EAST低温系统俄制氦透平膨胀机维修改进与测试

付 豹 张启勇 朱 平 成安义

1 EAST低温系统及氦透平膨胀机介绍

1.1 氦低温系统介绍

EAST(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak)托卡马克装置在建成时，是世界上第一个全超导托卡马克［1］。EAST低温系统是2005年6月建成，并一次整体联合调试成功，是目前中国最大的氦低温系统。

图1为EAST氦制冷机的流程简图［2］，其核心部件是4台俄制氦透平膨胀机，EAST低温系统共有12台4种不同进口参数的氦透平膨胀机(每种类型有备份2个)，分别工作在不同的压力和温度下。其中3台(T1、T2、T3)用来制取4.5 K液氦温区的冷量和生产液氦来冷却超导磁体及其它部件，另一台(T4)制取13 kW/60 K的冷量冷却热辐射屏［3］。它们都工作在非常高的转速下，设计转速在10—18万转每分［4］，工作转速一般都在10万转每分左右。

图1 EAST低温系统流程图Fig.1 Schematic diagram of EAST cryogenic system

1.2 俄制氦透平膨胀结构介绍与分析

EAST低温系统4种不同进口参数的氦气透平膨胀机是从俄罗斯“氦机器”公司进口的，采用油轴承与气体轴承混合结构。其主要由轴承室、转子(叶轮和主轴)、喷嘴、扩压器、热密封座、气体轴承、径向止推油轴承、止推油轴承、供油供气接口、转速计、回油罩和外围几个绝热块等部件组成。氦气体轴承采用单排圆周8个固有孔节流的供气孔结构形式;径向止推油轴承径向采用2排圆周8个环面节流供油结构形式和止推单排圆周8个环面节流供油结构形式;止推油轴承采用单排圆周8个环面节流供油结构形式。润滑油采用的是长城润滑油公司生产的32#汽轮机油，润滑油的既有支撑润滑作用也有摩擦制动向外输出功的作用。此次维修改进设计的俄制氦透平膨胀机为TD型，代号:TD-01-06。

2 维修与测试过程

2.1 TD-01-06的维修过程

每次俄制氦透平膨胀机的损坏基本上都是发生在启动过程中，咬死损坏之处一般都在气体轴承供气孔附近。这是由于气体轴承刚度与油轴承刚度匹配存在问题，导致转子做圆锥摆动、气体轴承承载力不够或转子轴承系统出现“半速涡动”等因素，导致氦透平膨胀机损坏。

一般的维修工作程序为:换主轴，视气体轴承损坏程度，决定是否需要更换气体轴承，径向油轴承一般不磨损或磨损很小，不需更换，可以继续用。气体轴承与轴承室冷装后，与径向油轴承一起绗磨至同一尺寸，保证同轴度与尺寸公差。然后测量内孔尺寸，根据此测量尺寸，研磨主轴，保证主轴与轴承的各个配合间隙(主轴与气体轴承、油轴承、热密封处等)。这样既可以保证气体轴承与油轴承的同轴度和尺寸公差，还把主轴与轴承配合的加工公差全合并到主轴上，降低了轴承室与主轴的配磨难度。止推间隙，根据止推垫片尺寸，配磨主轴止推盘厚度，同样可以降低主轴止推盘加工难度。止推盘外圆还需进一步磨削，以方便主轴后期动平衡实验。所有零件加工、装配完毕后，接下来要进行零件清洗与转子动平衡实验。零件清洗一定要及时，并保证清洗干净，这是装配前的关键步骤。动平衡实验是先平衡主轴，然后主轴与叶轮放在一起再整体做动平衡。整体动平衡合格后，叶轮与主轴拆开，再装上，反复几次，保证拆开前后动平衡剩余不平衡量差异少于2 mg。确定转子剩余不平衡量小于5 mg。清洗转子，确认所有供气、供油孔全通畅，开始装配。主轴与轴承的径向间隙、止推轴承与主轴止推面的配合间隙都是通过加工保证的，也一定是满足要求的，在装配时可以不考虑。叶轮与扩压器之间的间隙通过扩压器底座与气体轴承之间的调整垫片来调节。

