低温氦气体轴承透平膨胀机实验系统的设计与搭建

• 作 者: 孙良瑞
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 实验系统 低温氦透平膨胀机 工作环境 绝热效率 低温制冷系统

低温氦气体轴承透平膨胀机是大型低温制冷系统的心脏。但由于氦气体轴承透平膨胀机工作温度低、相对焓降大、转速高，因此氦透平膨胀机的研制难度大，一直是低温制冷领域的瓶颈。但是现有的氦透平膨胀机的理论模型还不完善，必须依赖实验研究来发展，为此本文设计并搭建了一套氦透平膨胀机实验系统，该系统可以用来对工作在液氢～常温区范围内的不同规格的氦透平膨胀机进行性能测试及实验研究。　　
本文首先确定了适应实验系统的制冷循环方案，提出了能更好地实现氦透平膨胀机实验研究所需工作环境的膨胀机后置方案。接着比较了三种可调节低温环境的方法，得出了液氮预冷来提供辅助冷量的方法优于其他两种方法的结论。由于本实验系统是用来针对不同规格的氦透平膨胀机进行测试的，为此本文在流程方案确定的基础上，分别进行了高、低压流程的对比计算，及其各自条件下的实验用膨胀机的热力计算。在流程设计、计算的基础上，本文还进行了实验系统的结构设计、关键部件的选型和搭建。在结构设计中考虑到安装不同规格的膨胀机会破坏冷箱的真空环境的问题，特别提出了将冷箱和测试台采用分体结构并通过低温传输管线连接的方案。针对2000W/20K低温氦透平制冷机样机研制实验中透平膨胀机的工作情况，分析了膨胀机在稳定运行下的绝热效率。　　
目前实验系统的搭建已接近完成，下一步可以对低温氦透平膨胀机开展实验研究。可以预见，通过该实验系统的应用，能进一步掌握氦透平膨胀机的关键技术，提高氦透平膨胀机的性能，缩短氦透平膨胀机的研制周期。