過程中沒有發(fā)現碰擦現象，可以得出在初期的設計中，葉輪和進管間隙(0.4 mm)滿足要求。常溫下測試，主要是檢測電機性能，再者通過測量數據，合理設計低溫流通部分的尺寸間隙，減小間隙，提高效率。在低溫(4.4 K液氦溫度)下測試冷壓機運行的穩(wěn)定性，漏熱情況，以及不同轉速下的性能曲線分析——壓縮比與進口體積流量之間的關系曲線，得出壓機在低溫下的喘振區(qū)域，為后續(xù)冷壓機的穩(wěn)定運行提供臨界流量和放空回氣流量數值，保證冷壓機工作在喘振區(qū)域外。

圖7 冷壓機常溫測試Fig.7 Cold compressor test at room temperature

圖8 徑向振動值Fig.8 Radial vibration values

5 結論

目前中國國內氦低溫系統(tǒng)一般采用4.4 K常規(guī)液氦進行超導磁體等物理裝置的冷卻，超流氦或低于4.2 K下的過冷冷卻尚未廣泛使用，對于氦低溫系統(tǒng)當中的冷壓機研究更是處于空白階段。國外對于冷壓機的研究應用技術早已經成熟，等熵效率單臺已經高達75%，且技術方面對外封鎖。未來核聚變裝置、高能加速器、空間紅外探測等大科學工程項目都需要大型深低溫制冷系統(tǒng)，因此，開展高效率、低漏熱、穩(wěn)定運行的離心式渦輪冷壓縮機研究，對于國內此類設備的研發(fā)及自主應用和未來應用于大型深低溫系統(tǒng)建造是非常有必要的。文章介紹的冷壓機試驗制造只是前期的積累工作，低溫下的測試和實際應用還有待解決。

1 Rode C H.CEBAF cryogenic system［M］.PAC’95，Dallas，1995.

2 Millet F，et al.A possible 1.8 K refrigeration cycle for the large hadron collider［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1998，43A:387-393.

3 Motojima O，Yamada H，Ashikawa N，et al.Recent development of LHD experiment［J］.Plasma Fusion Research，2003(5):22-27.

4 Hamaguchi S.Performance of upgraded cooling system for LHD helical coils［J］.Advances in Cryogenic Engineering ，2008，81:2617-2621.

5 白紅宇.HT-7U超導托卡馬克氦制冷系統(tǒng)熱力學分析及設計研究［D］.合肥:中國科學院物質科學研究院，2002.

Research and development of centrifugal turbo cold compressor

Cheng AnyiZhuang Ming Cheng Yuanwu

(Cryogenic Engineering Division，Institute of Plasma Physics，Hefei 230031，China)

The application of centrifugal turbo cold compressor of the world was described.According the capacity of the helium refrigerator for the EAST superconducting Tokamak，centrifugal impeller of cold compressor was analyzed and manufactured，the bearing motor selection for cold compressor and experimental machining were conducted.According to the test at room temperature，the rotational speed and stability to meet the requirements.

cryogenic system;subcooler helium;centrifugal turbo cold compressor centrifugal impeller

TB652

A

1000-6516(2013)05-0033-04

2013-08-15;

2013-10-07

成安義，男，34歲，碩士，工程師。