成安義 莊 明 程遠(yuǎn)武

(中國科學(xué)院等離子體物理研究所低溫工程與技術(shù)研究室 合肥 230031)

離心式冷壓縮機(jī)研發(fā)試驗(yàn)研究

成安義 莊 明 程遠(yuǎn)武

(中國科學(xué)院等離子體物理研究所低溫工程與技術(shù)研究室 合肥 230031)

介紹了離心式渦輪冷壓縮機(jī)的國外應(yīng)用情況。根據(jù)中國科學(xué)院等離子體物理研究所EAST超導(dǎo)托卡馬克氦低溫系統(tǒng)當(dāng)中過冷槽的設(shè)計(jì)制冷量，進(jìn)行冷壓機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，葉輪分析加工，軸承電機(jī)選擇，并進(jìn)行試驗(yàn)性加工。通過室溫下測(cè)試，符合轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性要求。

低溫系統(tǒng) 過冷氦 離心式渦輪冷壓縮機(jī) 離心式葉輪

1 引言

大型超導(dǎo)磁體都配備有一大型氦低溫制冷系統(tǒng)。從減少運(yùn)行費(fèi)用，提高運(yùn)行效率的經(jīng)濟(jì)因素方面考慮，需要不斷提高超導(dǎo)磁體裝置的性能，一種方法是采用過冷氦(低于4.2 K)冷卻，以增加超導(dǎo)磁體的溫度余量和線圈臨界電流密度，提高抗熱擾動(dòng)能力和磁體的穩(wěn)定性裕度［1］。以中國科學(xué)院等離子體所EAST放電實(shí)驗(yàn)為例，在實(shí)驗(yàn)后期，低溫系統(tǒng)通過將磁體進(jìn)口溫度從4.8 K降低到3.8 K，來提高磁體放電的穩(wěn)定性。從20世紀(jì)80年代開始，國外的一些物理裝置更是開始使用超流氦(1.8 K過冷HeⅡP或飽和HeⅡS)來冷卻超導(dǎo)磁體，如CEBAF連續(xù)電子束加速器，CERN 的 LHC［2］。

依據(jù)飽和液氦屬性，當(dāng)對(duì)其減壓時(shí)，常規(guī)飽和液氦(HeI)逐漸過渡到飽和HeⅡ溫度，為獲取低于4.4 K的常規(guī)液氦溫度提供了理論依據(jù)。對(duì)于大型氦低溫系統(tǒng)，多種方案可以獲得溫度低于4.2 K的過冷氦或1.8K的飽和HeⅡ，如直接節(jié)流、抽真空減壓以及抽真空與節(jié)流過程相結(jié)合等等。

對(duì)于液氦容器的減壓操作，從位置上可以分為常溫減壓和直接低溫減壓，常溫減壓一般采用大型的機(jī)械泵在室溫下通過負(fù)壓管道回路對(duì)氦槽減壓，低溫減壓采用一些小型的壓縮設(shè)備直接在氦槽端將槽內(nèi)飽和氦蒸氣壓縮排出，以降低槽壓。EAST低溫系統(tǒng)通過油環(huán)泵室溫減壓降溫，而目前國外先進(jìn)大型的低溫系統(tǒng)普遍采用多級(jí)壓縮設(shè)備——離心式渦輪冷壓縮機(jī)(以下簡稱冷壓機(jī))直接應(yīng)用于氦槽端的低溫低壓環(huán)境下，將飽和氦蒸氣抽空減壓，LHC四級(jí)冷壓機(jī)串聯(lián)，如圖1所示，槽內(nèi)1.6 kPa/1.8 K［3］，日本LHD二級(jí)串聯(lián)，槽內(nèi)23 kPa/2.97 K，且應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟［4］。

2 冷壓機(jī)低溫流通部分設(shè)計(jì)

2.1 冷壓機(jī)結(jié)構(gòu)原理

冷壓機(jī)主要由轉(zhuǎn)子葉輪、靜子、軸承和驅(qū)動(dòng)裝置組成，當(dāng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，槽內(nèi)氣體隨著旋轉(zhuǎn)，使氣體的動(dòng)能大為增加，在離心力作用下，氣體被甩到后面的擴(kuò)壓器中去，而在葉輪處形成真空地帶，這時(shí)外界的新鮮氣體進(jìn)入葉輪。葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體不斷地吸入并甩出，從而保持了氣體的連續(xù)流動(dòng)。同時(shí)，氣體在離心慣性力以及在葉輪葉道中降速的共同作用下，其靜壓能也得到大幅度提高，在葉輪后面的擴(kuò)壓器中部分氣體動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力進(jìn)一步提高，經(jīng)過幾級(jí)壓縮后，被壓縮的氣體排出機(jī)外，從而達(dá)到使槽內(nèi)壓力不斷下降的目的，如圖2所示。

圖1 IHI/Linde冷壓機(jī)Fig.1 IHI/Linde cold compressor

圖2 冷壓機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure drawing of cold compressor

