氦制冷系統(tǒng)氣體軸承透平膨脹機設計

孫立佳 孫 郁 任小坤 張 武，2 張林林

(1中國科學院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

(2航天低溫推進劑技術(shù)國家重點實驗室 北京 100028)

1 引言

大型低溫制冷設備是前沿科技研究、航空航天、高技術(shù)應用中不可替代的基礎支撐裝備。近年來，隨著高技術(shù)的發(fā)展，對大型低溫制冷設備的需求不斷增加，低溫工程涉及的領域越來越廣，遍及大科學工程、航空航天、新能源、超導電力、國防、生物、交通、醫(yī)療、信息產(chǎn)業(yè)、天文等各個領域與行業(yè)的高端應用。為滿足以上領域的需求，大型低溫制冷系統(tǒng)制冷溫度要達到20 K以下，制冷量達到數(shù)百瓦乃至萬瓦以上。理論與實踐證明:在這樣低的溫區(qū)，實現(xiàn)如此大的制冷量，只能采用氣體軸承氦透平膨脹機制冷技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)。氦透平膨脹機作為關(guān)鍵的制冷設備，其效率及運行穩(wěn)定性對大型低溫制冷設備的長期連續(xù)運行具有至關(guān)重要的作用［1］。

2 氦氣制冷系統(tǒng)流程

本文介紹的氦制冷系統(tǒng)采用80 K液氮預冷逆布雷頓循環(huán)，整套系統(tǒng)主要包括壓縮機、冷箱和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時通過氦螺桿壓縮機將工作氦氣壓力提高，壓縮過程中采用噴油冷卻的方式帶走壓縮時產(chǎn)生的熱量。壓縮氦氣通過水冷卻器降低溫度后，經(jīng)過高精濾油系統(tǒng)清除油氣，進入冷箱。在冷箱內(nèi)，氦氣通過換熱器，利用液氮及返流的低溫氦氣預冷至較低的溫度，通過安裝在冷箱上的氦透平膨脹機膨脹降溫，為系統(tǒng)提供低溫冷量。回流的氦氣通過換熱器返流通道預冷來流氦氣，溫度提高至室溫，回到壓縮機入口，完成整個低溫制冷循環(huán)流程，系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。

3 氦透平膨脹機研制

根據(jù)流程設計計算，氦透平膨脹機設計參數(shù)如下:氦氣質(zhì)量流量為104.5 g/s，進口壓力為 0.696 MPa，進口溫度為 22.82 K，出口壓力為 0.125 MPa，要求絕熱效率≥70%。

3.1 熱力計算

根據(jù)以上透平設計參數(shù)及要求，對反動度、輪徑比等參數(shù)進行優(yōu)化，采用一元流設計方法對透平膨脹機流通部分進行設計，確保透平的最佳工作性能。計算得到透平膨脹機工作輪直徑為35 mm，制動輪直徑為60 mm，設計轉(zhuǎn)速為12 r/min，設計效率≥70%。在透平膨脹機通流部分設計時，利用FLUENT模擬氣體在導流器流道中的流動狀況，計算結(jié)果如圖2所示。分析氣體流動中的影響因素，改進流道葉型，使噴嘴流道內(nèi)氣流分布變化平穩(wěn)，減小流動損失;采用NREC對透平工作輪進行設計，如圖3所示。調(diào)整子午面流道形狀及葉片角分布等參數(shù)，通過流場及結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化通流流道，提高工作輪的效率。

圖2 噴嘴流道壓力分布圖Fig.2 Pressure distribution in nozzle ring

圖3 工作輪流道流場分析圖Fig.3 Mach number distribution in expansion wheel

3.2 轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)設計

轉(zhuǎn)子是透平膨脹機中唯一的高速運轉(zhuǎn)部件，它對膨脹機的效率、穩(wěn)定性都有很大的影響。為了減少軸向?qū)岷娃D(zhuǎn)子重量，采用鈦合金為主軸材料，設計了單止推盤在制動端的結(jié)構(gòu)，并通過不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)比較選取最佳的轉(zhuǎn)子長度、止推盤直徑、厚度、及徑向軸承承載位置，在保證氣體軸承承載力的同時提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。為了減小加工誤差，最大限度地減少轉(zhuǎn)子不平衡量，轉(zhuǎn)子設計采取整體結(jié)構(gòu)。為了保證轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速及高速旋轉(zhuǎn)時的變形也進行了校核計算，如圖4、5所示為轉(zhuǎn)子的應力圖及振型圖。