2.2 TD-01-06启动前进出口参数与启动准备

TD-01-06启动前进出口参数、启动过程参数设置见表1、表2。TD-01-06的气体轴承供气压力一次性供到位约19.0×105Pa(对应供气阀门全开)。为了方便启动，制动油压(径向＆止推油轴承和止推油轴承)一般先供到14.5×105Pa;在转速约3万转每分，把油压逐渐加到22.5×105Pa，以后就无须再增加。启动过程制动油压参数设置可以遵循这样的规律:在开始启动前的油压(径向＆止推油轴承和止推油轴承)供的不要太高，一般约11×105Pa即可;否则，制动过大不利于启动，等转速加到3万转每分以上时再根据转速波动情况、进口压力增大时转速波动情况再来调节制动油压。若没有飞车现象，则油压没有必要供的太高，否则会加剧气体轴承与油轴承刚度的不匹配程度，更易引起转子的圆锥涡动，导致转子＆轴承系统稳定性变差。热密封压力在开始启动时供到3.0×105Pa左右，以后根据回气结霜情况，逐步增加，一般不超过10.0×105Pa。对于TD热密封压力设置遵循如下的规律:启动前可以供给约3.0×105Pa左右，等转速到3万转每分左右根据回气结霜情况，逐步增加，最终保证回气有轻微结霜，比较适宜［5］，热密封压力不能太高，否则影响气体轴承排气压力，影响气体轴承性能;若热密封压力过高，热气窜到膨胀端，还会影响透平膨胀机的整机热效率。

表1 TD-01-06启动前进出口参数Table 1 Parameters of TD-01-06 before starting up

表2 TD-01-06启动过程参数设置Table 2 Setting parameters of TD-01-06 before starting process

2.3 启动过程分析

2.3.1 运行结果

正常运行结果如图2所示，TD-01-06转速约111.0万转每分，流量约133.0 g/s(对应的进口温度是10.5 K，若进口温度为8.0 K左右，流量会变大，约为180 g/s)，Pin=14.94 ×105Pa，Pout=3.18 ×105Pa，Tin=10.8 K(实际可以降到8 K左右，为了调试的需要，防止透平膨胀机出口带液和气体节流后液化，通过旁通阀门 V2166，故意把进口温度调高)，Tout=6.72 K，效率 =62.91%;在此进口参数下，稳定运行48小时左右。

图2 TD-01-06稳定运行界面截图Fig.2 Cutting chart of TD-01-06

2.3.2 启动过程

整个启动过程大概花费150分钟(2—3万转每分低速降温花费约100分钟)，在启动过程转速的平稳上升，没有大的波动，最终转速在11万转每分稳定运转。为了防止透平膨胀机出口带液和气体节流液化。因此，通过调节旁通阀门V2166，把TD-01-06进口温度控制在10.5 K左右。

启动过程:进气阀门V2241开度为26.5%时，氦透平膨胀机进口为油温为299.7 K。TD-01-06制动油压为14.5 ×105Pa，进口压力为2.36 ×105Pa，出口压力为1.29 ×105Pa，压差为1.07 ×105Pa时，开始有转速。一般情况下，调试油气混合轴承氦透平膨胀机，进出口压差达到1.5×105Pa，仍无转速，则不要再继续增加进口压力，应关闭进口阀门，拆下检查原因。待分析完毕后再调试。此次TD-01-06启动过程质量流量、进出口压力、阀门开度、进口温度等与转速等之间的关系如图3所示。

图3 TD-01-06启动过程各个参数关系图Fig.3 Starting up process of turbine TD-01-06

如图3，由启动过程转速图可以看出:开始时进出口温度比较高(20 K以上)，是由于氦透平膨胀机安装后，进出口管道、阀门、一些换热器等都处于常温状态，需要慢速冷却下来(这是一个比较漫长的过程，约占整个启动时间的2/3以上)才可以启动。启动过程大概经历150分钟，TD-01-06的调试比较稳定，转速随进口压力稳步上升，没有大的飞车迹象。转速升到110万转每分左右时，转速波动非常小，在额定转速附近(额定转速11.2万转每分)。转速波动较小的原因可能有:其一，转子动平衡实验做的非常成功;减轻了轴承的负担;其二氦透平膨胀机启动过程中进口压力增幅一直很小(阀门开度0.3%步长)，对叶轮的动量矩增幅也很缓慢，其三，进口温度在12 K以下，属于低温区，此区氦气焓降变化不大，氦气对叶轮的动量矩增幅亦很小;其四，转速达到10万转每分以上，转子变为“柔性转子”，转子会“自对中”其剩余动不平衡量会降低。

