氦氣透平，了解一下？

氦 氣

氦氣主要應(yīng)用領(lǐng)域

(1)低溫冷源：

利用液氦的-268.9℃的低沸點(diǎn)，液氦可以用于超低溫冷卻。而超低溫冷卻技術(shù)在超導(dǎo)技術(shù)等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，超導(dǎo)技術(shù)在交通行業(yè)的磁懸浮列車，醫(yī)療領(lǐng)域的核磁共振成像設(shè)備都有較大的應(yīng)用。

(2)氣球充氣：

由于氦氣密度遠(yuǎn)小于空氣（空氣的密度為1.29kg/m3，氦氣的密度為0.1786kg/m3），而且化學(xué)性質(zhì)不活潑，較氫氣安全（氫氣可以在空氣中燃燒，可能會(huì)引起爆炸），氦氣常用于飛船或廣告氣球中的充入氣體。

(3)檢驗(yàn)分析：

儀器分析中常用的核磁共振分析儀的超導(dǎo)磁體需要利用液氦降溫，氣相色譜分析中氦氣常作為載氣，利用氦氣滲透性好、不可燃的特點(diǎn)，氦氣還應(yīng)用于真空檢漏，如氦質(zhì)譜檢漏儀等。

(4)保護(hù)氣：

利用氦氣不活潑的化學(xué)性質(zhì)，氦氣常用于鎂、鋯、鋁、鈦等金屬焊接的保護(hù)氣。

(5)其他方面：

氦氣可用作高真空裝置、原子核反應(yīng)堆 ，在火箭、宇宙飛船上用作輸送液氫、液氧等液體推進(jìn)劑的加壓氣體。氦氣還用作原子反應(yīng)堆的清洗劑，在海洋開發(fā)領(lǐng)域的呼吸用混合氣體中，氣體溫度計(jì)的填充氣等。

