氦制冷系统气体轴承透平膨胀机设计
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
低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析_侯予
第37卷 第7期2003年7月 西 安 交 通 大 学 学 报JO U RNA L O F XI′AN JIAO TO NG UN IV ERSIT YVol.37 №7Jul.2003低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析侯 予,陈纯正,熊联友,刘立强,王 瑾(西安交通大学低温工程研究所,710049,西安)摘要:针对我国航天领域某重点项目的研制任务,设计了一台氦气体轴承低温透平膨胀机,并对其热力性能进行了分析和讨论.提出了一种考虑膨胀机整体热力性能及机械性能的透平膨胀机系统多目标优化方法.解决了透平膨胀机使用不同工质时相似准则的选取方法,进而在自行开发的较为完善的透平膨胀机一元流动性能预测程序的基础上,获得了模化时所应遵循的相似准则数.以人工神经网络为基础实现了透平膨胀机的性能转换问题.试验结果表明,所研制的氦气体轴承透平膨胀机的绝热效率大于71%;在出口温度为12.8K 时,膨胀机效率已达到75%;膨胀机的最大制冷量接近2kW.关键词:透平膨胀机;氦;性能分析中图分类号:TK04 文献标识码:A 文章编号:0253-987X(2003)07-0666-04Design and Analysis of Thermal Performance forCryogenic Helium Expansion TurbineHou Y u,Chen Chunzheng,X iong Lianyou,Liu Liqiang,Wang J in(Institute of Cryogenic Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China)A bstract:To accomplish the research task of helium turbo-expander used in an impo rtant item of space area,a helium turbo-expander using gas bearings has been designed.The therm al performance of this helium turbo-ex-pander is discussed,and a multiple objects optimization design for w hole performance of a radial-ax ial flow cry o-genic turbo-ex pander is developed.A method of selecting similarity criteria for different wo rking fluids in tur-boexpander is proposed.In theoretical research on predicting the therm al performance of expansion turbine,an effective performance prediction program based on a one-dimensional analy sis of expansion turbine is developed, and the similarity criteria used to simulate modeling tests are obtained.Furthermore,the artificial neural net-w ork is used to deal with the transfo rming problem of turbine performance.The efficiency of this turbine has been increased to75%at the exit temperature12.8K,and the sy stem cooling capacity2kW has been obtained. Keywords:turbo-expander;helium;performance analysis 载人航天工程是一个庞大的系统,是众多行业大力协作的结晶,也是体现一个国家科技水平及综合国力的标志.我国的载人航天工程在20世纪80年代立项论证,20世纪90年代我国的航天计划开始实施.作为航天计划的先期项目———KM6载人航天器空间环境试验设备(简称KM6设备),是发展我国载人航天工程必不可少的重大基础设施.卫星和飞船飞行在地球大气层以外的宇宙空间,那里的环境是深冷黑体(简称热沉)、真空环境和太阳辐射.