低温氦气体轴承透平膨胀机实验系统设计

的组 合 ， 最终选 取液 氮预 冷 以及 待测 透平 膨胀 机后 置
作 为 本 实 验 系 统 的 实 施 方 案 ， 构 见 图 １ 结 。
透 安 装 接口
图 １ 透 平 膨 胀 机 实 验 系统 方 案
Ｆｉ １ Ｐｒ ｇｒ ｇ． ｏ ａｍ ｆｔ ｂｏ－ｘｐａ ｏ ｕｒ ｅ ｎｄｅ ｘ ｒ ｍ ｅ ｔ ｓ ｓ ｅ ｒ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ｙ ｔｍ
ｔ ｅ ｏｍ ａ ｅ ｏ ｅ ｉ ｍ ｔ ｂ — ｘ ｎ ｒ ｔ ｄ ｆ ｒ ｎ ｓｚ ｓ ｆｏ ｌｑ ｉ ｈ ｄ ｏ ｅ ｔｍｐｅ ａｕ ｅ ｏ ｏ ｍ ｈｅ ｐ ｒ ｒ ｎｃ ｆｈ ｌｕ ｆ ｕｒ ｏ ｅ ｐａ ｄｅ ｓ ｗｉｈ ｉｆ ｅ ｔ ｉｅ ｒ ｍ ｉ ｕ ｄ ｙ ｒ ｇ ｎ ｅ ｅ ｒ ｔ ｒ ｔ ｒ ｏ
械 性 能 的研 究 。
低 温环境 。 除 了实现低 温环 境 以外 ， 必须 要使低 温 环境 的 还
温度 可 以稳定控 制 。本 文 采 用 增加 旁 路 调 节 以及使
待测 氦膨 胀机后 置 的方案 ， 这样 更加 有利 于低 温环境 下 温度 的稳定控 制 ， 且后 置膨 胀使得 进入 负 载换热 并 器 的氦气 是高压 气 流 ， 助于减 少 负载换 热器 的尺寸 有 以及 氦气 在负 载换热 器 中 的流 动阻 力 。
第 ２期
低 温氦 气 体 轴 承 透 平 膨 胀 机 实 验 系统 设 计
５ ７
污染 系 统 ， 如果 污染 严 重 ， 浪 费 大量 时 间来 进行 系 将
统 纯化 。如果 是更 换另一 种规 格 的氦透平 膨胀 机 ， 由
５ ８ｋ ａ 绝热效 率 ７ ％ ， ９ Ｐ ， ０ 膨胀 机 出 口温 度 、 力 １ ． 压 ４６
通 过 对 比 ， 实 验 系统 采 用 液 氮 预 冷 来 实 现 可 调 节 的 本
常高 ， 向导热 引起 的漏 热 会 降 低 膨胀 机 绝 热 效率 。 轴
增 加转 子转 速有利 于提 高低 温氦透 平膨 胀机 的效率 ， 但 容 易失稳 ， 以应 综合 考 虑 膨胀 机 的转 速 、 热 所 绝
文 献标 识码 ： Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｘ ｒ ｍ ｅ ｔ ｓ ｓ ｅ ｆ ｒ ｃ ｙ ｇ ｎｉ ｅ ｉ ｍ ｓｇ ｆ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ｙ ｔ ｍ ｏ ｒ ｏ ｅ ｃ ｈ ｌｕ
ｔ ｂｏ ｅ ｐ ｎ ｒ ｔ ａ ａ ｉ ｇ ｕｒ — ｘ ａ ｄｅ ｓ ｗｉｈ ｇ ｓ ｂｅ ｒ ｎ ｓ
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｒ ｏ ｅ ｉ ｅｉ ｍ ｕ ｂ — ｘ ａ ｄｅ ｘ ｒｍ ｅ ｔｓ ｓｅ ｗａ ｓｇ ｄ，ｗｈ ｃ ｓ ｕ ｅ ｏ ｔｓ ｓ ｒ ｃ ： ｃ ｙ ｇ ｎ ｃ ｈ ｌｕ ｔ ｒ ｏ ｅ ｐ ｎ ｒｅ ｐｅ ｉ ｎ ｙ ｔｍ ｓｄｅ ｉｎｅ ｉ ｈ ｗａ ｓ ｄ ｔ ｅ ｔ