接著，我們一起了解下
氦氣透平膨脹機(jī)
隨著超導(dǎo)技術(shù)、太空探索以及大型低溫項(xiàng)目的發(fā)展的需要，氦制冷/液化系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而穩(wěn)定的氦透平膨脹機(jī)是氦制冷/液化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。
      因此，開展具有高性能的氦透平膨脹機(jī)的研究，對(duì)國(guó)內(nèi)在超導(dǎo)、加速器、空間環(huán)境模擬等重大科研項(xiàng)目的研究具有非常重要的意義。
主要特點(diǎn)
氦氣膨脹機(jī)具有微型化、高轉(zhuǎn)速、低振動(dòng)、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，在制冷溫度和制冷量上都有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。
氦氣膨脹機(jī)的主要特點(diǎn)：進(jìn)口介質(zhì)溫度低，膨脹比大，尤其在小流量時(shí)，工作葉輪直徑小，膨脹比焓降大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性和動(dòng)平衡要求嚴(yán)格。
國(guó)內(nèi)-氦氣透平膨脹機(jī)的研究發(fā)展
國(guó)內(nèi)首臺(tái)氦透平膨脹機(jī)
中國(guó)從事氦透平膨脹機(jī)的研究工作開始于上世紀(jì)70年代，是為了航天事業(yè)的發(fā)展而進(jìn)行的，國(guó)內(nèi)研制的首臺(tái)氦透平膨脹機(jī)應(yīng)用于空間環(huán)境模擬器KM4中。該透平膨脹機(jī)采用了單級(jí)徑－軸流反動(dòng)型式，轉(zhuǎn)子直徑為24.5mm，長(zhǎng)徑比為40/25，靜壓供氣，其介質(zhì)為氦氣，鼓風(fēng)制動(dòng)。
升級(jí)改造
在80年代對(duì)后期對(duì)我國(guó)早期的空間環(huán)境模擬器KM3進(jìn)行升級(jí)改造，用透平膨脹機(jī)代替長(zhǎng)活塞膨脹機(jī)，采用中科院低溫中心研制的自作用氣體軸承氦透平膨脹機(jī) 該透平膨脹機(jī)采用動(dòng)靜壓混合式氣體軸承，提高了軸承的穩(wěn)定性，又減少了軸承氣的消耗量( 小于3%) ， 轉(zhuǎn)速能達(dá)到50萬轉(zhuǎn)每分鐘以上，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)速高尺寸小的氦透平膨脹機(jī)。 
西安交通大學(xué)為空間環(huán)境模擬器KM6研制的氦透平膨脹機(jī)
90年代末期西安交通大學(xué)為空間環(huán)境模擬器KM6研制的氦透平膨脹機(jī)，工作輪直徑35mm，軸承軸徑25mm，制動(dòng)風(fēng)機(jī)輪直徑60mm，采用靜壓氣體軸承，軸承氣采用氦氣，由流程中直接引出，采用止推盤在中間的單止推結(jié)構(gòu)在進(jìn)行的低溫( 液氮級(jí)) 空氣試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速大于13萬轉(zhuǎn)/分，絕熱效率達(dá)68%，在設(shè)計(jì)工況下的絕熱效率大于70%，在出口溫度12.817K時(shí)，膨脹機(jī)的效率高達(dá)75%，制冷量接近2000W。
東方超環(huán)(EAST)低溫系統(tǒng)全氣體軸承氦透平膨脹機(jī)低溫測(cè)試成功
此膨脹機(jī)是中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所低溫工程與技術(shù)研究室與杭州一公司聯(lián)合研制而成，采用全氣體軸承、風(fēng)機(jī)制動(dòng)、止推盤端置結(jié)構(gòu)，制動(dòng)循環(huán)采用葉輪制動(dòng)的閉式循環(huán)、水冷結(jié)構(gòu)。全氣體軸承膨脹機(jī)循環(huán)運(yùn)行過程中沒有摻入任何雜質(zhì)，不影響循環(huán)氦氣的純度。風(fēng)機(jī)制動(dòng)操作簡(jiǎn)單，可調(diào)性能好，無需輔助系統(tǒng)。該膨脹機(jī)共進(jìn)行多次常溫調(diào)試實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了三次低溫測(cè)試：常溫測(cè)試主要測(cè)試膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機(jī)械性能；低溫測(cè)試主要測(cè)試膨脹機(jī)整機(jī)的熱力學(xué)性能。整機(jī)常溫測(cè)試結(jié)果良好，軸心渦動(dòng)振幅值不超過0.008毫米。在等離子體所氦透平測(cè)試平臺(tái)上共進(jìn)行三次低溫測(cè)試，對(duì)于測(cè)試暴露的問題進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)和完善，第三次測(cè)試一次成功。
測(cè)試完成的透平膨脹機(jī)將用于東方超環(huán)2千瓦氦制冷機(jī)中，接受東方超環(huán)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步檢驗(yàn)。氦透平膨脹機(jī)是東方超環(huán)低溫系統(tǒng)核心部件，也是自主研發(fā)大型氦制冷機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。此次全氣體軸承氦透平膨脹機(jī)測(cè)試成功，預(yù)示著研究所具有研制全氣透平的能力，對(duì)未來自主研發(fā)大型氦制冷機(jī)有著重要的意義。