空间环境模拟器是在地面上模拟空间环境,提供卫星、飞船发射前进行检验的地面设备,其中的深冷氦板借用热沉壁板的保护,以减少辐射能量的消耗,并采用20K深冷泵提供深冷抽气,这就需要采用极低温氦气来冷却低温泵冷板以获得最收稿日期:2002-10-17. 作者简介:侯 予(1973～),男,博士,副教授. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50206015);真空低温技术与物理国防科技重点实验室基金资助项目.佳效果.氦制冷系统就是用来为内装式低温泵提供充裕的低温冷量,以保证试验舱内达到高真空环境.在该制冷系统中,关键的产冷机械是氦气体轴承透平膨胀机,它被普遍认为是氦制冷系统的心脏,是氦制冷系统中技术含量高、研制难度大的核心部件,也是氦制冷系统研制过程中技术研究的重点.KM 6设备是世界三大载人航天器空间环境的试验设备之一(另外2台为美国及俄罗斯所有),其中的氦气体轴承透平膨胀机研制重担最终由西安交通大学制冷与低温工程系承担.1 设计要求氦制冷系统采用80K 液氮预冷逆布雷顿循环,设置2台透平膨胀机的并联使用.KM 6低温氦透平膨胀机的主要设计参数:进口压力为0.8MPa ,进口温度为22.5,出口压力为0.15MPa ,效率大于或等于65%,出口温度小于或等于16K .KM 6氦制冷系统设备如图1所示.2 氦气体轴承透平膨胀机的设计为了获得透平膨胀机的较高性能,必然借助于最优化设计.在低温氦透平膨胀机中,由于进口介质的温度低,膨胀比较大,尤其是在小流量时,工作轮直径较小,势必造成膨胀机转子的转速较高,而过高的转速将使膨胀机的工作可靠性下降[1].参考空气透平膨胀机和国内外现有氦透平膨胀机的参数,并根据KM 6氦透平膨胀机的具体特点和要求,选取基本热力参数和结构参数,对反动度、轮径比等参数进行优化.氦透平膨胀机除了其热力性能外,膨胀机机械性能尤其是轴向力的大小及轴承-转子系统的稳定性也是一个重要因素,它决定了膨胀机设计的可行性和运行可靠性.因此,针对氦透平膨胀机热力性能及机械性能进行整体性能多目标优化设计是十分必要的.在本设计中,以低温透平膨胀机一元流动热力性质数值计算及轴承系统有限元计算为基础,考虑热力性能及机械性能的约束条件,对透平膨胀机的工作轮、制动风机、轴向力及轴承-转子系统进行关于膨胀机的特性比(u 1)、反动度(ρ)、轮径比(μ)、叶高轮径比(l 1/D 1)等包括热力性能及机械性能的系统多目标优化,全面地考虑约束条件,从数据库中选取其他热力及结构参数,并加入专家的经验以提高搜索效率[2].主要设计结果:氦气膨胀气量为900Nm 3/h ,工作轮直径为35mm ,制动风机轮D =60mm ,ρ=0.463,u 1=0.624,工作转速为116×103r /min ,绝热效率大于0.65.3 性能预测由于透平膨胀机内部的工质流动是一种极为复杂的三维流动,加上尾迹流的影响、叶轮与喷嘴间流动相互干扰形成的不稳定流动的影响、粘性影响、边界层及二次流发展的影响、大焓降透平膨胀机中激波间断和阻塞工况的影响等,致使理论预测透平膨胀机的热力性能变得十分困难.目前,依靠试验了解透平膨胀机的热力性能仍为最重要也是最可靠的手段.但是,对于氦透平膨胀机而言,由于氦气的昂贵以及加工现场条件的限制,通常采用空气或其他相对便宜的替代工质进行试验,为此要设法解决不同工质(主要指具有不同绝热指数的工质)试验结果之图1 K M 6氦制冷系统设备图667 第7期 侯 予,等:低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析间的相互转化问题.为此,我们采用了2种方法:一是利用相似模化的方法,寻求试验时应遵循的决定性相似准则数;二是利用人工智能领域最新发展起来的人工神经网络技术来实现不同工质的性能转换[3].在透平膨胀机性能的理论预测研究中,课题组应用并发展了NASA 理论,确定了速度系数φ、ψ的变化规律及冲击损失系数β的计算方法,考虑到膨胀端与制动端的功率匹配问题,建立了空气、氦气和二氧化碳物性数据库,从而实现了程序可根据多种工质按实际物性进行计算.在透平膨胀机热力性能预测程序的基础上,推导出了使用同种工质时透平膨胀机所应遵循的决定性相似准则,总结出了透平膨胀机使用空气与氦气时所应遵循的决定性相似准则,提出了分段选用κ(绝热指数)与M u (对应于速度u 的马赫数)的不同组合作为决定性相似准则之一的思想及方法,并进行了数值模拟试验.由于M u 、p 0/p 3、κ与绝热效率(ηs )之间是一种高度的非线性映射关系,故在透平膨胀机的性能转换研究中应用人工神经网络(ANN )技术,以解决透平膨胀机使用不同工质时的性能转换问题.结果表明,以大量的试验数据做为训练样本,将使人工神经网络方法在透平膨胀机使用不同工质的性能转换中更加可靠、有效[4].氦透平膨胀机理论预测曲线如图2所示,图中u 1为出口工作轮的径向速度;C s 为等熵速度.4 试验分析为考察氦透平膨胀机的性能,暴露设计中存在的问题及预测其使用工况下的性能,在制造厂内将样机在制氧机上先后多次进行了常、低温(液氮级)空气试验,符合要求后运至使用现场.