48小时稳定运行分析:如图4所示，在整个稳定运行期间，阀门是保持开度不变，透平膨胀机进口压力受阀前压力波动的影响;从图4可以看出，透平膨胀机进口压力基本保持恒定，这个归功于压机站的调节，这样对透平膨胀机的扰动很小，对透平膨胀机的稳定运行是有利的。在低温区，出口温度对透平膨胀机流量影响很大，因为此时的流量是根据透平膨胀机出口压力、温度管径等参数计算得来，在如此高压低温区，氦气易形成“临界转变”，微小的温度变化，会导致大的密度变化。氦头透平膨胀机在完成启动稳定运行后，其运行稳定性主要受进出口压力的波动和进口温度波动的影响。当然，外围辅助油泵系统和润滑油温度也是影响其稳定性的因素之一。

图4 TD-01-06启动、运行过程转速图，48小时稳定运行过程各个参数关系图Fig.4 Starting up and running process of turbine TD-01-06

由图5可看出，停机前在进口压力、阀门开度没有变化时，转速、质量流量、进口温度、出口温度等都出现了“锯齿型”波动，这是由于操作人员模拟EAST放电时，对TD实际运行状态影响而产生的。因为EAST实验会产生交流损耗，瞬间会产生大量的热，导致磁体内大量的液氦蒸发，又因为TD出口与磁体入口是近乎直接相连，在磁体放电时，TD出口压力会急剧上升(有时会上升1.5×105Pa)，使得TD的膨胀比减小，从而转速会下降;相同的进口压力、温度下，透平膨胀机的转速下降会导致透平膨胀机热效率降低，表现为出口温度升高;流量是根据出口温度和出口压力计算得出，故流量也随之变化。此TD大概经历20余次的人工模拟，性能表现非常良好。如图2所示，这样人为的模拟是靠关小排气阀门V2166来实现的。

3 测试结果与设计值比较

图5 TD-01-06停机过程各个参数关系图Fig.5 Stopping process of turbine TD-01-06

此改进维修的俄罗斯氦透平膨胀机(代号:TD-01-06)稳定运行某时刻实际运行参数见表3，在这个转速下还比较稳定。对比设计参数表4可以看出，进口压力、效率等实际测量都小于设计值。进口压力偏低的主要原因是在这个进口压力下，流量与制冷量已足够需求，无需再增加进口压力的必要;运行效率偏低的主要原因是进口温度偏高，没有能够运行在设计进口温度左右(测试时人为调高，防止透平膨胀机出口带液)，否则，运行效率会提高。流量与制冷量实际测量都大于设计值，流量偏大，这个与氦透平膨胀机叶轮与扩压器的装配间隙偏大和叶轮的流道设计有关。制冷量的偏大直接是由于流量偏大所引起的。若增加进口压力，流量、效率与制冷量都会相应增加，进出口温度降低，不但可以增加制冷量，还可以增加制冷量的“品质”，这对提高制冷机系统效率是有利的，但不能偏离太多，这样对氦透平膨胀机不利，其效率会有所降低。

表3 TD-01-06实际稳定运行参数Table 3 Stability running parameters of TD-01-06

表4 TD-01-06设计参数Table 4 Designed parameters of TD-01-06

4 结论

叙述了EAST低温系统俄制氦透平膨胀机结构、维修、测试过程。此氦透平膨胀机的维修改进并调试成功，初步解决了EAST低温系统核心问题。但此氦透平膨胀机还存流量偏大，效率偏低等不足，有待进一步改进。在稳定运行期间其转速还是相当稳定的，和其它透平膨胀机一样，不知道其“轴心轨迹”是否稳定，此时稳定的转速不一定代表稳定的轴心轨迹，还需要增加一对位移传感器检测其轴心轨迹变化，这也是下一步需要考虑的问题。此次维修改进俄制氦透平膨胀机只是调试成功，前后经历大概50小时(4万转每分以下低转速运行大约2小时，11万转每分以上高转速运行大约46小时)，能否接受EAST放电考验，能否长期稳定运行替代俄罗斯进口原装氦透平膨胀机还有待进一步通过实践检验。

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低温系统氦透平膨胀机的设计与性能测试［D］.北京:中国科学院研究生院，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 白红宇.HT-7U超导托卡马克氦制冷系统热力学分析及设计研究［D］.北京:中国科学院研究生院，2002.

5 付 豹，朱 平，庄 明.EAST低温系统又一新降温模式［J］.低温与超导，2010，38(3):11-15.

6 计光华.透平膨胀机［M］.北京:机械工业出版社，1989.