效 率 与 运 转 稳 定 性 的关 系 。 鉴 于 透 平 膨 胀 机 在 低 温 系 统 中 的关 键 作 用 以 及
研 制难 度 ， 建立低 温氦 气体轴 承透平 膨 胀机 的实验 系 统 非 常重要 。实 验系 统 的 建立 可 以为 透平 膨 胀 机 实 验研 究提供 所需 的低 温环境 ， 提供 实验 研究所 需 的必 要功 能 ， 能深 入系统 地进行 热力 性能 的研究 以及 机 并
以 上 的 流 程 设 计 以 及 控 制 方 案 可 以 有 ６种 不 同
２ 实 验 系 统 流 程 布 置 方 案
氦透平 膨胀 机实 验 系 统 最核 心 的功 能就 是 要 通 过调 节实验 系统 的制 冷能力 ， 实现可 调节 的低温 环 来 境 ， 而仿 真氦 透平 膨 胀 机 实验 研 究 所需 要 的工 况 。 进 调节 能 力越 强 ， 就越容 易 实现 实验 工 况 的仿 真 。有 ３
Ｋ １ ５ｋ ａ 绝热 效率 ７ ％ 。液 氮消耗 大 于 ９ｇ ｓ — ／ ３ Ｐ ， ０ ／ 。Ｔ
Ｓ图见 图 ３ 。
于氦透 平膨胀 机 的低温端 接 口不 同 ， 需要 卸开 冷箱绝 热 真空 夹层 中的 与氦 透平 膨 胀 机 连 接 的管 道 法 兰进 行 整体 更换 ， 这时 冷箱 夹 层 真 空将 被 破 坏 ， 安 装 完 等 后 需重新 处理 冷箱 夹层 真 空 。此 外 ， 如果 在 冷箱未 复
几 万至 近百 万转 每分 ） 由于 高转 速 以及 高 清 洁度 、 。 深 低温 等要 求 ， 支撑转 子 的轴 承不 能采 用传统 的油 润
滑 轴承 ， 而必 须采 用 氦气 体 润 滑 轴 承 ， 膨胀 机 转 子 即 是 由一 层非 常薄 的 只有 几 微 米 至几 十 微 米厚 的氦 气 膜 来提 供 润 滑 和 支 撑 。 由于 气 膜 的 刚度 、 尼 系 数 阻
（ 中 国科 学 院 理 化 技 术 研 究 所 （ 中 国科 学 院研 究 生 院
北 京 １０ ４ ） ０ ０ ９
（ 中 国 科学 院低 温 工 程学 重 点 实 验 室 北京 １０ ９ ） ０ １０
摘 要 ： 设计 了一套 氦透 平膨胀 机 实验 系统 ， 系统 可 以用来对 工作在 液 氢一 常温 区范 围 内的不 该 同规 格 的氦透 平膨 胀机进 行性 能 测试 ， 可 以用 于开展 以氦 为工质 的低 温环 境 下 透平 膨胀 机 实验研 还
ｔ ｍｐ ｒ ｔｒ ｅ ｉｎ． Ｗ ｉｈ ｔ ｓ ｓ ｓｅ ，ｆ ｒｈ ｒ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｒ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｔ ｅｉ ｍ ａ ｏ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｒ ｇ ｏ ｔ ｈｉ ｙ ｔ ｍ ｕ ｔ ｅ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｕ ｂ — ｘ ａ ｄ ｒｗｉ ｈ ｌｕ ｈ ｔｌｗ ｔ ｍｐ ｒ ｔｒ ｏ ｌ ｌｏ ｂ ａｒｅ ｕ ｏ ａ ｑ ｒ ｈ ｙ ｔ ｃ ｏｏ ｙ ｏ ｅｉ ｍ ｕ ｂ － ｘ ａ ｄ ｒ ｎ ｍ ｐ ｏ ｅ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｃ ｕ ｄ ａｓ ｅ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔｔ ｃ ｕｉｅ ｔ ｅ ｋｅ ｅ ｈｎ ｌ ｇ ｆｈ ｌｕ ｔ ｒ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｓ ａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｔ ｅ ｐ ｒｏｍ ａ ｅ ｏ ｅｉ ｍ ｕ ｂ — ｘ ａ ｄ ｒ ． ｈ ｅｆ ｒ ｎｃ ｆｈ ｌｕ ｔ ｒ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ： ｒ ｏ ｅ ｉ ｅ ｉｍ ｕ ｂ — ｘ ａ ｄ ｒ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｓ ｓｅ ；ｅ ｔ ｙ ｗｏ ｄ ｃｙ ｇ ｎ ｃ ｈ ｌｕ ｔ ｒ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ； ｘ ｅ ｉ ｎ ｙ ｔ ｍ ｔｓ
２１ ０ ２年第 ２期 总第 １ ６期 ８
低 温 工 程
ＣＲＹＯＧＥＮＩ ＣＳ
Ｎｏ ２ ２ ２ ． ０１
Ｓ ｕｍ ＮＯ ８ ．１ ６
低 温 氦 气 体 轴 承 透 平 膨 胀 机 实 验 系 统 设 计
孙 良瑞 熊联 友 。 刘 立 强 。
北 京 １０ ９ ） ０ １０
氦透平膨胀 机技 术在 空 间技 术 、 大科 学 工程 ， 导 超 应用等诸 多核心高技术领域 发挥着不可替代 的作用 。
收 稿 日期 ：０ １１ —１ 修 订 日期 ：０ ２ ０ —９ ２ １ —２３ ； ２ １ － ２ ２
作 者 简 介 ： 良瑞 ， ，８岁 ， 士研 究 生 。 孙 男 ２ 硕
５ ６
低 温
工 程
小 ， 承载 能力 和运转稳 定性 一直 是低 温领域 的研究 其 重 点 。此外 ， 由于膨胀 机转子 两端 分别 工作在 低温 和 常温环 境 ， 温度变 化 剧 烈 ， 沿转 子 轴 向的温 度 梯 度 非
种方 案 可以达 到可 调节 的低温环 境 的 目标 ： 是利用 一
１ 引 言
氦 透平 膨胀机 是一 个高 速旋转 的叶轮机 械 ， 叶轮 尺寸小 （ 直径 从几 毫米 至几 十毫 米 ） 工 作转 速 高 （ ， 十
低 温 氦气 体 轴 承 透 平 膨 胀 机 （ 称 氦 透 平 膨 胀 简 机 ） 大型 低温制 冷 系 统 的 关键 部 件 ， 过它 的膨胀 是 通 制冷来实现并 维持在所需温 区以下 的低 温环境 。 因此
待测 的氦 透平 膨胀 机 的制 冷Байду номын сангаас 力 ， 过 系统 自身 的能 通