在用氦气多次开车的整个试验过程中,2台氦气体轴承透平膨胀机均一次开车成功,并表现出良好的性能,尤其是膨胀机轴承-转子系统的稳定性优异,在整个试验过程中未出现任何轴承失稳和转子卡死现象.氦透平膨胀机始终运转稳定,最高转速已超过了设计值,并经历了各种工况考验,创造了现场多次试车中氦透平膨胀机没有发生一次事故的新纪录.试验还表明,该机在制冷温度、制冷量等多项指标上,完全满足了飞船的试验要求,其优异的热力性能也发挥得很突出,如用空气作试验时,氦透平膨胀机的最高绝热效率已达68%.在环境模拟现场进行了氦低温试验后,直至1999年氦制冷系统参加飞船联调试验取得圆满成功,充分显示了氦透平膨胀机的技术指标均达到并明显优于原设计任务的要求.氦透平膨胀机空气常、低温的试验结果及氦气试车膨胀机的特性曲线如图3～图5所示.根据测试记录,透平膨胀机出口的最低温度小于13K ,比原设计要求的出口温度小于16K 或更低.根据测试数据的计算,该透平膨胀机在设计工况下的实测绝热效率大于71%,在出口温度为12.817K 时,膨胀机效率已达到75%,明显高于原设计的要求值(大于65%).膨胀机的最大制冷量接近2kW ,这使原设计的双机并开到现在的一开一备,即可满足系统对制冷量的要求.从试验结果来分析,膨胀机的实际运行指标大大超过设计工况,再结合空气及低温试验前后的数据及设备装拆记录,发现主要原因在于:①由于保障了加工精度,膨胀机通流部分的流动损失大大降低;②轴承-转子系统良好的稳定性和超速性能使膨胀机达到了最佳特性比,等熵效率显著提高;③整机材料用导热系数小的钛合金及不锈钢件,在结构上也采用了积极措施,从而减少系统的跑冷损失;④系统采用的新型低温密封结构杜绝了极冷氦气的内漏与外漏.图2 氦透平膨胀机理论预测曲线图3 在常低温下用空气试车时氦透平膨胀机的试验结果668西 安 交 通 大 学 学 报 第37卷 图4 用空气试车时氦透平膨胀机的特性曲线图5 用氦气试车时氦透平膨胀机的特性曲线5 结 论通过对KM 6设备低温氦气体轴承透平膨胀机的成功研制与试验分析,获得了低温氦气制冷系统及低温高速气体轴承透平膨胀机的设计准则、试验数据与运行经验,这具有重要的学术价值和工程指导意义.本文所设计的逆布雷顿循环氦制冷系统的关键设备氦气体轴承透平膨胀机已通过使用单位的验收并交付使用.运行表明,该机具有较好的热力性能和机械性能,获得了使用单位较好的评价,并在“神舟号”飞船热真空试验中发挥了很好的作用.该项目的技术指标已达到国际先进水平,2000年在北京由教育部组织的鉴定会上获得了很高的评价,它的成功研制被认为是我国氦制冷技术水平显著提高的重要标志.由西安交通大学研制的氦气体轴承透平膨胀机与氦制冷螺杆压缩机一起荣获了2001年度中国高校科学技术进步二等奖,所配套的KM 6载人航天器空间环境试验设备荣获2001年度国家科学技术进步二等奖.致谢 感谢中国航天科技集团公司第五研究院511所、苏州制氧机有限公司、苏州三川换热器厂、西安交通大学瑞森集团公司等诸多单位在KM 6氦气体轴承透平膨胀机研制过程中提供的支持和技术协作.参考文献:[1] 西安交通大学制冷教研室.国外氢氦透平膨胀机评述[R ].西安交通大学科技参考资料,75-010.西安:西安交通大学,1973.11～14.[2] 侯予,王瑾,熊联友,等.径-轴流低温透平膨胀机整体性能多目标优化设计[J ].低温工程,2001,122(4):13～17.[3] 刘立强,熊联友,侯予.透平膨胀机热力性能的理论预测[J ].低温工程,1998,104(4):5～10.[4] 刘立强.气体轴承氦透平膨胀机的研究[D ].西安:西安交通大学能源与动力工程学院,1997.(编辑 王焕雪)《科技英语论文实用写作指南》简介《科技英语论文实用写作指南》是为提高我国研究生的科技论文英语写作能力而编写的研究生教材.本书从实用的角度出发,以论述与实例相结合的方式,介绍了科技英语论文各章节的写作要点、基本结构、常用句型、时态及语态的用法和标点符号的使用规则,以及常用词、常用短语的正确用法,指出了撰写论文时常出现的错误,并在附录中列出了投稿信函、致谢、学术演讲和图表设计及应用的注意事项等.本书适用于博士生、硕士生、高校教师和研究院所的科研人员,还可以作为对参加国际学术会议参加人员进行培训的教材.本书由西安交通大学俞炳丰教授编著,西安交通大学出版社出版.出版发行科电话:029-*******,2667874.669 第7期 侯 予,等:低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析。
透平膨胀机
透平膨胀机透平膨胀机是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。
其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，使气体自身冷却达到制冷的目的。
