离心式冷压缩机研发试验研究

成安义 庄 明 程远武

(中国科学院等离子体物理研究所低温工程与技术研究室 合肥 230031)

离心式冷压缩机研发试验研究

成安义 庄 明 程远武

(中国科学院等离子体物理研究所低温工程与技术研究室 合肥 230031)

介绍了离心式涡轮冷压缩机的国外应用情况。根据中国科学院等离子体物理研究所EAST超导托卡马克氦低温系统当中过冷槽的设计制冷量，进行冷压机的整体结构设计，叶轮分析加工，轴承电机选择，并进行试验性加工。通过室温下测试，符合转速和稳定性要求。

低温系统 过冷氦 离心式涡轮冷压缩机 离心式叶轮

1 引言

大型超导磁体都配备有一大型氦低温制冷系统。从减少运行费用，提高运行效率的经济因素方面考虑，需要不断提高超导磁体装置的性能，一种方法是采用过冷氦(低于4.2 K)冷却，以增加超导磁体的温度余量和线圈临界电流密度，提高抗热扰动能力和磁体的稳定性裕度［1］。以中国科学院等离子体所EAST放电实验为例，在实验后期，低温系统通过将磁体进口温度从4.8 K降低到3.8 K，来提高磁体放电的稳定性。从20世纪80年代开始，国外的一些物理装置更是开始使用超流氦(1.8 K过冷HeⅡP或饱和HeⅡS)来冷却超导磁体，如CEBAF连续电子束加速器，CERN 的 LHC［2］。

依据饱和液氦属性，当对其减压时，常规饱和液氦(HeI)逐渐过渡到饱和HeⅡ温度，为获取低于4.4 K的常规液氦温度提供了理论依据。对于大型氦低温系统，多种方案可以获得温度低于4.2 K的过冷氦或1.8K的饱和HeⅡ，如直接节流、抽真空减压以及抽真空与节流过程相结合等等。

对于液氦容器的减压操作，从位置上可以分为常温减压和直接低温减压，常温减压一般采用大型的机械泵在室温下通过负压管道回路对氦槽减压，低温减压采用一些小型的压缩设备直接在氦槽端将槽内饱和氦蒸气压缩排出，以降低槽压。EAST低温系统通过油环泵室温减压降温，而目前国外先进大型的低温系统普遍采用多级压缩设备——离心式涡轮冷压缩机(以下简称冷压机)直接应用于氦槽端的低温低压环境下，将饱和氦蒸气抽空减压，LHC四级冷压机串联，如图1所示，槽内1.6 kPa/1.8 K［3］，日本LHD二级串联，槽内23 kPa/2.97 K，且应用技术已经相当成熟［4］。

2 冷压机低温流通部分设计

2.1 冷压机结构原理

冷压机主要由转子叶轮、静子、轴承和驱动装置组成，当叶轮高速旋转时，槽内气体随着旋转，使气体的动能大为增加，在离心力作用下，气体被甩到后面的扩压器中去，而在叶轮处形成真空地带，这时外界的新鲜气体进入叶轮。叶轮不断旋转，气体不断地吸入并甩出，从而保持了气体的连续流动。同时，气体在离心惯性力以及在叶轮叶道中降速的共同作用下，其静压能也得到大幅度提高，在叶轮后面的扩压器中部分气体动能又转变为静压能，而使气体压力进一步提高，经过几级压缩后，被压缩的气体排出机外，从而达到使槽内压力不断下降的目的，如图2所示。

图1 IHI/Linde冷压机Fig.1 IHI/Linde cold compressor

图2 冷压机结构Fig.2 Structure drawing of cold compressor

2.2 冷压机叶轮设计

中国科院等离子体物理研究所EAST超导托卡马克氦低温制冷机，是中国目前最大的氦制冷系统。设计制冷量为1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/s LHe。超导磁体的工作温度3.8 K，使用超临界氦冷却，超导磁体的进口氦流通过和过冷槽(设计制冷量1 050 W/3.5 K)换热，达到进口3.8 K的过冷温度。过冷槽通过油环泵在室温下来减压制取3.5 K的冷量。其中过冷槽中3.5 K氦对应的饱和压力为0.47×105Pa，考虑到负压路的阻力损失，油环泵的吸气压力为0.37×105Pa，当过冷槽制冷量为1 050 W/3.5 K时，所需油环泵的流量约3 000 m3/h［5］。研究以EAST低温系统当中过冷槽的制冷量作为冷压机的研发参数，进行冷压机叶轮及整个低温流通部分的设计。

