低温氦气体轴承透平膨胀机实验系统设计

　　1 引 言

　　低温氦气体轴承透平膨胀机( 简称氦透平膨胀机) 是大型低温制冷系统的关键部件，通过它的膨胀制冷来实现并维持在所需温区以下的低温环境。因此氦透平膨胀机技术在空间技术[1-2]、大科学工程，超导应用等诸多核心高技术领域发挥着不可替代的作用。

　　氦透平膨胀机是一个高速旋转的叶轮机械，叶轮尺寸小( 直径从几毫米至几十毫米) ，工作转速高( 十几万至近百万转每分) 。由于高转速以及高清洁度、深低温等要求，支撑转子的轴承不能采用传统的油润滑轴承，而必须采用氦气体润滑轴承，即膨胀机转子是由一层非常薄的只有几微米至几十微米厚的氦气膜来提供润滑和支撑。由于气膜的刚度、阻尼系数小，其承载能力和运转稳定性一直是低温领域的研究重点。此外，由于膨胀机转子两端分别工作在低温和常温环境，温度变化剧烈，沿转子轴向的温度梯度非常高，轴向导热引起的漏热会降低膨胀机绝热效率。增加转子转速有利于提高低温氦透平膨胀机的效率，但容易失稳[3]，所以应综合考虑膨胀机的转速、绝热效率与运转稳定性的关系。

　　鉴于透平膨胀机在低温系统中的关键作用以及研制难度，建立低温氦气体轴承透平膨胀机的实验系统非常重要。实验系统的建立可以为透平膨胀机实验研究提供所需的低温环境，提供实验研究所需的必要功能，并能深入系统地进行热力性能的研究以及机械性能的研究。

　　2 实验系统流程布置方案

　　氦透平膨胀机实验系统最核心的功能就是要通过调节实验系统的制冷能力，来实现可调节的低温环境，进而仿真氦透平膨胀机实验研究所需要的工况。调节能力越强，就越容易实现实验工况的仿真。有3种方案可以达到可调节的低温环境的目标: 一是利用待测的氦透平膨胀机的制冷能力，通过系统自身的能量平衡来实现低温环境，但这种调节能力有限。二是增加一个辅助的氦透平膨胀机，利用辅助透平膨胀机的制冷能力来调节，但是增加一台氦透平膨胀机，会增加整个系统的复杂性，不利于实验系统的维护和稳定性。三是通过设置液氮预冷提供冷量来调节低温环境，这种方法不但调节能力较强，而且范围也广。通过对比，本实验系统采用液氮预冷来实现可调节的低温环境。

　　除了实现低温环境以外，还必须要使低温环境的温度可以稳定控制。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，并且后置膨胀使得进入负载换热器的氦气是高压气流，有助于减少负载换热器的尺寸以及氦气在负载换热器中的流动阻力。