分类按照轴承形式可以分为气体轴承膨胀机和油轴承膨胀机。
气体轴承膨胀机适用于高速轻载小流量的小型设备中，油润滑轴承则适用于大流量重载荷低速工况设备中。
按照气膜承载力产生原理，气体轴承又分为静压轴承和动压轴承。
由于气体轴承功耗低、适用速度范围广、对工质气体无污染及设备简单等优点而被广泛应用，其承载能力及稳定性的提高成为各国研究人员的研究热点。
气体轴承透平膨胀机气体轴承透平膨胀机运行稳定，转速高，效率高，无须维修、保养、拆检等，适用于空气、氢气、氦气、天然气及各种混合气体。
目前自主设计、生产的气体轴承膨胀机已经配套应用于空分设备、化工尾气回收、天然气液化装置、氦制冷机等，并可以针对用户各种特殊要求、特殊气体设计生产的气体轴承透平膨胀机。
氦气轴承透平膨胀机氦气体轴承透平膨胀机的润滑介质为氦气，由于氦气特殊的气体性质，其分子小粘度低，使得提高其承载力的同时保持高稳定运转更加困难。
低温系统关键技术组的研究人员经过科研攻关，先后完成KM3、KM4等空间环境模拟用氦气体轴承透平膨胀机及氦制冷系统的设计制造，最小的用于氦液化器上的氦气体轴承透平膨胀机转子直径7mm，转速高达56万转/分。
2012年，应用于20K（即-253℃）温度下提供2000W冷量的氦气制冷机上的氦气透平膨胀机已顺利完成各项低温性能试验。
氦透平膨胀机表现出很好的稳定性，转速、流量、透平出口温度均已达到设计要求，最高转速达到11.87万转/分钟，绝热效率达到73%以上。
2014年，应用于20K温度下提供10000W冷量的氦气制冷机上的透平膨胀机完成验收，转速82000rpm，绝热效率78%以上。
由此，形成了具有自主知识产权的大型氢氦低温制冷的关键技术—高性能高稳定性氦透平膨胀机的设计、制造与调控技术。
氦制冷系统透平膨胀机的测试
低 温 技 术
Ｃｒ ｙ ｏ ｇ ｅ ｎ ｉ ｃ ｓ
Ｃ ｒ ｙ ｏ ． ＆Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｄ ． Ｖｏ １ ． ４统 透 平膨 胀 机 的测试
孙郁 ， 孙立佳 ， 任小坤 ， 高元景 ， 张武
１ 引 言
中国散裂 中子 源 （ Ｃ Ｓ Ｎ Ｓ ） 是国家“ 十一 五 ” 期
反 动式 透平 膨胀 机 ， 透平 膨胀 机 由通流 部分 、 制 动 部分 和机 体 部分 组 成 ， 其 中通 流 部 分是 获 得 低 温 的主要部 件 。氦 气 从 管 道 进 入 膨胀 机 的蜗 壳 ， 蜗 壳把 气 流均 匀 的分 配 给 喷 嘴 ， 气 流 在 喷 嘴 中进 行
（ １ ． 中国科学 院理化技术研究所 ，北京 １ ０ ０ １ ９ ０ ； ２ ． 航 天低温推进剂技术 国家重点实验室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ８ ） 摘要 ： 为满足 中国散裂 中子源 （ Ｃ Ｓ Ｎ Ｓ ） 工程预 期发展及未来工程升级 需要 ， 建立 了一套氦制 冷系统 。该制 冷系
２ ． Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｙ ｒ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｃ ｙｏ ｒ ｇ ｅ ｎ ｉ ｃ Ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｌ ｌ ａ ｎ ｔ ｓ ，Ｂ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ２ ８ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｔｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ｔ ｕ ｒ ｂｉ ｎ ｅ ｏ ｆ ｈｅ ｌ ｉ ｕ ｍ ｒ ｅ ｆ ｒ ｉ ｇ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ｓ ｕ ｎ Ｙ ｕ ， Ｓ ｕ ｎ Ｌ ｉ ｊ ｉ ａ ， Ｒ ｅ ｎ Ｘ ｉ ａ ｏ ｋ ｕ ｎ ， Ｇ ａ ｏ Ｙ ｕ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｗｕ ， 。 （ １ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｉ ｃ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
气体静压轴承增压透平膨胀机的优化设计及应用
２０ ０ ６年 ，在 广 西 某 铜 厂 １套 ＫＤ Ｎ一６ ０ Ｏ ３０／
表 １ 气 体 静 压 轴 承 增 压 透 平 膨 胀 机 设 计 参 数
项 目 介 质 膨 胀 机 干 空 气 ２ ０ ９０ ０ ７ ５ ．５ ４ １３ ４ 增 压 机 ． 干 空 气 ２ ２ ９０ ０ ５ ．８ ２７ ９