2.2 冷壓機(jī)葉輪設(shè)計(jì)

中國科院等離子體物理研究所EAST超導(dǎo)托卡馬克氦低溫制冷機(jī)，是中國目前最大的氦制冷系統(tǒng)。設(shè)計(jì)制冷量為1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/s LHe。超導(dǎo)磁體的工作溫度3.8 K，使用超臨界氦冷卻，超導(dǎo)磁體的進(jìn)口氦流通過和過冷槽(設(shè)計(jì)制冷量1 050 W/3.5 K)換熱，達(dá)到進(jìn)口3.8 K的過冷溫度。過冷槽通過油環(huán)泵在室溫下來減壓制取3.5 K的冷量。其中過冷槽中3.5 K氦對(duì)應(yīng)的飽和壓力為0.47×105Pa，考慮到負(fù)壓路的阻力損失，油環(huán)泵的吸氣壓力為0.37×105Pa，當(dāng)過冷槽制冷量為1 050 W/3.5 K時(shí)，所需油環(huán)泵的流量約3 000 m3/h［5］。研究以EAST低溫系統(tǒng)當(dāng)中過冷槽的制冷量作為冷壓機(jī)的研發(fā)參數(shù)，進(jìn)行冷壓機(jī)葉輪及整個(gè)低溫流通部分的設(shè)計(jì)。

理論計(jì)算方面，以EAST的3.5 K制冷量參數(shù)為依據(jù)，從冷壓機(jī)進(jìn)出口壓力比、流量、進(jìn)口溫度和葉輪造型出發(fā)，分別計(jì)算出設(shè)計(jì)參數(shù)。進(jìn)口流量的計(jì)算上，按照抽真空獲取1.8 K飽和HeⅡ的原理，根據(jù)能量守恒原理模型、Carandang模型、Mironer模型以及忽略蒸汽焓變得率能量守恒原理模型分別計(jì)算得到進(jìn)口流量，進(jìn)行比較。最終得到葉輪的工作輪進(jìn)口角、出口角、葉片安放角、葉片數(shù)目、葉片輪轂和外緣尺寸等建模數(shù)據(jù)，如圖3所示。

數(shù)值分析主要運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行冷壓機(jī)葉輪、蝸殼、出口擴(kuò)壓器的局部流道數(shù)值模擬，得出冷壓機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下壓比和流量關(guān)系的性能曲線，理論上確定冷壓機(jī)安全的運(yùn)行范圍，防止冷壓機(jī)進(jìn)入喘振和堵塞工況，為以后的冷壓機(jī)運(yùn)行調(diào)節(jié)提供參考依據(jù)。圖4—6是冷壓機(jī)低溫流通部分CFD分析結(jié)果及實(shí)物模型。

圖3 過冷槽冷壓機(jī)離心式葉輪設(shè)計(jì)模型Fig.3 3D part drawing of cold compressor centrifugal impeller

圖4 進(jìn)出口壓力變化云圖Fig.4 Pressure changes from inlet to outlet

圖5 低溫流道中的壓力曲線Fig.5 Streamwise curve of pressure

圖6 葉輪實(shí)物加工Fig.6 Centrifugal impeller of cold compressor

3 冷壓機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷壓機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，不可避免的涉及到軸承技術(shù)方面。在軸承的選擇上，國外產(chǎn)品選擇激勵(lì)式磁軸承，但在冷壓機(jī)的開始研究階段也經(jīng)過各類型軸承的試驗(yàn)比較，分別為氣體軸承、激勵(lì)式磁軸承和陶瓷軸承，3種類型軸承都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，表1是早期CERN-LHC冷壓機(jī)原型機(jī)的測(cè)試性能數(shù)據(jù)。

表1 LHC冷壓機(jī)的原型機(jī)性能參數(shù)Table 1 Performance assessment of industrial prototype cryogenic helium compressors for LHC

經(jīng)過比較，氣體軸承不能夠提供足夠的承載力，不適用于質(zhì)量較大的轉(zhuǎn)子，且要考慮到向低溫端的密封、漏熱影響，從而造成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。陶瓷球軸承，能夠簡化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且市場(chǎng)產(chǎn)品成熟，但不能長時(shí)間運(yùn)行，且穩(wěn)定性和精度也不如磁力軸承。磁力軸承能夠在低壓下提供足夠的承載力，可在高溫、深冷及真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，但控制技術(shù)復(fù)雜，加工精度要求嚴(yán)格，國內(nèi)市場(chǎng)上缺乏相關(guān)應(yīng)用。

