氦制冷系统气体轴承透平膨胀机设计

孙立佳 孙 郁 任小坤 张 武，2 张林林

(1中国科学院理化技术研究所 北京 100190)

(2航天低温推进剂技术国家重点实验室 北京 100028)

1 引言

大型低温制冷设备是前沿科技研究、航空航天、高技术应用中不可替代的基础支撑装备。近年来，随着高技术的发展，对大型低温制冷设备的需求不断增加，低温工程涉及的领域越来越广，遍及大科学工程、航空航天、新能源、超导电力、国防、生物、交通、医疗、信息产业、天文等各个领域与行业的高端应用。为满足以上领域的需求，大型低温制冷系统制冷温度要达到20 K以下，制冷量达到数百瓦乃至万瓦以上。理论与实践证明:在这样低的温区，实现如此大的制冷量，只能采用气体轴承氦透平膨胀机制冷技术才能够实现。氦透平膨胀机作为关键的制冷设备，其效率及运行稳定性对大型低温制冷设备的长期连续运行具有至关重要的作用［1］。

2 氦气制冷系统流程

本文介绍的氦制冷系统采用80 K液氮预冷逆布雷顿循环，整套系统主要包括压缩机、冷箱和控制系统。系统工作时通过氦螺杆压缩机将工作氦气压力提高，压缩过程中采用喷油冷却的方式带走压缩时产生的热量。压缩氦气通过水冷却器降低温度后，经过高精滤油系统清除油气，进入冷箱。在冷箱内，氦气通过换热器，利用液氮及返流的低温氦气预冷至较低的温度，通过安装在冷箱上的氦透平膨胀机膨胀降温，为系统提供低温冷量。回流的氦气通过换热器返流通道预冷来流氦气，温度提高至室温，回到压缩机入口，完成整个低温制冷循环流程，系统流程简图如图1所示。

3 氦透平膨胀机研制

根据流程设计计算，氦透平膨胀机设计参数如下:氦气质量流量为104.5 g/s，进口压力为 0.696 MPa，进口温度为 22.82 K，出口压力为 0.125 MPa，要求绝热效率≥70%。

3.1 热力计算

根据以上透平设计参数及要求，对反动度、轮径比等参数进行优化，采用一元流设计方法对透平膨胀机流通部分进行设计，确保透平的最佳工作性能。计算得到透平膨胀机工作轮直径为35 mm，制动轮直径为60 mm，设计转速为12 r/min，设计效率≥70%。在透平膨胀机通流部分设计时，利用FLUENT模拟气体在导流器流道中的流动状况，计算结果如图2所示。分析气体流动中的影响因素，改进流道叶型，使喷嘴流道内气流分布变化平稳，减小流动损失;采用NREC对透平工作轮进行设计，如图3所示。调整子午面流道形状及叶片角分布等参数，通过流场及结构分析优化通流流道，提高工作轮的效率。

图2 喷嘴流道压力分布图Fig.2 Pressure distribution in nozzle ring

图3 工作轮流道流场分析图Fig.3 Mach number distribution in expansion wheel

3.2 转子轴承系统设计

转子是透平膨胀机中唯一的高速运转部件，它对膨胀机的效率、稳定性都有很大的影响。为了减少轴向导热和转子重量，采用钛合金为主轴材料，设计了单止推盘在制动端的结构，并通过不同的结构参数比较选取最佳的转子长度、止推盘直径、厚度、及径向轴承承载位置，在保证气体轴承承载力的同时提高转子的临界转速。为了减小加工误差，最大限度地减少转子不平衡量，转子设计采取整体结构。为了保证转子高速运转稳定性，对转子临界转速及高速旋转时的变形也进行了校核计算，如图4、5所示为转子的应力图及振型图。

图4 转子应力图Fig.4 Rotor stress map

图5 转子振型图Fig.5 Rotor deformation map

气体轴承的径向轴承采用π型槽动静压气体混合轴承形式［2］，止推轴承采用简单孔节流静压轴承形式，该类型轴承承载能力大、工作可靠、技术成熟，在中国科学院理化所研制的透平膨胀机中广泛使用。在结构布置中采用双排切向小孔供气径向轴承(止推轴承与径向轴承为一体)，以及单排环形小孔供气止推轴承，同时在径向轴承与轴承腔体间增加O型橡胶圈，来提高轴承系统阻尼系数，确保氦透平膨胀机的稳定运行。在结构设计中，通过CFD模拟分析径向轴承、止推轴承的供气孔数、供气孔位置、供气压力等对轴承承载力、气体流量的影响规律，寻找最佳气膜间隙和结构尺寸使轴承在保证刚度的前提下减小耗气量。轴承供气常温进气，供气压力为6.5×105Pa，由流程气降压引入，轴承排气通过金属软管接入系统低压管道中。

3.3 整体结构设计

在低温氦透平膨胀机中，由于进口流量小、介质温度低、膨胀比大、焓降高，工作轮尺寸小，膨胀机转速通常较高。为达到较高的绝热效率，还必须减少膨胀机的跑冷损失及氦气的泄漏损失［3］。