８ ％ ０ ４６ ０ ２ ５
０ ７ ９ ．８ ４ ３６ ３
７％ ３ ４６０ ２ ５
１ 气体静 压轴 承 增压 透平 膨胀 机 设计 参 数
和 特 点
３ ０ ｍ０ｈ空分设 备 配 套 的气 体 静 压 轴 承 增 压 ６０ ／
透 平膨胀 机 的设计 参数 见表 １ 。 气 体静压 轴承 摩擦 力极 小 ，产生 的摩 擦热及 耗 减少 占地 面 积 约 １ ｍ 。 由 于没 有 供 油 装 置 ，彻 底 ０ 消除 了油进 入空 分设 备 内的安 全隐患 ，同时也 可以
功 也很小 ，并 具有 转速 高 、精密 度高 、无 污染 和结 构 简单 等优 点 ，而 且膨 胀机 可直 接安装 在 精馏塔 的
冷 箱板 上 ，不需要 单独 的过 桥冷 箱 和供 油 装置 ，可
收 稿 日期 ：２ ０ —４ １ ０ ８０ — １
把 消耗 在油 轴 承上 的功率 （ ０ ｗ ）用 于气体 增 压 ， １ｋ
关键 词 ：空分设备 ；透 平膨 胀机 ；气体静 压 轴承 ；止推 气体 轴承 中图分 类号 ：ＴＢ ５ ６３ 文献标 识码 ：Ｂ
Ｏｐ ｉ ｚｎ ｅｉ ａ ｄ ａ ｐ ｉａｉｎ ｏ ｅ ｏ ｔｔｃｂ ａ ｉｇ ｔｍｉｉ ￣ｄ ｓｇ ｎ ｐｐ ｃ ｔｏ ｆａ ｒ ｓａ ｉ ｅ ｒｎ ｇｄ ｎ ｐ ｌ Ｏ
３０ ６ ０型 空分 设 备 的 竞 标 中 ，上 海 启 元 空 分 技 术 发
低温透平膨胀机用全动压气体轴承的设计与试验研究
１ ／．，因 ． ０１ 此可以说在试验台上进行全动压气体 ５
轴承试验时透平膨胀机轴向力条件更为恶劣。
ｗ１ ；
２ 全动压气体轴承系统的设计
２１ 新型弹性支承箔片动压气体径向 ． 轴承的设计 径向 动压气体轴承进行了 大量实验， 近几年试验最 多并取得良 好效果的是平箔式箔片径向气体轴承， 及在此基础上加以改进的新型结构弹性支承箔片动 压气体径向 轴承。 该新型结构形式充分发挥了 平箔 箔片的优点并改善了轴承的结构刚度和阻尼特性， 克服了 平箔式箔片轴承结构上的缺陷并充分体现了 弹性支承结构良好的阻尼特性，表现出优异的性 能。因 此， 在全动压气体轴承透平膨胀机的实验研 究中， 径向轴承就采用该新型结构弹性支承箱片动 压气体径向 轴承。 选择轴承结构参数如下： 轴承长 径比 ＬＤ １ ， 二 ． 箔片厚度 ｔ （ ｍ ０ ＝ ０Ｍｍ ，弹性材料 ．
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本文对高速低温透平膨胀机采用全动压气体轴 承的可 行性进行了试验研究。在 １ ｍ／ 制氧机 ５ ＇ ０ ｈ 中 压低沮透平膨胀机上， 径向 轴承采用弹性支承箔 片动压气体轴承、止推轴承采用平面螺旋槽轴承， 获得转速 １． Ｘ ｒ ｔ 比额定超速 １％）时 ２１ １ ／ｉ ６ ｎｎ（ 了 ４ 全动压气体轴承稳定运转的良 好效果。 本文还针对 螺旋槽止推轴承辅助供气的性能和轴承稳定性进行
在低温透平膨胀机上应用气体轴承， 具有系统 简单、 安全可靠、 使用温度范围 宽广、 能长期运转 等特点，在空气液化、分离装置透平膨胀机上应用 气体轴承已 有近四十年的历史。 纵观目 前国内 外空 分装置的发展， 不难看出，无论是高压、中压、低 压的大型或小型空分装置，均有应用气体轴承透平 膨胀机的 实例。从７ 年代起，国内学者就已对多 ０ 种静压气体轴承进行了大量的理论及实验研究， 并 力图 应用于各种中小型空分装置透平膨胀机中。 例 如西安交通大学于 １ ９ １ １ ９ ， 年成功研制出采用 ７ ９ ８ 橡皮加稳空气静压气体轴承和双气膜切向 供气静压 气体轴承的 １ 时／ 制氧机中压气体轴低温透平 ５ ０ ｈ 膨胀机 （Ｌ ８３ 、 ／ ５ ， ＰＫ一 ． ２７ ） 其额定工作转速 ３ ０一 为 １． ｘ ｒ ｉ ０６ １ ／ ｎ ４ ＂ 。该机曾被原机械工业部指定 ０ ｍ 为替代原有笨重的、高能耗的活塞式膨胀机的更新 换代产品， 迄今为止已有约《 〕 Ｄ 台在全国各地使 用， 并已部分出口国 外， 产生了 显著的经济效益。 但是， 静压气体轴承需要一套供气系统， 增加 了 装置的复杂性， 且需耗费一定数量的压力气体， 降 低了其经济性， 这在许多场合下限制了它的应 用。 例如某些加工气体数量较小的空分装置 （ 如目 前国内使用最多的５，／ 中 ０ ３ 压循环制氧机） 利用 ．ｈ ， 原 １ 透平膨胀机加以改造仍采用原有静压气体轴 ５ ０ 承时， 则轴承耗气量占 加工空气量比 例过大， 在一 定程度上降低了系统的经济性。 我国低温工程领域尚无国产全动压气体轴承透 平膨胀机， 与发达国家普遍使用全动压气体轴承透
基于PLC的氦透平膨胀机控制系统设计