理论计算方面，以EAST的3.5 K制冷量参数为依据，从冷压机进出口压力比、流量、进口温度和叶轮造型出发，分别计算出设计参数。进口流量的计算上，按照抽真空获取1.8 K饱和HeⅡ的原理，根据能量守恒原理模型、Carandang模型、Mironer模型以及忽略蒸汽焓变得率能量守恒原理模型分别计算得到进口流量，进行比较。最终得到叶轮的工作轮进口角、出口角、叶片安放角、叶片数目、叶片轮毂和外缘尺寸等建模数据，如图3所示。

数值分析主要运用CFD软件进行冷压机叶轮、蜗壳、出口扩压器的局部流道数值模拟，得出冷压机在不同转速下压比和流量关系的性能曲线，理论上确定冷压机安全的运行范围，防止冷压机进入喘振和堵塞工况，为以后的冷压机运行调节提供参考依据。图4—6是冷压机低温流通部分CFD分析结果及实物模型。

图3 过冷槽冷压机离心式叶轮设计模型Fig.3 3D part drawing of cold compressor centrifugal impeller

图4 进出口压力变化云图Fig.4 Pressure changes from inlet to outlet

图5 低温流道中的压力曲线Fig.5 Streamwise curve of pressure

图6 叶轮实物加工Fig.6 Centrifugal impeller of cold compressor

3 冷压机的整体结构设计

冷压机是一种高速旋转机械，不可避免的涉及到轴承技术方面。在轴承的选择上，国外产品选择激励式磁轴承，但在冷压机的开始研究阶段也经过各类型轴承的试验比较，分别为气体轴承、激励式磁轴承和陶瓷轴承，3种类型轴承都能够达到设计转速，表1是早期CERN-LHC冷压机原型机的测试性能数据。

表1 LHC冷压机的原型机性能参数Table 1 Performance assessment of industrial prototype cryogenic helium compressors for LHC

经过比较，气体轴承不能够提供足够的承载力，不适用于质量较大的转子，且要考虑到向低温端的密封、漏热影响，从而造成整体结构设计复杂。陶瓷球轴承，能够简化整体结构设计，且市场产品成熟，但不能长时间运行，且稳定性和精度也不如磁力轴承。磁力轴承能够在低压下提供足够的承载力，可在高温、深冷及真空环境下运转，但控制技术复杂，加工精度要求严格，国内市场上缺乏相关应用。

冷压机的整体结构设计除轴承的选择设计外，还要考虑最低限度减少向低温端的漏热，在CERN的冷压机分析中，每20 W的漏热会减少1%的绝热效率。结构上需要考虑绝热结构的设计和漏热的测量，并考虑整体密封性。驱动电机的选择方面需要进行选型定制，目标是选择在最大限度的降低向低温端漏热条件下，满足驱动功率和轴向、径向跳动精度，稳定运行的电机。转子叶轮的整体动平衡测量，影响冷压机能否连续可靠的长期运转。叶轮、蜗壳、转子等零件的高精度加工，这些工作能够提高冷压机高速旋转的稳定性。

4 冷压机常温下转速稳定性测试

常温下测试冷压机的径向振动量和稳定性，当转子振动量超过一定限值时，会使叶轮和进气管发生碰撞摩擦，使设备损坏报废。图7，图8是冷压机试验机在常温下稳定运行12小时的径向振动测量，采用电涡流传感器测量，转速500 Hz，测试过程中没有发现碰擦现象，可以得出在初期的设计中，叶轮和进管间隙(0.4 mm)满足要求。常温下测试，主要是检测电机性能，再者通过测量数据，合理设计低温流通部分的尺寸间隙，减小间隙，提高效率。在低温(4.4 K液氦温度)下测试冷压机运行的稳定性，漏热情况，以及不同转速下的性能曲线分析——压缩比与进口体积流量之间的关系曲线，得出压机在低温下的喘振区域，为后续冷压机的稳定运行提供临界流量和放空回气流量数值，保证冷压机工作在喘振区域外。

图7 冷压机常温测试Fig.7 Cold compressor test at room temperature

图8 径向振动值Fig.8 Radial vibration values

5 结论

目前中国国内氦低温系统一般采用4.4 K常规液氦进行超导磁体等物理装置的冷却，超流氦或低于4.2 K下的过冷冷却尚未广泛使用，对于氦低温系统当中的冷压机研究更是处于空白阶段。国外对于冷压机的研究应用技术早已经成熟，等熵效率单台已经高达75%，且技术方面对外封锁。未来核聚变装置、高能加速器、空间红外探测等大科学工程项目都需要大型深低温制冷系统，因此，开展高效率、低漏热、稳定运行的离心式涡轮冷压缩机研究，对于国内此类设备的研发及自主应用和未来应用于大型深低温系统建造是非常有必要的。文章介绍的冷压机试验制造只是前期的积累工作，低温下的测试和实际应用还有待解决。

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］.合肥:中国科学院物质科学研究院，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

成安义，男，34岁，硕士，工程师。