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氦气

来源:/news/81.html   发布时间:2018-10-06

氦气透平,了解一下?

氦 气


氦气,英文名为Helium,符号为He,无色无味,不可燃气体,空气中的含量约为百万分之5.2。化学性质不活泼,通常状态下不与其它元素或化合物结合。1908年7月10日,荷兰物理学家昂尼斯首次液化了氦气。


氦气主要应用领域

(1)低温冷源:

利用液氦的-268.9℃的低沸点,液氦可以用于超低温冷却。而超低温冷却技术在超导技术等领域有较广泛的应用,超导技术在交通行业的磁悬浮列车,医疗领域的核磁共振成像设备都有较大的应用。


(2)气球充气:

由于氦气密度远小于空气(空气的密度为1.29kg/m3,氦气的密度为0.1786kg/m3),而且化学性质极不活泼,较氢气安全(氢气可以在空气中燃烧,可能会引起爆炸),氦气常用于飞船或广告气球中的充入气体。


(3)检验分析:

仪器分析中常用的核磁共振分析仪的超导磁体需要利用液氦降温,气相色谱分析中氦气常作为载气,利用氦气渗透性好、不可燃的特点,氦气还应用于真空检漏,如氦质谱检漏仪等。


(4)保护气:

利用氦气不活泼的化学性质,氦气常用于镁、锆、铝、钛等金属焊接的保护气。


(5)其他方面:

氦气可用作高真空装置、原子核反应堆 ,在火箭、宇宙飞船上用作输送液氢、液氧等液体推进剂的加压气体。氦气还用作原子反应堆的清洗剂,在海洋开发领域的呼吸用混合气体中,气体温度计的填充气等。


接着,我们一起了解下

氦气透平膨胀机

随着超导技术、太空探索以及大型低温项目的发展的需要,氦制冷/液化系统发挥着至关重要的作用,而高效稳定的氦透平膨胀机是氦制冷/液化系统的关键设备。

      因此,开展具有高性能的氦透平膨胀机的研究,对国内在超导、加速器、空间环境模拟等重大国防科研项目的研究具有非常重要的意义。

主要特点


氦气膨胀机具有微型化、高转速、低振动、长寿命等特点,在制冷温度和制冷量上都有着不可替代的优势。


氦气膨胀机的主要特点:进口介质温度低,膨胀比大,尤其在小流量时,工作叶轮直径小,膨胀比焓降大,转子转速高,转子稳定性和动平衡要求严格。

国内-氦气透平膨胀机的研究发展

国内首台氦透平膨胀机

中国从事氦透平膨胀机的研究工作开始于上世纪70年代,是为了航天事业的发展而进行的,国内研制的首台氦透平膨胀机应用于空间环境模拟器KM4中。该透平膨胀机采用了单级径-轴流反动型式,转子直径为24.5mm,长径比为40/25,静压供气,其介质为氦气,鼓风制动。


升级改造

在80年代对后期对我国早期的空间环境模拟器KM3进行升级改造,用透平膨胀机代替长活塞膨胀机,采用中科院低温中心研制的自作用气体轴承氦透平膨胀机 该透平膨胀机采用动静压混合式气体轴承,提高了轴承的稳定性,又减少了轴承气的消耗量( 小于3%) , 转速能达到50万转每分钟以上,是当时国内转速最高尺寸最小的氦透平膨胀机。 


西安交通大学为空间环境模拟器KM6研制的氦透平膨胀机

90年代末期西安交通大学为空间环境模拟器KM6研制的氦透平膨胀机,工作轮直径35mm,轴承轴径25mm,制动风机轮直径60mm,采用静压气体轴承,轴承气采用氦气,由流程中直接引出,采用止推盘在中间的单止推结构在进行的低温( 液氮级) 空气试验中,最高转速大于13万转/分,绝热效率达68%,在设计工况下的绝热效率大于70%,在出口温度12.817K时,膨胀机的效率高达75%,最大制冷量接近2000W。


东方超环(EAST)低温系统全气体轴承氦透平膨胀机低温测试成功

此膨胀机是中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所低温工程与技术研究室与杭州一公司联合研制而成,采用全气体轴承、风机制动、止推盘端置结构,制动循环采用叶轮制动的闭式循环、水冷结构。全气体轴承膨胀机循环运行过程中没有掺入任何杂质,不影响循环氦气的纯度。风机制动操作简单,可调性能好,无需辅助系统。该膨胀机共进行多次常温调试实验并进行了三次低温测试:常温测试主要测试膨胀机转子系统的机械性能;低温测试主要测试膨胀机整机的热力学性能。整机常温测试结果良好,轴心涡动振幅最大值不超过0.008毫米。在等离子体所氦透平测试平台上共进行三次低温测试,对于测试暴露的问题进行及时改进和完善,第三次测试一次成功。