基于PLC的氦透平膨胀机控制系统设计胡剑;周芷伟;庄明;陆小飞;朱志刚【摘要】首先分析了氦制冷机和透平的工作流程,再从透平的众多参数中分析得出被控变量.以提高透平运行效率和制冷量为指导依据,设计了透平转速和入口阀的控制方案,并通过对比说明设计方案的优越性.最后考虑到透平的安全运行,设立了报警与保护信号,同时也对转速设定值进行了预处理,根据设计方案,采用模块化的编程思想设计了PLC的控制程序.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】8页(P39-46)【关键词】氦透平膨胀机;转速设定值;入口阀;影响因子;PLC【作者】胡剑;周芷伟;庄明;陆小飞;朱志刚【作者单位】中国科学院等离子体物理所合肥230031;中国科学院等离子体物理所合肥230031;中国科学院等离子体物理所合肥230031;中国科学院等离子体物理所合肥230031;中国科学院等离子体物理所合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TB6531 引言随着科学技术的发展，低温技术的应用也越来越广泛，如低温医疗、超导领域和空间工程等，由以前的军事领域已经延伸到科研和商用领域。
低温医疗［1］在国外已有较大的发展，国内也逐渐开始应用起来，如冷冻杀伤，利用-160℃至-180℃的低温来冻伤病变组织，从而不用切除组织，这个低温可以通过液氮获得。
目前已有利用超导强磁体治疗恶性肿瘤的医疗设备，超导体需要的温度达-269℃，液氮已经不能提供此温度，需用氦来制冷提供。
目前在大电流超导引线中常用的超导材料有 Nb3Sn、NbTi等［2］，其常用的临界温度位十几K，因此需采用液氦来冷却。
鉴于医疗和科研发展的低温需求，氦制冷机得以出现和发展，其中氦透平膨胀机是其核心降温部件之一。
相比于空分用的透平，氦透平膨胀机有如下几点特点:(1)体积小，结构精密;(2)运行时转速高，每分钟可达几十万转;(3)常采用气体轴承;(4)价格昂贵，进口一台国外氦透平要几十万元人民币。
向心透平发电膨胀机静压气体轴承设计与承载特性分析
向心透平发电膨胀机静压气体轴承设计与承载特性分析
武潭;蔡树亭;高晓蕾;郭保国;张黎君
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2024(49)6
【摘要】为提升有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统向心透平发电膨胀机静压气体轴承的承载力与刚度,采用表压比法设计了以R245fa为润滑工质的静压气体轴承,分析转子偏心率、供气孔尺寸、进气压力对静压气体轴承承载力与刚度的影响。
实验结果表明:在相同供气压力下,轴承承载力与刚度随着转速的增大而增大;在相同转速下,0.7 MPa供气压力相对于其他气体供气压力轴承的承载力与刚度略高;静压气体轴承的偏心率越大承载力越大;相同供气孔直径下,静压气体轴承的承载力与刚度随着转速的升高而升高;随供气孔直径增大,静压气体轴承的承载力和刚度也随之增大。
【总页数】9页(P145-153)
【作者】武潭;蔡树亭;高晓蕾;郭保国;张黎君
【作者单位】郑州轻工业大学能源与动力工程学院;郑州大学力学与安全工程学院;河南省锅炉压力容器检验技术科学研究院;河南应用技术职业学院化学工程学院【正文语种】中文
【中图分类】TH133
【相关文献】
1.透平膨胀机气体动压可倾瓦止推轴承承载特性的研究
2.透平膨胀机气体静压轴承的修复
3.气体轴承透平膨胀制冷机的低频振动特性
4.低温氦透平膨胀机静压气体径向轴承的改进设计
5.透平膨胀机径向动静压混合气体轴承静特性分析
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氦低温透平膨胀机的设计和内部流动特性研究
氦低温透平膨胀机的设计和内部流动特性研究蒙彦榕;熊联友;刘立强;彭楠【摘要】The main structural parameters of the blade for a high-speed radial-axial flow helium cryogenic turbo-expander were obtained through a design method based on one-dimension steady flow.The non-developable ruled parabolic shaping method was used to design the leaf type.In order to verify the effectiveness of the design,the numerical simulation and detailed analysis were carried out based on the designed turbine with given working condition using NUMECA and CFX software,and working wheel passage,nozzle passage and overall passage were separately analyzed.At last the reasonable temperature field,pressure field,distribution of relative velocity and high isentropic efficiency were obtained.The results show that the numerical result is credible and the impeller design is desirable.