图6 径向轴承流场分析Fig.6 Flow field analysis of journal bearing

图7 止推轴承流场分析Fig.7 Flow field analysis of thrust bearing

透平膨胀机冷端温度极低，而氦气渗透性很强，需要特别关注低温密封结构的设计［4］。该透平膨胀机的低温密封采用四氟环，四氟环套在透平膨胀机导流器出口及扩压器入口处，隔离高低压氦气。在低温下，由于聚四氟乙烯材料的低温收缩率大于不锈钢，收缩量差异会使密封环紧紧贴住连接处，从而减少高低压氦气串通。为了降低漏冷损失，透平膨胀机总体结构采用立式结构，半开式铝合金工作轮在下方，并尽量使冷端机体深入真空保温腔内。低温端零件采用薄壁件，扩压器采用双层扩压筒结构，并增加迷宫顶气减少冷气轴向泄漏。

膨胀机热端结构设计采用风机直叶片铝合金叶轮制动，转子输出功大部分转化为热能消耗。制动气由流程气经降压引入，在制动风机进口设调节阀用于调节制动压力以对转速进行微量调节。为使透平膨胀机结构紧凑，风机制动采用闭式循环，水冷却器集成在风机蜗壳内，冷却制动升温后的氦气。水冷却器设计换热量为670 W，采用光管绕管式结构，分为3层，每层4根Φ10紫铜管，管内通有冷却水，冷却水进口温度为25℃，出口温度为29℃，冷却水量为0.15 m3/h。

3.4 透平控制逻辑设计

氦制冷系统中与透平膨胀机的相关的监测点约有20个左右。在系统控制逻辑设计中必须考虑到几种需要透平紧急停车的情况:出口温度过低，风机温度过高，轴承气温度过高，转速过高或无转速，接近临界转速，进口过滤器压差过大等。出现以上情况都需要在控制系统中切断透平进气阀门，开启透平旁通阀，以此来切断透平膨胀机进气，保护轴承系统。但同时考虑到系统停机成本及控制复杂性，可以只在关键参数不达标时启动紧急停车系统。

透平膨胀机的启动和停机阶段，也是控制系统的关键部分。启动阶段进气阀门的开度是呈线性打开，通常以0.2%/s或者0.5%/s的速度开启。达到一定的转速后，稳定1¯2 min，当转速到达工作转速设置点后，阀门转为控制转速模式(自动控制模式)。关机模式下，有两种操作方法，一种仍旧是线性关闭阀门，另外一种与紧急停车方式相同，快速关闭进气阀门。风机制动端的阀门可以对转速进行微调，寻找透平膨胀机的运转效率最佳点。

4 氦透平膨胀机试验结果及分析

为考察氦透平膨胀机的性能，保证氦透平膨胀机稳定性，发现设计中存在的问题，在氦透平膨胀机装入制冷系统冷箱之前，需要对氦透平膨胀机进行常温稳定性及超速试验。常温稳定性试验中轴承气使用氦气，驱动气为空气，氦透平膨胀机在设计转速12 r/min状态下维持运行15 min，在多次试验过程中膨胀机轴承转子系统的稳定性优异，启停正常，未出现任何轴承失稳和转子卡死现象，超速试验时透平转速达到13.2 r/min，膨胀机依然能够稳定运行。

透平膨胀机特性比U=u1/c0对透平膨胀机绝热效率η具有决定性的影响，其中u1为透平膨胀机工作轮进口圆周速度;c0为透平膨胀机入通流部分能达到的最大理想速度，将透平膨胀机等熵效率随特性比变化的曲线称为特性曲线。根据试验数据，计算氦透平膨胀机η-u1/c0特性曲线如图8所示。在试验中，由于制冷系统气量、压力等参数未达到设计工况，透平膨胀机在低于设计转速运转，特性曲线中没有测得等熵效率的最高点。从图中可以看出，特性比在0.15¯0.5之间时，透平等熵效率随着特性比增大而逐渐升高，大致成线性关系。当特性比超过0.6后，透平膨胀机等熵效率增大趋势逐渐趋于平坦，基本维持在70%以上。

图8 氦透平膨胀机η-u1/c0特性曲线Fig.8 η-u1/c0 curve of helium turbo-expander

在氦制冷系统调试过程中，氦透平膨胀机经历多次启停、降温及长时间低温运行试验，转子轴承系统动力学性能优异，气体轴承稳定性较好。在试验过程中，氦透平膨胀机出口温度最低达到15.42 K，为系统提供冷量最大达到2 200 W，低温下连续运转7天。通过试验数据分析，透平稳定运行后绝热效率＞72%，完全达到并超过设计要求(绝热效率＞70%)，圆满完成了设计指标要求。

5 结论

根据大型低温制冷系统的流程参数设计要求研制气体轴承氦透平膨胀机，采用流场模拟、转子动力学分析等方法指导透平膨胀机设计，提高了透平膨胀机效率及稳定性。从常温试验及长期低温试验结果来看，研制的透平膨胀机性能优良，绝热效率及稳定性达到了设计要求，在超速试验中透平膨胀机转子系统表现出优良的性能，超过了设计要求，为进一步开发更大制冷量的氦制冷系统积累了经验。

1 计光华.透平膨胀机(修订本)［M］.西安:西安交通大学出版社，1988.

2 杨克剑，张武，王文川，等.π型槽动静压混合式气体轴承:中国，94207681.8［P］.

3 熊联友，陈纯正，刘立强，等.新型氦气体轴承透平膨胀机的研制［J］.低温与特气，2001(1):23-25.

4 李 高，蔡朝恩，王紫娟.氦制冷机的密封［C］.2003年度低温技术学术交流会，2003:55-59.