测试完成的透平膨胀机将用于东方超环2千瓦氦制冷机中,接受东方超环实验的进一步检验。氦透平膨胀机是东方超环低温系统核心部件,也是自主研发大型氦制冷机的关键设备。此次全气体轴承氦透平膨胀机测试成功,预示着研究所具有研制全气透平的能力,对未来自主研发大型氦制冷机有着重要的意义。

国外-氦气透平膨胀机的研究发展

大型变容量氦透平膨胀机

日本原子能研究院(JAERI) 与神户钢铁公司合作 , 研究开发了一台制冷量为 10 k W 的变容量氦透平膨胀机 。该膨胀机采用立式结构 , 工作轮为闭式径流叶轮 , 制动方式为风机制动 , 轴承系统采用了全动压形式的气体轴承 ( 径向轴承为可倾瓦形式 , 止推轴承为螺旋槽形式) , 膨胀机的容量调节采用了改变喷嘴叶片高度的方法。


若能进一步提高单级膨胀机的膨胀比,则能减少所需膨胀机的数量,使系统得以简化,可靠性大为提高 。


高膨胀比的氦透平膨胀机

在日本"超导设备与材料研究发展"计划的推动下,日本前川制作所技术公司为一台70MW的超导电机设计了一套液化量为100L/h的氦液化系统。该系统采用了两台透平膨胀机并联的克劳特循环,其中这两台膨胀机的膨胀比达到12.5。


法国的法液空(L′Air Liqiud) 也一直进行高膨胀比氦透平膨胀机的研制工作,他们开发的透平膨胀机规格为:流量约 15g/s、进口温度100K、进口压力115MPa,而膨胀比高达 15:1,工作转速通常超过360000r/min。为了减小内部泄露损失,尽量选用闭式工作轮(在表面线速度不高时),制动方式为风机制动,同时配有水冷却装置,而径向和止推轴承均采用了需提供外压的静压气体轴承。


气液两相氦透平膨胀机

美国的Creare公司自20世纪70年代以来,一直致力于两相氦透平膨胀机的设计开发,取得了较大的发展。该膨胀机为立式结构,机体采用可实现快速装拆的法兰联接方式,总长约365mm,直径150mm,重约17kg。转轴选用钛合金材料 , 与膨胀机工作轮和制动风机轮 ( 直径为1217mm) 做成一体 , 转子的支撑为两个静压径轴承和一个静压止推气体轴承 。


日本原子能研究院开发的两相氦透平膨胀机,总长220mm,外径190mm,重约10kg,与美国Creare的两相氦透平膨胀机相似,转子部分也采取了转轴、工作轮和风机轮一体加工的结构。与之不同的是制动方式选用控制更为方便的电机制动,为减小漏冷,将整机置于采用真空绝热和液氮冷却的冷箱中,径向和止推轴承选用更为稳定可靠的箔片动压气体轴承,并备有专门的磁轴承。将该膨胀机应用于一台原产量71L/h的氦液化系统中,使其液化量升至300L/h, 是以前的4倍多。


微型制冷机用氦透平膨胀机

在NASA的支持下,美国Creare公司的WL Swift和H Sixsmith等人一直进行微型逆布雷顿循环透平膨胀机的研究工作。在他们过去所设计的微型氦透平膨胀机中,普遍采用了可倾瓦式动压气体轴承。


据该公司技术资料显示,在目前的技术水平下,微型透平膨胀机可达到的基本参数为:工作轮直径214~15mm,转速100000~720000r/min,制冷范围从4.5K下1W到90K下3kW,而动压气体轴承在660000r/min的高转速下可连续运行15a以上 ,并能在低温环境中经受住超过10000次的反复启停。


下图为捷克一家生产氦气透平的公司展示的氦气透平膨胀机叶轮,功率范围从100W~4000W,最小的叶轮直径仅有10mm,最高转速每分钟36万转。


氦气膨胀机的关键技术之一:气体轴承

气体轴承作为氦气透平膨胀机的核心部件,严重制约了膨胀机的设计性能,如膨胀比、转速、等熵效率和制冷量等,设计能够在高转速下稳定运行的气体轴承,是氦气透平膨胀机的关键技术。UniEco联优公司拥有高速透平核心技术,其中关键部件之一的轴承,拥有包括油膜轴承和气体轴承在内的4项美国专利,目前已广泛应用于各类高转速、高膨胀比的透平机械上。




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