%为验证氦低温膨胀机叶片设计的有效性,利用了NUMECA和CFX软件对设计透平流道进行设计工况下的数值模拟计算及分析,其中分别对工作轮流道、喷嘴流道和整体流道进行计算分析,获得了较好的温度场、压力场、相对速度场分布和较高的等熵效率,结果表明了数值计算结果是可信的,叶型设计是合理的.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】9页(P46-54)【关键词】氦低温透平膨胀机;叶型设计;内部流动特性;数值模拟【作者】蒙彦榕;熊联友;刘立强;彭楠【作者单位】中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京100190;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京100190;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京100190;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京100190;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100190【正文语种】中文【中图分类】TB653透平膨胀机是低温流程的主要产冷设备，氦透平膨胀机是氦制冷/液化系统的关键设备。
氦透平膨胀机膨胀端机理与控制分析
摘 要 ： 为 实现 氦透 平膨 胀机 的 自动 控制 ， 据透 平膨 胀端 的结 构 ， 从控 制 的 角度 ， 采 用一元稳 定流 动理 论 来 简化 模型 ， 分析 了氦 气经过 喷嘴 、 工作 叶轮 和扩 压 器的机理 ， 得 到 了压 力 与流量 、 流速 等 的关 系。据 此 引出两个透 平 的主控 变量 ： 透平 转速和 入 口阀开度 ， 详 细 阐述 了一种 透平转 速设 定值 的计算
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透平膨胀机
透平膨胀机是空分设备、天然气(液化石油气)分离设备和低温破碎设备获取冷能所必需的关键部件，是保证成套设备稳定运行的心脏。
其主要原理是将具有一定压力的气体在透平膨胀机中绝热膨胀，向外做功，消耗气体本身的内能，冷却气体本身，达到制冷的目的。
分类。
按轴承形式可分为气浮膨胀机和油浮膨胀机。
气体轴承膨胀机适用于高速、轻载、小流量的小型设备，油润滑轴承适用于大流量、重载、低速的设备。
根据气膜承载原理，气体轴承分为静压轴承和动压轴承。
气体轴承以其功耗低、适用转速范围广、对工质气体无污染、设备简单等优点得到了广泛的应用，提高其承载能力和稳定性已成为世界各国研究人员的研究热点。
气体轴承透平膨胀机。
气体轴承透平膨胀机运行平稳、转速高、效率高，不需要维修、保养、检修等，适用于空气、氢气、氦气、天然气和各种混合气体。
目前，自行设计生产的气体轴承膨胀机已应用于空分设备、化工尾气回收、天然气液化装置、氦气制冷机等，并可根据用户的各种特殊要求和特殊气体进行设计生产。
氦轴承透平膨胀机。
氦气轴承透平膨胀机的润滑介质为氦气。
由于其特殊的气体性质，具有小分子、低粘度的特点，增加了提高其承载能力、保持高效稳定运行的难度。
低温系统关键技术小组的科研人员完成了KM3、KM4等空间环境模拟用氦气轴承透平膨胀机和氦气制冷系统的设计与制造。
氦液化器使用的最小的氦气轴承透平膨胀机转子直径为7 mm，转速为56万转/分。
2012年，应用于在20K(即-253℃)下提供2000W 冷能的氦气透平膨胀机成功完成了各项低温性能试验。
氦气透平膨胀机稳定性好，转速、流量、透平出口温度均达到设计要求，最高转速达118,700rpm，绝热效率达73%以上。
2014年，应用于20K提供10000 W冷能的氦气制冷机透平膨胀机通过验收，转速82000rpm，绝热效率78%以上。
因此，形成了具有自主知识产权的大型氢氦低温制冷关键技术--高性能、高稳定性氦气透平膨胀机的设计、制造及控制技术。
PLPHe-9.3／9-0.3型氦透平膨胀机的新工艺开发与设计
气体介质
进 气 压力
氦气
９ １ｋ ａ （ ８ Ｐ Ａ）
排气压力
进 气 温度
转 速
ห้องสมุดไป่ตู้
１８ｋ ａ（ ２ Ｐ Ａ）
２ ． ０ ５Ｋ
２ ６０ ｍｉ ５０ ０ｒ ｎ ／
图 １ 工作轮和风机轮的结构简图 （ 单位 ：ｍ ｍ）
Ｐ Ｐ 一．／ － ３型氦透平膨胀机的 Ｌ Ｈｅ ３ ９０ ９ ． 新工艺开发 与设计