量平 衡来 实现低 温环 境 ， 这种 调节 能力有 限。二 是 但 增加 一个 辅助 的氦透 平膨 胀机 ， 利用 辅助透 平膨 胀机 的制 冷 能力来调 节 ， 是增 加一 台氦 透 平膨 胀 机 ， 但 会 增加 整个 系统 的复杂 性 ， 不利 于实验 系统 的维 护和稳 定性 。三是通过 设 置液 氮 预 冷 提供 冷 量 来 调 节低 温 环境 ， 这种 方 法 不 但 调 节 能 力 较 强 ， 且 范 围也 广 。 而
温前进 行氦透平 膨胀 机 的拆装 ， 还将 使 得冷 箱 内部 管
道及 部件 内外冷表 面结霜 、 结露从 而引起 污染 和堵塞 ，
因此必 须等冷箱完全 复温才能进行膨 胀机的拆装 。 为 解决 这些 问题 可将 试 验 系 统 低 温部 分 按 分 体 结构设 计 ， 图 １所示 ， 系统 低 温 部分 的部 件 分别 如 将
规 格膨胀 机装 拆 时会破坏 冷箱 真空 夹层 高真空 ， 实验
前 系统 预处 理时 间长 ， 实验效 率低 。 为避 免 杂质气 体 在 低温 下 凝 固从 而堵 塞 换 热器 通道 以及 氦透 平膨 胀机轴 承 间隙 ， 及氦 透平膨 胀机 涉
道暴露 在 环境 中会使 环 境 中的 空气 进 入 到 系 统 中 而
究， 以期 掌握 氦透 平膨胀 机 的关键技 术 并进一 步提 高氦透 平膨 胀机 的性 能 。
关 键词 ： 温氦透 平膨胀机 实验 系统 低
中 图 分 类 号 ：Ｂ ５ Ｔ ６３
测试
文 章 编 号 ：０ ０６ １ （０ ２ ０ ￣ ５ — １ ０ — ６ ２ １ ） ２ ０ ５０ ５ ５
氦 透 平 膨 胀 机 装 拆 过 程 中 易 发 生 系 统 污 染 ， 同 不
的 系统 在 开机前 要做 系统 纯度检 测 ， 求 系统 内的氦 要 气有着 极 高的纯 度 ， ： 气含量 ＜ ０ｘ１ ～， 气含 即 氮 ３ ０ 氢
量 ＜５×１ ０～， 含 量 ＜１ 水 ０×１ 一， 含 量 ＜２ ０ 油 ０× １ ０一。装 拆氦 透平 膨 胀 机 时 与透 平 膨 胀 机 连 接 的管
Ｓ ｎ Ｌ ａ ｇ ｕ ｕ ｉ ｎ ｒ ｉ＇， Ｘｉｎ ｉ ｎ ｏ ｏ ｇ Ｌａ ｙ ｕ ， Ｌｕ Ｌｑａ ｇ ＇ ｉ ｉ ｉ ｎ 。 。
（ Ｔ ｃ ｎｃ ｌ ｎ ｔｕｅｏ ｈ ｓ ｓ ｎ ｈ ｍｉ ｒ ， ｈｎ ｓ ｃ ｄ ｍｙｏ ｃｅ ｃ ， ｅｊ ｇ１ ０ ９ ， ｈｎ ） ｅ ｈ ｉ ｓ ｔｔ ｆ ｙｉ ｄ Ｃ ｅ ｓ ｙ Ｃ ｉｅｅＡ ａ ｅ ｆ ｉｎ ｅ Ｂ ｉｎ ０ １ ０ Ｃ ｉａ ａＩ ｉ Ｐ ｃａ ｔ Ｓ ｉ （ Ｇ ａ ｕ ｔ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｈｎ ｓ Ａ ａ ｅ ｙ ｏ Ｓ ｉｎ ｅ Ｂ ｉｎ ０ ０ ９ Ｃ ｉａ ｒｄ ａ ｎｖ ｓ ｙｏ ｉｅ ｅ ｃ ｄ ｍ ｆ ｃ ｃ ， ｅｊ ｇ１ ０ ４ ， ｈｎ ） ｅ ｅ ｔ Ｃ ｅ ｉ （ Ｋ ｙ Ｌ ｂ ｒｔｒ ｏ Ｃ ｏ ｅ ｉｓ Ｃ ｉｅｅＡ ａ ｅ ｆ ｃｅ ｃ ， ｅ ｉｇ１ ０ ９ Ｃ ｉａ ｅ ａ ｏａｏ ｆ ｒ ｇ ｎｃ ， ｈｎ ｓ ｃ ｄ ｍｙｏ ｉ ｅ Ｂ ｉｎ ０ １ ０， ｈｎ ） ｙ ｙ Ｓ ｎ ｊ