圖4 轉(zhuǎn)子應力圖Fig.4 Rotor stress map

圖5 轉(zhuǎn)子振型圖Fig.5 Rotor deformation map

氣體軸承的徑向軸承采用π型槽動靜壓氣體混合軸承形式［2］，止推軸承采用簡單孔節(jié)流靜壓軸承形式，該類型軸承承載能力大、工作可靠、技術(shù)成熟，在中國科學院理化所研制的透平膨脹機中廣泛使用。在結(jié)構(gòu)布置中采用雙排切向小孔供氣徑向軸承(止推軸承與徑向軸承為一體)，以及單排環(huán)形小孔供氣止推軸承，同時在徑向軸承與軸承腔體間增加O型橡膠圈，來提高軸承系統(tǒng)阻尼系數(shù)，確保氦透平膨脹機的穩(wěn)定運行。在結(jié)構(gòu)設計中，通過CFD模擬分析徑向軸承、止推軸承的供氣孔數(shù)、供氣孔位置、供氣壓力等對軸承承載力、氣體流量的影響規(guī)律，尋找最佳氣膜間隙和結(jié)構(gòu)尺寸使軸承在保證剛度的前提下減小耗氣量。軸承供氣常溫進氣，供氣壓力為6.5×105Pa，由流程氣降壓引入，軸承排氣通過金屬軟管接入系統(tǒng)低壓管道中。

3.3 整體結(jié)構(gòu)設計

在低溫氦透平膨脹機中，由于進口流量小、介質(zhì)溫度低、膨脹比大、焓降高，工作輪尺寸小，膨脹機轉(zhuǎn)速通常較高。為達到較高的絕熱效率，還必須減少膨脹機的跑冷損失及氦氣的泄漏損失［3］。

圖6 徑向軸承流場分析Fig.6 Flow field analysis of journal bearing

圖7 止推軸承流場分析Fig.7 Flow field analysis of thrust bearing

透平膨脹機冷端溫度極低，而氦氣滲透性很強，需要特別關(guān)注低溫密封結(jié)構(gòu)的設計［4］。該透平膨脹機的低溫密封采用四氟環(huán)，四氟環(huán)套在透平膨脹機導流器出口及擴壓器入口處，隔離高低壓氦氣。在低溫下，由于聚四氟乙烯材料的低溫收縮率大于不銹鋼，收縮量差異會使密封環(huán)緊緊貼住連接處，從而減少高低壓氦氣串通。為了降低漏冷損失，透平膨脹機總體結(jié)構(gòu)采用立式結(jié)構(gòu)，半開式鋁合金工作輪在下方，并盡量使冷端機體深入真空保溫腔內(nèi)。低溫端零件采用薄壁件，擴壓器采用雙層擴壓筒結(jié)構(gòu)，并增加迷宮頂氣減少冷氣軸向泄漏。

膨脹機熱端結(jié)構(gòu)設計采用風機直葉片鋁合金葉輪制動，轉(zhuǎn)子輸出功大部分轉(zhuǎn)化為熱能消耗。制動氣由流程氣經(jīng)降壓引入，在制動風機進口設調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)制動壓力以對轉(zhuǎn)速進行微量調(diào)節(jié)。為使透平膨脹機結(jié)構(gòu)緊湊，風機制動采用閉式循環(huán)，水冷卻器集成在風機蝸殼內(nèi)，冷卻制動升溫后的氦氣。水冷卻器設計換熱量為670 W，采用光管繞管式結(jié)構(gòu)，分為3層，每層4根Φ10紫銅管，管內(nèi)通有冷卻水，冷卻水進口溫度為25℃，出口溫度為29℃，冷卻水量為0.15 m3/h。

3.4 透平控制邏輯設計

氦制冷系統(tǒng)中與透平膨脹機的相關(guān)的監(jiān)測點約有20個左右。在系統(tǒng)控制邏輯設計中必須考慮到幾種需要透平緊急停車的情況:出口溫度過低，風機溫度過高，軸承氣溫度過高，轉(zhuǎn)速過高或無轉(zhuǎn)速，接近臨界轉(zhuǎn)速，進口過濾器壓差過大等。出現(xiàn)以上情況都需要在控制系統(tǒng)中切斷透平進氣閥門，開啟透平旁通閥，以此來切斷透平膨脹機進氣，保護軸承系統(tǒng)。但同時考慮到系統(tǒng)停機成本及控制復雜性，可以只在關(guān)鍵參數(shù)不達標時啟動緊急停車系統(tǒng)。