李 林红
（ 杭州杭氧压缩 机有 限公 司 ，浙江省杭州市临安青 山湖街道东环路 ９ ９号 ３ ０ ） １３ ５ １
摘要 ：介 绍 Ｐ Ｐ 一． ／ －． Ｌ Ｈｅ ３ ９０ ３型 氦透平 膨胀机 结 构及其特 点 ，提 出了运 用精 雕新 工 艺 完成 叶 ９ 片的铣 制加 工等新 工 艺的开发 与设计 思路 、实施 过程 和 效果 ，为其他 小型 透平膨 胀机 的零件 加 工
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１ Ｐ Ｐ ｅ ． ／ －． Ｌ Ｈ 一 ３ ９ ３型氦透平膨胀机简介 ９ ０
Ｐ Ｐ ｅ９ ３ ９０ ３型氦 透平 膨 胀 机具 有 结 构 简 Ｌ Ｈ －． ／ －．
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大功率氦气透平膨胀机的设计
大功率氦气透平膨胀机的设计
孙郁;孙立佳;程进杰;任小坤;张武
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2015(000)005
【摘要】介绍了大型氦气制冷机系统应用中的关键设备，大功率氦气透平膨胀机的设计。
在设计中，充分考虑了大功率透平大流量，高压降的特点，对转子、气体轴承系统进行了设计、校核及优化。
同时对通流部分的气动性能进行了模拟计算，得到了较高的通流效率。
试验结果表明，透平膨胀机满足了10 kW＠20 K制冷机系统要求，设备运行稳定。
【总页数】5页(P13-17)
【作者】孙郁;孙立佳;程进杰;任小坤;张武
【作者单位】中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190
【正文语种】中文
【中图分类】TB651
【相关文献】
1.低温氦气体轴承透平膨胀机实验系统设计 [J], 孙良瑞;熊联友;刘立强
2.低温氦气体轴承透平膨胀机的设计 [J], 侯予;陈纯正;熊联友;刘立强;王瑾
3.新型氦气体轴承透平膨胀机的研制 [J], 熊联友;陈纯正;刘立强;侯予;王瑾;林明峰
4.氦气体轴承透平膨胀机研制 [J], 祝勇仁;张炜;韩澎
5.大功率电涡流制动氦透平膨胀机在EAST氦制冷机中的控制与调试 [J], 周芷伟;张启勇;朱平;付豹;夏根海;胡良兵
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张林 林
（ 航 天 低 温 推 进 剂 技 术 国 家 重 点 实 验 室
摘 要 ： 描 述 了氦制 冷 系统 的 流程设 计 ， 根 据 流程 确 定 系统 关键 部 件 透 平 膨胀 机 的 参数 ， 设 计 并
研 制 了一 台氦 气透 平膨 胀机 。 为达 到氦 透平 膨胀 机 高速 稳 定性 及 高绝 热效 率 的要 求 ， 采用Ｎ Ｒ Ｅ Ｃ对
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氦透 平膨 胀机 优化 通流 部 分 ， 采用 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ分析 气体 轴承 性 能 ， 优 化 气体 轴 承机构 ， 采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ分 析 优 化 转子 结构 参数 ， 提 高转 子 临界 转 速 。现 场 试验 结 果表 明优 化 设计 后 的氦 透 平膨 胀 机 ， 在转速 １ ２
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万转／ 分钟 稳 定运行 ， 绝热 效率 达到 ７ ２ ％ 以上 ， 达 到 了系统 设计 要 求 。 关键词 ： 氦 制 冷 系统 透平 膨胀 机 气体轴承
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｂ ６ ５ ３
文献 标 识码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ０ ０ ０ － ６ ５ １ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ － ０ ０ ０ ７ ￣ ４
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２ ０ １ ３年第 ３期 总第 １ ９ ３期
低 温 工 程
ＣＲＹ０ＧＥＮＩ ＣＳ
ＮＯ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
（ 中 国科 学 院理 化 技术 研究 所 北 京 １ ０ ０ １ ９ ０ ） 北京 １ ０ ０ ０ ２ ８ ）
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