EAST低温系统俄制氦透平膨胀机维修改进与测试

　　1 EAST 低温系统及氦透平膨胀机介绍

　　1. 1 氦低温系统介绍

　　EAST ( Experimental Advanced Super-conductingTokamak) 托卡马克装置在建成时，是世界上第一个全超导托卡马克[1]。EAST 低温系统是 2005 年 6 月建成，并一次整体联合调试成功，是目前中国最大的氦低温系统。

　　图 1 为 EAST 氦制冷机的流程简图[2]，其核心部件是 4 台俄制氦透平膨胀机，EAST 低温系统共有 12 台 4 种不同进口参数的氦透平膨胀机( 每种类型有备份 2 个) ，分别工作在不同的压力和温度下。其中 3 台( T1、T2、T3) 用来制取 4. 5 K 液氦温区的冷量和生产液氦来冷却超导磁体及其它部件，另一台( T4) 制取 13 kW/60 K 的冷量冷却热辐射屏[3]。它们都工作在非常高的转速下，设计转速在10—18 万转每分[4]，工作转速一般都在 10 万转每分左右。

　　1. 2 俄制氦透平膨胀结构介绍与分析

　　EAST 低温系统 4 种不同进口参数的氦气透平膨胀机是从俄罗斯“氦机器”公司进口的，采用油轴承与气体轴承混合结构。其主要由轴承室、转子( 叶轮和主轴) 、喷嘴、扩压器、热密封座、气体轴承、径向止推油轴承、止推油轴承、供油供气接口、转速计、回油罩和外围几个绝热块等部件组成。氦气体轴承采用单排圆周 8 个固有孔节流的供气孔结构形式; 径向止推油轴承径向采用 2 排圆周 8 个环面节流供油结构形式和止推单排圆周 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。润滑油采用的是长城润滑油公司生产的 32#汽轮机油，润滑油的既有支撑润滑作用也有摩擦制动向外输出功的作用。此次维修改进设计的俄制氦透平膨胀机为 TD 型，代号: TD-01-06。

　　2 维修与测试过程

　　2. 1 TD-01-06 的维修过程

　　每次俄制氦透平膨胀机的损坏基本上都是发生在启动过程中，咬死损坏之处一般都在气体轴承供气孔附近。这是由于气体轴承刚度与油轴承刚度匹存在问题，导致转子做圆锥摆动、气体轴承承载力不够或转子轴承系统出现“半速涡动”等因素，导致氦透平膨胀机损坏。

　　一般的维修工作程序为: 换主轴，视气体轴承损坏程度，决定是否需要更换气体轴承，径向油轴承一般不磨损或磨损很小，不需更换，可以继续用。气体轴承与轴承室冷装后，与径向油轴承一起绗磨至同一尺寸，保证同轴度与尺寸公差。然后测量内孔尺寸，根据此测量尺寸，研磨主轴，保证主轴与轴承的各个配合间隙( 主轴与气体轴承、油轴承、热密封处等) 。这样既可以保证气体轴承与油轴承的同轴度和尺寸公差，还把主轴与轴承配合的加工公差全合并到主轴上，降低了轴承室与主轴的配磨难度。止推间隙，根据止推垫片尺寸，配磨主轴止推盘厚度，同样可以降低主轴止推盘加工难度。止推盘外圆还需进一步磨削，以方便主轴后期动平衡实验。所有零件加工、装配完毕后，接下来要进行零件清洗与转子动平衡实验。零件清洗一定要及时，并保证清洗干净，这是装配前的关键步骤。动平衡实验是先平衡主轴，然后主轴与轮放在一起再整体做动平衡。整体动平衡合格后，叶轮与主轴拆开，再装上，反复几次，保证拆开前后动平衡剩余不平衡量差异少于 2 mg。确定转子剩余不平衡量小于 5 mg。清洗转子，确认所有供气、供油全通畅，开始装配。主轴与轴承的径向间隙、止推轴承与主轴止推面的配合间隙都是通过加工保证的，也一定是满足要求的，在装配时可以不考虑。叶轮与扩压器之间的间隙通过扩压器底座与气体轴承之间的调整垫片来调节。