氦透平膨胀机在我国的发展_常旭宁

低温与超导第42卷第2期低温技术Cryogenics Cryo．＆Supercond．Vol．42No．2收稿日期：2013－10－23作者简介：常旭宁（1971－），男，高级工程师，主要从事LNG 及管网压能利用的研究工作。

氦透平膨胀机在我国的发展常旭宁1，孙俊芳1，乔佳1，程进杰2，孙郁2，孙立佳2，张武2，3（1．北京市燃气集团研究院，北京100011；2．中国科学院理化技术研究所，北京100190；3．航天低温推进剂技术国家重点实验室，北京100028）摘要：氦透平膨胀机是氦制冷/液化系统的关键设备。

文中介绍了过去30多年氦透平膨胀机在中国的发展状况，对气体轴承的发展、试验台的建立和透平膨胀机的设计以及调试过程进行了介绍，对氦透平膨胀机未来的发展方向进行了重点介绍。

关键词：氦透平膨胀机；气体轴承；试验台The development of helium turbo expander in ChinaChang Xuning 1，Sun Junfang 1，Qiao Jia 1，Cheng Jinjie 2，Sun Yu 2，Sun Lijia 2，Zhang Wu 2，3（1．Ｒesearch institute of Beijing Gas Group ，Beijing 100011，China ；2．Technical Institute of Physics and Chemistry ，Chinese Academic of Science ，Beijing 100190，China ；3．The State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellant ，Beijing 100028，China ）Abstract ：Helium expander is a key component of helium refrigerator and liquefier．This paper reviewed the developments of the helium expander in the past 30years in China ，and introduced the gas bearing development ，the establishment of test bed and the design and debugging process of the expander ，and focused on introducing the future development direction of helium expander．Keywords ：Helium turbo －expander ，Gas bearings ，Testing bed1引言近年来，随着超导技术、太空探索以及大型低温项目的发展的需要，氦制冷/液化系统发挥着至关重要的作用，而高效稳定的氦透平膨胀机是氦制冷/液化系统的关键设备。

在9．6K 和18K 时，NbTi 和Nb 3Sn 分别成为超导态，只有氦制冷机能够提供如此低的温度。

因此利用液氦浸泡超导线圈，可以使超导线圈在临界温度以下运行。

目前大型强子对撞机（LHC ）、国际热核聚变实验堆（ITEＲ）、先进实验超导托卡马克（EAST ）、北京正负电子对撞机重大改造项目（BEPC －II ）等的氦低温系统都采用氦透平膨胀机。

由于氦的液化温度为4．2K ，在4．2K 时，所有的气体都可以冷凝，氦制冷机作为冷凝泵的冷源，可以获得很大的抽速，所以氦膨胀机也用于获取高真空，如空间环境模拟器、离子加速器等。

另外，氦膨胀机具有微型化、长寿命、低振动、以及在制冷温度和制冷量上有着不可替代的优势，小型氦膨胀机也可用于卫星和飞船的空间红外遥感以及深空探测，如哈勃太空望远镜（HST ）中红外照相机和多目标频谱仪（NICMOS ）的冷却系统就采用了小型氦膨胀机。

因此，开展具有高性能的氦透平膨胀机的研究，对国内在超导、加速器、空间环境模拟等重大国防科研项目的研究具有非常重要的意义。

国内从事氦气透平膨胀机的研究较晚，目前从事氦透平膨胀机研究的单位主要有：中国科学院理化技术研究所、西安交通大学和中科院等离子体物理研究所。

和国外先进技术相比，我们存在较大差距，但仍然取得了可喜的成就，如：在对KM3进行的升级改造中制冷系统采用了中科院低温中心研制的自作用气体轴承透平膨胀机；在KM6的制冷系统中采用了西安交通大学研制的氦膨胀机；中科院等离子体物理研究所根据俄制氦透平膨胀机而研制了一台氦透平膨胀机，并且在试验调试中取得成功。

2氦透平膨胀机在我国的发展中国从事氦透平膨胀机的研究工作开始于上世纪70年代，是为了航天事业的发展而进行的，国内研制的第一台氦透平膨胀机应用于空间环境模拟器KM4中，1978年成功为我国通信卫星提供热真空试验。

并且在之后的80和90年代，分别为KM3进行升级改造和KM6研制了氦透平膨胀机，在本世纪初，随着低温超导技术发展的需要，又有一批学者从事氦透平膨胀机的研制。

经过30多年的发展，我国在氦透平膨胀机方面的研制工作取得了可喜的成就，积累了宝贵的经验，为我国的航天事业和大型低温项目提供了有力支撑。

国内研制的首台氦透平膨胀机应用于KM4中，该透平膨胀机采用了单级径－轴流反动型式，转子直径为24．5mm，长径比为40/25，静压供气，其介质为氦气，鼓风制动。

由于采用静压供气，轴承耗气量占到13．3%，在进行调试的时候，由于进气压力偏低，导致调试过程中测量的参数如转速、绝热效率等值偏低，调试参数和设计参数如表1所示。

表1KM4氦透平膨胀机的设计和调试参数［1］Tab．1The design and debugging parameter of KM4helium expander调试参数设计参数进气压力/bar（绝对压力）78排气压力/bar（绝对压力）1．51．5进气温度/K15．822．5排气温度/K10．98—效率62%72%转速/krpm6988在80年代对后期对我国早期的空间环境模拟器KM3进行升级改造，用透平膨胀机代替长活塞膨胀机，采用中科院低温中心研制的自作用气体轴承氦透平膨胀机。

