高速透平膨胀制冷机热力性能实验研究

　　高速透平膨胀机是空气压缩制冷循环的核心设备。随着透平机技术的发展和应用，透平膨胀制冷机的性能大大提高，其制冷量在整个空气制冷循环中占80%以上[1]。制冷机的高速化，能够有效减小制冷机的体积和重量，同时能够增加制冷机的流量以及压缩端和膨胀端的出入口温差，从而增加了制冷机的制冷能力。目前，日本JAERI研制的制冷量为10kW的膨胀机的工作转速为67200r/min[2];日本日立制作所10kW氦制冷机，转速可达79000r/min[3]。透平膨胀制冷机的高速化所带来的高效制冷，以及质量的减小和体积的精简，使其得以广泛应用于飞机、坦克环境控制，列车空调以及冷库等领域[4-5]。

　　透平膨胀制冷机的高速运行依赖于稳定的轴系结构，高速气浮轴承旋转机械具有耗功较低的性能优势，得到国内外研究者的广泛关注[6-8]。文献[9]给出了滑动轴承转子系统工程稳定性判别准则。中国科学院工程热物理研究所，针对高速动静压混合气浮轴承的透平膨胀制冷机的轴系振动性能进行了实验研究;结果表明，用动静压混合气浮轴承代替传统的滚动轴承，有效提高制冷机的转速及性能[10]。进一步针对应用动静压混合气浮轴承的增压透平膨胀制冷机进行了热力性能实验研究。

　　1 高速透平膨胀机实验台

　　高速透平膨胀机主要是由空气压缩机，膨胀机以及以气浮轴承为支撑的轴系三部分构成。工质为洁净干燥的空气。为使透平膨胀机在高转速下稳定运行，实验选用的是动静压混合气浮轴承，文献[11]中已经对该轴承进行了详细介绍，文献中所进行的转速性能的实验研究说明了这种轴承的高转速性能，这里不再赘述。

　　实验是在实验室已有的高速透平式膨胀机上，采用气浮轴承建成了10kW的高速气浮轴承透平式制冷实验台，包括高压气源，实验台轴系控制系统，轴系振动检测系统(包括信号采集与分析系统和轴系耦合调频分析系统)，高速透平膨胀制冷机等设备，如图1所示。实验台轴系控制系统是由主控制阀，电磁阀，稳压阀，流量计，温度计，压力计以及管路组成;空气首先在螺杆式空气压缩机中被压缩为高压气体，经过除湿后的干燥气体经过上述控制管路的2号管进入气浮轴承供气管路;压缩空气通过1号管路进入透平膨胀机，对1号管路流量进行调节，进而控制轴系的运行转速。

　　2 制冷机原理

　　典型的空气制冷循环系统如图2所示，理想工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个过程，压缩空气在膨胀机中绝热膨胀获得低温气流实现制冷。具体工作流程是高压气源将高压气体经管路输送到增压透平机内(压缩机)，气体在空气压缩机中被绝热压缩至较高压力和较高温度，高温高压气体经过换热器定压降温冷却至环境温度T0，然后经过冷却降温的压缩空气进入膨胀机中绝热膨胀到背压(大气压力)，得到较低的制冷温度。