氦透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证

由于氦透平膨胀机在设计工况下进行低温性能测试的实验平台和配套设施很难满足要求，且低温工况较难达到，因此通常用膨胀机在空气中的实验来检验其性能，并通过相似模化方法得到膨胀机低温下的性能。通过分析工质在透平膨胀机中的流动及能量转化过程，发现特性比U₁/C_S、膨胀比P₁/P₂、马赫数Ma、雷诺数Re是影响膨胀机性能的关键参数。结合相似理论，以透平膨胀机变工况性能预测程序计算结果为依据，筛选出了以U₁/C_S为第一相似准则，以Ma、k^-1·Ma^-2、Ma·k^-1、k·Ma²作为第二相似准则的四组相似准则数。以流体动力学计算结果为依据，从四组相似准则中选择出了模化误差最小的相似准则，即U₁/C_S与Ma·k^-1组合。结果表明：相似模化前后氦气与空气透平膨胀机间等熵效率的最大误差在±1.4%以内，且在内部流场预测(马赫数...     

Dynamic Stability Study of Static Gas Bearing for Small Cryogenic Turbo-Expander

An experimental method is presented to analyze the dynamic stability of the gas bearing for small cryogenic turbo-expanders. The rotation imbalance response and...     

氦透平膨胀机叶轮造型与设计方法

在制冷和低温系统中,氦低温系统的效率主要取决氦透平膨胀机的效率.利用ANSYA软件对氦透平膨胀机中工作轮和制动轮进行叶片造型,并对模型进行数值模拟计算.分析结果显示ANSYS可以比较方便快捷的设计出符合设计参数的透平膨胀机工作轮和制动轮,对提高氦透平膨胀机制冷效率和稳定性等方面都有实际意义.     

The Application and Improvement of Helium Turbines in the EAST Cryogenic System

The helium cryogenic system supplies supercritical helium cooling capacity at 4.5 K for the superconducting magnets in the EAST superconducting tokamak.Four low-temperature helium turbines are used in the 2 kW helium refrigeration system,and their performance and reliability are critical for the continuous operation of the tokamak.The turbines were made by the Helium Mechanics Company in Russia.The start-up process is very unstable,easily broken,and thus testing and improvements are needed.In this paper,we analyze the structure of the helium turbine,make improvements,and describe the testing process and results of the improved helium turbines.Some of the operational experiences during the start-up process and tests are also presented.     

油气混合氦透平膨胀机在EAST低温系统中应用现状研究

介绍用于EAST(Experimental Advanced SuperconductingTokamak)低温系统中特殊结构的氦透平膨胀机,并且指出在当前降温过程中氦透平膨胀机不稳定性问题。分析2种降温模式(使用透平D和不使用透平D)对制冷机性能的影响,结果表明不使用透平D将会大大降低制冷机的性能。在现有条件下提出对静压气体轴承的改进设计,试验结果表明此方法能有效改善氦透平膨胀机的稳定性。     

The Design and Analysis of Helium Turbine Expander Impeller with a Given All-Over-Controlled Vortex Distribution

To make the large-scale helium cryogenic system of fusion device EAST （experimen- tal advanced super-conducting tokamak） run stably, as the core part, the helium turbine expander must meet the requirement of refrigeration capacity. However, previous designs were based on one dimension flow to determine the average fluid parameters and geometric parameters of impeller cross-sections, so that it could not describe real physical processes in the internal flow of the tur- bine expander. Therefore, based on the inverse proposition of streamline curvature method in the context of quasi-three-dimensional flows, the all-over-controlled vortex concept was adopted to design the impeller under specified condition. The wrap angle of the impeller blade and the whole flow distribution on the meridian plane were obtained; meanwhile the performance of the designed impeller was analyzed. Thus a new design method is proposed here for the inverse proposition of the helium turbine expander impeller.     

高雷诺数下气体润滑数学模型的研究

经典的气体润滑理论是假设流动区域内是层流流动,并且在气膜中忽略惯性力.20世纪中叶以来,各种低黏度的高转速和大尺寸轴承广泛应用于航空和低温透平领域,可能发生惯性力作用和非层流流动,轴承内出现复杂的Poiseuille-Couette混合三维湍流流动,边界层和惯性力对润滑流体的作用很大,因此润滑薄膜理论不再适用.概括无层流流动的基本情况,分析层流和湍流中惯性力的作用,在理论上建立湍流条件下的气体轴承的数学模型.最后,提出利用CFD模拟来解决这些问题,它将成为研究气体润滑的一个新方向.     

EAST氦低温系统透平故障分析

针对EAST氯低温系统的俄制氮透平膨胀机运行过程中出现的故障,从透平流道与轴承支撑两方面进行了分析,提出了氯透平膨胀机在启动过程中可能出现的问题及相应的解决方法,并专门针对出现故障的透平2,分析了导致其出现故障的原因.     

调用氦物性程序对透平膨胀机叶轮S_2流面正问题分析

为了保证EAST大型低温系统的稳定运行,其核心部件氦透平膨胀机必须满足参数设计,利用流线曲率法对低温氦透平膨胀机T3叶轮流场进行计算。通过编程计算,得出T3叶轮子午面流场,分析得到进出口的参数压力和温度达到设计的要求。同时考虑到,T3叶轮进口参数处于高压、深低温区,此时工质氦不能看作理想气体,因此调用氦物性程序,使得结果更加符合实际情况。     

周期性大扰动对超导核聚变低温系统氦透平膨胀机的影响分析

超导核聚变低温系统用末级氦透平膨胀机在运行过程中受到磁体放电"交流损耗"的影响,使得其运行工况变得十分恶劣,这是导致氦透平膨胀机性能下降与损坏的主要原因。本文从理论分析出发,详尽的分析了末级氦透平膨胀机受"交流损耗"影响的原因,并提出了降低或延缓此影响的措施。通过商业软件模拟结果发现,增加旁通阀门并进行自动控制可以有效降低交流损耗对末级氦透平膨胀机的影响,压力波动由之前的48.57%减小到改进后的7.1%;转速波动由之前的9.4%减小到改进后的1.16%。因此,采用增加旁通低温阀门的方案可以作为现有超导核聚变低温系统末级氦透平膨胀机改进方式的一个参考。