该透平膨胀机采用动、静压混合式气体轴承，提高了轴承的稳定性，又减少了轴承气的消耗量（小于3%），转速能达到50万转每分钟以上，是当时国内转速最高、尺寸最小的氦透平膨胀机。

和第一台氦透平膨胀机相比，轴承形式和转速都有了较大的突破。

在进行多次的反复启停试验及连续运转，性能表现良好［2］，设计参数见表4。

90年代末期西安交通大学为空间环境模拟器KM6研制的氦透平膨胀机，工作轮直径35mm，轴承轴径25mm，制动风机轮直径60mm，采用静压气体轴承，轴承气采用氦气，由流程中直接引出，采用止推盘在中间的单止推结构。

在进行的低温（液氮级）空气试验中，最高转速大于13万转/分，绝热效率达68%，在设计工况下的绝热效率大于70%，在出口温度12．817K 时，膨胀机的效率高达75%，最大制冷量接近2000W，设计参数如表4所示［3］。

由于先进超导托卡马克实验装（EAST）氦低温系统中四台俄制氦透平膨胀机性能不稳定，中科院等离子体物理研究所根据俄制氦透平膨胀机的结构，也自行研制了一台氦透平膨胀机，并且初步调试成功，但还存在进气压力偏低、启动过程转速波动较大等一些问题［4］。

新研制的氦气透平膨胀机采用油轴承与气体轴承混和结构。

径向气体轴承采用双排圆周8个固有孔节流的供气孔结构形式，径向油轴承采用3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，由于测试时进口压力没有达到设计值，导致等熵效率与制冷量等实际测量都小于设计值。

运行参数和设计参数如表1和表4所示。

表2运行参数Tab．2Operating parameters进口压力/bar5．53出口压力/bar1．18进口温度/K20．52出口温度/K14．54质量流量/（g/s）114．6转速/krpm105．47效率61．17%制冷量/kW3．41中国科学院理化技术研究所近期也完成了氦透平膨胀机设计，并且调试成功。

透平膨胀机工作轮直径为35mm，制动轮直径为60mm，主轴采用钛合金材料，采用单止推盘在制动端的结构。

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，双排切向小孔供气，止推轴承采用单排环形小孔供气静压轴承，为提高轴承的稳定性，·13·第2期低温技术Cryogenics在轴承与轴承腔体间增加O型橡胶圈［5］。

在试验过程中，氦透平膨胀机出口温度最低达到15．42K，为系统提供冷量最大达到2200W，绝热效率＞72%，完全达到并超过设计要求（绝热效率＞70%）。

该透平膨胀机的运行参数如表3所示。

国内已研制的几套氦透平膨胀机的性能参数对比如表4所示。

表3运行参数Tab．3Operating parameters进口压力/bar7出口压力/bar1．25进口温度/K22．82出口温度/K15．42绝热效率大于72%转速/（万转每分钟）12制冷量/W2200/（15．42K）表4氦透平膨胀机的性能参数比较Tab．4The comparison of performance parameters of helium expander研制单位膨胀比绝热效率/%转速/krpm制冷量/W备注中科院理化所8/1．5=5．372881200设计值，用于空间环境模拟器KM4中科院理化所8/1．6=5．0280400—450设计值，用于空间环境模拟器KM3西安交通大学9/2．2=4．1701162000设计值，用于空间环境模拟器KM6中科院等离子体所6．85/1．2=5．777．671056000设计值，用于超导托卡马克装置EAST 中科院理化所7/1．25=5．6721202200运行参数3关键技术的发展气体轴承作为氦透平膨胀机的核心部件，严重制约膨胀机的设计性能，如：膨胀比、转速、等熵效率和制冷量等，因此设计能够在高转速下稳定运行的气体轴承是膨胀机设计的关键。

国内研制的首台氦透平膨胀机，采用的是静压气体轴承，设计转速为88krpm，在进气压力为7bar时，实际运行转速为69krpm，但是由于采用了静压气体轴承，轴承耗气量较大。

在80年代对KM3进行技术改造时，首次采用动、静压混合式气体轴承，采用动静压混合轴承，即提高了轴承的稳定性，又减少了轴承的耗气量，提高了设备运行的经济性，设计转速为280krpm，实际运行转速能达到500krpm以上，性能获得很大的提高。

在本世纪初，中科院等离子体物理研究所在参考俄制氦透平膨胀机的基础上，首次研制出了国内首台用于氦透平膨胀机的油气混合轴承，轴承设计转速为105krpm，虽然在启动过程中出现转速波动较大等问题，但在初步调试过程中取得了成功，为后期进一步的改进打好了坚实的基础。