透平膨脹機的啟動和停機階段，也是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。啟動階段進氣閥門的開度是呈線性打開，通常以0.2%/s或者0.5%/s的速度開啟。達到一定的轉(zhuǎn)速后，穩(wěn)定1ˉ2 min，當轉(zhuǎn)速到達工作轉(zhuǎn)速設置點后，閥門轉(zhuǎn)為控制轉(zhuǎn)速模式(自動控制模式)。關(guān)機模式下，有兩種操作方法，一種仍舊是線性關(guān)閉閥門，另外一種與緊急停車方式相同，快速關(guān)閉進氣閥門。風機制動端的閥門可以對轉(zhuǎn)速進行微調(diào)，尋找透平膨脹機的運轉(zhuǎn)效率最佳點。

4 氦透平膨脹機試驗結(jié)果及分析

為考察氦透平膨脹機的性能，保證氦透平膨脹機穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，在氦透平膨脹機裝入制冷系統(tǒng)冷箱之前，需要對氦透平膨脹機進行常溫穩(wěn)定性及超速試驗。常溫穩(wěn)定性試驗中軸承氣使用氦氣，驅(qū)動氣為空氣，氦透平膨脹機在設計轉(zhuǎn)速12 r/min狀態(tài)下維持運行15 min，在多次試驗過程中膨脹機軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性優(yōu)異，啟停正常，未出現(xiàn)任何軸承失穩(wěn)和轉(zhuǎn)子卡死現(xiàn)象，超速試驗時透平轉(zhuǎn)速達到13.2 r/min，膨脹機依然能夠穩(wěn)定運行。

透平膨脹機特性比U=u1/c0對透平膨脹機絕熱效率η具有決定性的影響，其中u1為透平膨脹機工作輪進口圓周速度;c0為透平膨脹機入通流部分能達到的最大理想速度，將透平膨脹機等熵效率隨特性比變化的曲線稱為特性曲線。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算氦透平膨脹機η-u1/c0特性曲線如圖8所示。在試驗中，由于制冷系統(tǒng)氣量、壓力等參數(shù)未達到設計工況，透平膨脹機在低于設計轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，特性曲線中沒有測得等熵效率的最高點。從圖中可以看出，特性比在0.15ˉ0.5之間時，透平等熵效率隨著特性比增大而逐漸升高，大致成線性關(guān)系。當特性比超過0.6后，透平膨脹機等熵效率增大趨勢逐漸趨于平坦，基本維持在70%以上。

圖8 氦透平膨脹機η-u1/c0特性曲線Fig.8 η-u1/c0 curve of helium turbo-expander

在氦制冷系統(tǒng)調(diào)試過程中，氦透平膨脹機經(jīng)歷多次啟停、降溫及長時間低溫運行試驗，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動力學性能優(yōu)異，氣體軸承穩(wěn)定性較好。在試驗過程中，氦透平膨脹機出口溫度最低達到15.42 K，為系統(tǒng)提供冷量最大達到2 200 W，低溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)7天。通過試驗數(shù)據(jù)分析，透平穩(wěn)定運行后絕熱效率＞72%，完全達到并超過設計要求(絕熱效率＞70%)，圓滿完成了設計指標要求。

5 結(jié)論

根據(jù)大型低溫制冷系統(tǒng)的流程參數(shù)設計要求研制氣體軸承氦透平膨脹機，采用流場模擬、轉(zhuǎn)子動力學分析等方法指導透平膨脹機設計，提高了透平膨脹機效率及穩(wěn)定性。從常溫試驗及長期低溫試驗結(jié)果來看，研制的透平膨脹機性能優(yōu)良，絕熱效率及穩(wěn)定性達到了設計要求，在超速試驗中透平膨脹機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，超過了設計要求，為進一步開發(fā)更大制冷量的氦制冷系統(tǒng)積累了經(jīng)驗。

1 計光華.透平膨脹機(修訂本)［M］.西安:西安交通大學出版社，1988.

2 楊克劍，張武，王文川，等.π型槽動靜壓混合式氣體軸承:中國，94207681.8［P］.

3 熊聯(lián)友，陳純正，劉立強，等.新型氦氣體軸承透平膨脹機的研制［J］.低溫與特氣，2001(1):23-25.

4 李 高，蔡朝恩，王紫娟.氦制冷機的密封［C］.2003年度低溫技術(shù)學術(shù)交流會，2003:55-59.