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

(中国科学院低温工程学重点实验室 北京 100190)

1 引言

大型低温制冷设备是指制冷温度20 K(－253℃)及以下，制冷量几百乃至万瓦以上，集精密加工、气体轴承氦透平膨胀机技术、低温工程技术、高可靠安全连锁调控系统为一体的低温制冷系统。随着中国社会经济的高速发展，对各种大型、关键、高精尖的关键系统需求不断增加，中国已经成为大型低温制冷设备的使用大国。大型低温制冷设备的特点是制冷量大，所以需要的低温制冷工质流量大，因而，关键的膨胀制冷部件只能采用适合处理大流量工质的透平膨胀机械，透平膨胀机工作在环境温度与低温制冷温度之间，面临一系列特有的问题，如，最高达每分钟几十万转的超高转速、工质流速达几百米/秒、存在临界失稳转速，巨大温度梯度条件下为减小漏热需要减小截面尺寸，而增加超高速运转稳定刚度则需要加大截面尺寸。最为重要的是如何在此苛刻工况条件下实现稳定、有效的支撑超高速旋转的透平膨胀机转子的方案与技术。常规轴承支撑方案无法应对超高速运行工况，只有采用高速旋转机械所形成的轴向与径向气体轴承，来悬浮支撑高速旋转转子，并且在运行期间，一直保持稳定的气体轴承的支撑力。

本项目研究人员针对10 kW@20 K氦气制冷机，在多年来气体轴承透平膨胀机实际设计、运行经验基础上，利用具有自主知识产权的高稳定性气体……