國(guó)外-氦氣透平膨脹機(jī)的研究發(fā)展
大型變?nèi)萘亢ね钙脚蛎洐C(jī)
日本原子能研究院(JAERI) 與神戶鋼鐵公司合作 , 研究開發(fā)了一臺(tái)制冷量為 10 k W 的變?nèi)萘亢ね钙脚蛎洐C(jī) 。該膨脹機(jī)采用立式結(jié)構(gòu) , 工作輪為閉式徑流葉輪 , 制動(dòng)方式為風(fēng)機(jī)制動(dòng) , 軸承系統(tǒng)采用了全動(dòng)壓形式的氣體軸承 ( 徑向軸承為可傾瓦形式 , 止推軸承為螺旋槽形式) , 膨脹機(jī)的容量調(diào)節(jié)采用了改變噴嘴葉片高度的方法。
若能進(jìn)一步提高單級(jí)膨脹機(jī)的膨脹比,則能減少所需膨脹機(jī)的數(shù)量,使系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化,可靠性大為提高 。
高膨脹比的氦透平膨脹機(jī)
在日本"超導(dǎo)設(shè)備與材料研究發(fā)展"計(jì)劃的推動(dòng)下,日本前川制作所技術(shù)公司為一臺(tái)70MW的超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)了一套液化量為100L/h的氦液化系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了兩臺(tái)透平膨脹機(jī)并聯(lián)的克勞特循環(huán),其中這兩臺(tái)膨脹機(jī)的膨脹比達(dá)到12.5。
法國(guó)的法液空(L′Air Liqiud) 也一直進(jìn)行高膨脹比氦透平膨脹機(jī)的研制工作,他們開發(fā)的透平膨脹機(jī)規(guī)格為:流量約 15g/s、進(jìn)口溫度100K、進(jìn)口壓力115MPa,而膨脹比高達(dá) 15：1,工作轉(zhuǎn)速通常超過360000r/min。為了減小內(nèi)部泄露損失,盡量選用閉式工作輪(在表面線速度不高時(shí)),制動(dòng)方式為風(fēng)機(jī)制動(dòng),同時(shí)配有水冷卻裝置,而徑向和止推軸承均采用了需提供外壓的靜壓氣體軸承。
氣液兩相氦透平膨脹機(jī)
美國(guó)的Creare公司自20世紀(jì)70年代以來,一直致力于兩相氦透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā),取得了較大的發(fā)展。該膨脹機(jī)為立式結(jié)構(gòu),機(jī)體采用可實(shí)現(xiàn)快速裝拆的法蘭聯(lián)接方式,總長(zhǎng)約365mm,直徑150mm,重約17kg。轉(zhuǎn)軸選用鈦合金材料 , 與膨脹機(jī)工作輪和制動(dòng)風(fēng)機(jī)輪 ( 直徑為1217mm) 做成一體 , 轉(zhuǎn)子的支撐為兩個(gè)靜壓徑軸承和一個(gè)靜壓止推氣體軸承 。
日本原子能研究院開發(fā)的兩相氦透平膨脹機(jī)，總長(zhǎng)220mm,外徑190mm,重約10kg,與美國(guó)Creare的兩相氦透平膨脹機(jī)相似,轉(zhuǎn)子部分也采取了轉(zhuǎn)軸、工作輪和風(fēng)機(jī)輪一體加工的結(jié)構(gòu)。與之不同的是制動(dòng)方式選用控制更為方便的電機(jī)制動(dòng),為減小漏冷,將整機(jī)置于采用真空絕熱和液氮冷卻的冷箱中，徑向和止推軸承選用更為穩(wěn)定可靠的箔片動(dòng)壓氣體軸承,并備有專門的磁軸承。將該膨脹機(jī)應(yīng)用于一臺(tái)原產(chǎn)量71L/h的氦液化系統(tǒng)中,使其液化量升至300L/h, 是以前的4倍多。
微型制冷機(jī)用氦透平膨脹機(jī)
在NASA的支持下,美國(guó)Creare公司的WL Swift和H Sixsmith等人一直進(jìn)行微型逆布雷頓循環(huán)透平膨脹機(jī)的研究工作。在他們過去所設(shè)計(jì)的微型氦透平膨脹機(jī)中,普遍采用了可傾瓦式動(dòng)壓氣體軸承。
據(jù)該公司技術(shù)資料顯示，在目前的技術(shù)水平下,微型透平膨脹機(jī)可達(dá)到的基本參數(shù)為:工作輪直徑214～15mm，轉(zhuǎn)速100000～720000r/min，制冷范圍從4.5K下1W到90K下3kW，而動(dòng)壓氣體軸承在660000r/min的高轉(zhuǎn)速下可連續(xù)運(yùn)行15a以上 ,并能在低溫環(huán)境中經(jīng)受住超過10000次的反復(fù)啟停。
下圖為捷克一家生產(chǎn)氦氣透平的公司展示的氦氣透平膨脹機(jī)葉輪，功率范圍從100W~4000W，葉輪直徑僅有10mm，轉(zhuǎn)速每分鐘36萬轉(zhuǎn)。

氦氣膨脹機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一：氣體軸承

氣體軸承作為氦氣透平膨脹機(jī)的核心部件，嚴(yán)重制約了膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)性能，如膨脹比、轉(zhuǎn)速、等熵效率和制冷量等，設(shè)計(jì)能夠在高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行的氣體軸承，是氦氣透平膨脹機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。UniEco聯(lián)優(yōu)公司擁有高速透平核心技術(shù)，其中關(guān)鍵部件之一的軸承，擁有包括油膜軸承和氣體軸承在內(nèi)的4項(xiàng)美國(guó)專利，目前已廣泛應(yīng)用于各類高轉(zhuǎn)速、高膨脹比的透平機(jī)械上。