冷壓機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除軸承的選擇設(shè)計(jì)外，還要考慮最低限度減少向低溫端的漏熱，在CERN的冷壓機(jī)分析中，每20 W的漏熱會(huì)減少1%的絕熱效率。結(jié)構(gòu)上需要考慮絕熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和漏熱的測(cè)量，并考慮整體密封性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇方面需要進(jìn)行選型定制，目標(biāo)是選擇在最大限度的降低向低溫端漏熱條件下，滿足驅(qū)動(dòng)功率和軸向、徑向跳動(dòng)精度，穩(wěn)定運(yùn)行的電機(jī)。轉(zhuǎn)子葉輪的整體動(dòng)平衡測(cè)量，影響冷壓機(jī)能否連續(xù)可靠的長期運(yùn)轉(zhuǎn)。葉輪、蝸殼、轉(zhuǎn)子等零件的高精度加工，這些工作能夠提高冷壓機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

4 冷壓機(jī)常溫下轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性測(cè)試

常溫下測(cè)試?yán)鋲簷C(jī)的徑向振動(dòng)量和穩(wěn)定性，當(dāng)轉(zhuǎn)子振動(dòng)量超過一定限值時(shí)，會(huì)使葉輪和進(jìn)氣管發(fā)生碰撞摩擦，使設(shè)備損壞報(bào)廢。圖7，圖8是冷壓機(jī)試驗(yàn)機(jī)在常溫下穩(wěn)定運(yùn)行12小時(shí)的徑向振動(dòng)測(cè)量，采用電渦流傳感器測(cè)量，轉(zhuǎn)速500 Hz，測(cè)試過程中沒有發(fā)現(xiàn)碰擦現(xiàn)象，可以得出在初期的設(shè)計(jì)中，葉輪和進(jìn)管間隙(0.4 mm)滿足要求。常溫下測(cè)試，主要是檢測(cè)電機(jī)性能，再者通過測(cè)量數(shù)據(jù)，合理設(shè)計(jì)低溫流通部分的尺寸間隙，減小間隙，提高效率。在低溫(4.4 K液氦溫度)下測(cè)試?yán)鋲簷C(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，漏熱情況，以及不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線分析——壓縮比與進(jìn)口體積流量之間的關(guān)系曲線，得出壓機(jī)在低溫下的喘振區(qū)域，為后續(xù)冷壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供臨界流量和放空回氣流量數(shù)值，保證冷壓機(jī)工作在喘振區(qū)域外。

圖7 冷壓機(jī)常溫測(cè)試Fig.7 Cold compressor test at room temperature

圖8 徑向振動(dòng)值Fig.8 Radial vibration values

5 結(jié)論

目前中國國內(nèi)氦低溫系統(tǒng)一般采用4.4 K常規(guī)液氦進(jìn)行超導(dǎo)磁體等物理裝置的冷卻，超流氦或低于4.2 K下的過冷冷卻尚未廣泛使用，對(duì)于氦低溫系統(tǒng)當(dāng)中的冷壓機(jī)研究更是處于空白階段。國外對(duì)于冷壓機(jī)的研究應(yīng)用技術(shù)早已經(jīng)成熟，等熵效率單臺(tái)已經(jīng)高達(dá)75%，且技術(shù)方面對(duì)外封鎖。未來核聚變裝置、高能加速器、空間紅外探測(cè)等大科學(xué)工程項(xiàng)目都需要大型深低溫制冷系統(tǒng)，因此，開展高效率、低漏熱、穩(wěn)定運(yùn)行的離心式渦輪冷壓縮機(jī)研究，對(duì)于國內(nèi)此類設(shè)備的研發(fā)及自主應(yīng)用和未來應(yīng)用于大型深低溫系統(tǒng)建造是非常有必要的。文章介紹的冷壓機(jī)試驗(yàn)制造只是前期的積累工作，低溫下的測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用還有待解決。

1 Rode C H.CEBAF cryogenic system［M］.PAC’95，Dallas，1995.

2 Millet F，et al.A possible 1.8 K refrigeration cycle for the large hadron collider［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1998，43A:387-393.

3 Motojima O，Yamada H，Ashikawa N，et al.Recent development of LHD experiment［J］.Plasma Fusion Research，2003(5):22-27.

4 Hamaguchi S.Performance of upgraded cooling system for LHD helical coils［J］.Advances in Cryogenic Engineering ，2008，81:2617-2621.

5 白紅宇.HT-7U超導(dǎo)托卡馬克氦制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析及設(shè)計(jì)研究［D］.合肥:中國科學(xué)院物質(zhì)科學(xué)研究院，2002.

Research and development of centrifugal turbo cold compressor

Cheng AnyiZhuang Ming Cheng Yuanwu

(Cryogenic Engineering Division，Institute of Plasma Physics，Hefei 230031，China)

The application of centrifugal turbo cold compressor of the world was described.According the capacity of the helium refrigerator for the EAST superconducting Tokamak，centrifugal impeller of cold compressor was analyzed and manufactured，the bearing motor selection for cold compressor and experimental machining were conducted.According to the test at room temperature，the rotational speed and stability to meet the requirements.

cryogenic system;subcooler helium;centrifugal turbo cold compressor centrifugal impeller

TB652

A

1000-6516(2013)05-0033-04

2013-08-15;

2013-10-07

成安義，男，34歲，碩士，工程師。