微型氦透平膨胀机系统性数值模拟

张志莲，王铃玉，徐康，吴波，吕涛

北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617

氦透平膨胀机是一种通过高速旋转，利用工质流动速度变化进行能量转换的低温设备[1]。应用于逆布雷顿循环微型低温氦制冷机中的氦透平膨胀机，因其重量轻、结构简单、可靠性高等优点，引起众人关注和研究[1−3]。随着对飞机环控系统的不断深入研究，对于系统中微型低温制冷机的要求愈来愈高，设计运行安全可靠的高效率微型氦透平膨胀机对中国国内航空领域和国防部门具有重大意义[4]。祝勇仁等[5−6]以一元流设计方法为基础对膨胀机特性比、反动度和轮径比等参数进行多目标优化；侯予等[7]在多目标优化的基础上，在优化过程中无需给出显式的目标函数，无需求导和微分，在优化过程中可以全面考虑约束条件，自动从数据库中选取其他热力及结构参数，并可方便地加入专家经验以提高搜索效率。熊联友等[8]得到优化后较好的热力性能及较高的失稳转速，开展不同工质的相似模化研究,以便更好地预测氦透平膨胀机的热力性能。孙立佳等[9]提出一种氦制冷系统流程设计，采用NREC 对氦透平膨胀机优化通流部分，采用FLUENT分析气体轴承性能，优化气体轴承机构，采用ANSYS 分析优化转子结构参数，提高转子临界转速。

1 微型氦透平膨胀机设计

基于图1 的微型氦透平膨胀机模型，提出如图2 所示设计流程。本文采取一元流动分析的方法对向心透平中的流动过程进行“宏观地”考察与总体分析，并进行模型筛选，完成透平的方案选择与初步设计工作；……