低温氦气体轴承透平膨胀机的设计

针对我国氦透平膨胀机的研制任务 ,设计了一台氦气体轴承透平膨胀机。从机械性能方面就该氦透平膨胀机开展了理论与试验研究 ,以高稳定性为主要目标进行了氦透平膨胀机的结构设计 ,实现了绝热及密封、快速装拆等要求。氦透平常温、低温实验证明该机具有良好的热力性能及机械性能 ,本文侧重于对该氦透平膨胀机结构设计的探讨。

新型氦气体轴承透平膨胀机的研制

着重介绍所开发的新型氦气体轴承透平膨胀机的主要设计参数及关键部件的结构 ,该氦气体轴承透平膨胀机用于空间环境模拟的氦制冷系统。在设计中 ,利用多目标优化程序获得了较好的热力性能及较高的失稳转速。同时还开展了不同工质的相似模化研究 ,以便更好地预测氦透平膨胀机的热力性能。为了测试透平膨胀机的热力性能及机械性能 ,进行了多次的常温空气试车及液氮级温度低温试车 ,试验结果及现场实际试车结果表明氦气体轴承透平膨胀机具有优异的热力性能及机械性能 。

氦气体轴承透平膨胀机研制

根据氦制冷系统的要求设计氦透平膨胀机,按透平膨胀机的整体热力性能及机械性能进行多目标优化方法设计,对氦透平膨胀机的结构形式、热力性能进行优化设计。对传统的Riccati传递矩阵法改进推导进行临界转速求解,提出一种切向进气的静压气体轴承结构形式,通过设置回气孔和轴向排气孔,提高主轴的失稳转速。通过现场氦气试车,氦透平膨胀机运转平稳,热力性能优异,表现出良好的整机性能,完全达到了氦制冷系统的设计要求。

氦低温透平膨胀机热力性能数值模拟与实验测试

为了深入研究氦透平膨胀机在降温过程及低温条件下的热力学特性,依托ADS 500 W/4.5 K低温制冷机建设了80 K温区的实验系统,进行了氦透平膨胀机的低温变工况测试。测试的氦透平膨胀机主轴轴径为12.00 mm,采用动压氦气体轴承支承,最高转速可以达到252130 r·min^(-1)。在膨胀比为1.88时,膨胀机最大出口温降达到8.1 K;在膨胀比为2.07时,等熵效率达到最高值71.2%。以实验用氦透平膨胀机尺寸及测试工况为基础,建立了透平的数值模型。采用商业软件ANSYS CFX对透平的热力性能及降温特性进行了数值模拟,得到了相应的理论温降曲线。研究结果表明:所建数值模型能够较好地预测该氦透平膨胀机的温降过程,膨胀机出口温度的实验值和计算值结果最大相对偏差为0.45%;所测试的低温氦透平具有优良的热力性能和降温特性,测试的动压氦气体轴承表现出良好的支承稳定性,数值计算和实验结果可为后续相关研究和大科学装置的应用提供参考。

氢气透平膨胀机静压止推轴承参数设计研究

为了提高应用于氢气透平膨胀机中的氢气静压止推轴承的静态承载特性,建立了带均压槽的单排环形供气小孔静压止推轴承模型。应用Fluent软件进行仿真计算,分析了节流孔深度、节流孔数目、节流孔分布圆半径、节流孔直径对于轴承静态承载特性的影响。与文献实验值进行对比,验证了仿真模型以及方法的有效性。结果表明,为保证最好的轴承静态承载特性应选择合理的气膜厚度,增大节流孔深度可以减少轴承最大耗气量,节流孔分布圆半径为R=/R_(1)R_(2)时静态承载特性最好,减小节流孔直径以及节流孔数量可以减少轴承耗气量并且增大气膜最大刚度,但会降低轴承承载力与大气膜厚度下刚度。

氦制冷系统气体轴承透平膨胀机设计

描述了氦制冷系统的流程设计,根据流程确定系统关键部件透平膨胀机的参数,设计并研制了一台氦气透平膨胀机。为达到氦透平膨胀机高速稳定性及高绝热效率的要求,采用NREC对氦透平膨胀机优化通流部分,采用FLUENT分析气体轴承性能,优化气体轴承机构,采用ANSYS分析优化转子结构参数,提高转子临界转速。现场试验结果表明优化设计后的氦透平膨胀机,在转速12万转/分钟稳定运行,绝热效率达到72%以上,达到了系统设计要求。

低温氦透平膨胀机静压气体径向轴承的改进设计

针对超导托卡马克(Experimental advanced superconducting Tokamak,EAST)氦制冷机中的低温氦透平膨胀机运行不稳定性问题,从雷诺方程出发,推导出可以一次性计算得到静压气体轴承4个性能参数的计算程序:承载能力、刚度系数、气体消耗量和摩擦功耗。做出承载能力和气体消耗量随小孔直径和随半径间隙的变化曲线。在现有条件下提出改进氦透平膨胀机的设计方法,试验结果表明,此方法能有效改善氦透平膨胀机的稳定性,该研究成果是下一步整体改进EAST低温氦透平膨胀机重要理论的前提。

箔片动压气体轴承在低温透平膨胀机中的应用

箔片动压气体轴承(CFB)采用弹性支承和顶层平箔组成的弹性箔片结构,具有极端环境下良好的抗转子不对中和高速下的抗涡动性能,对于实现低温透平膨胀机高效稳定运行具有重要意义。回顾了国内箔片动压气体径向轴承在低温透平膨胀机中的应用,阐述了分段弹性支承、粘弹性支承、波箔箔片、鼓泡箔片等几种典型箔片轴承在高速透平膨胀机上的研究进展及其支承特性。进一步分析对比了上述轴承对高速低温透平膨胀机转子动力学和气动特性的影响规律,结果显示CFB具有优异的静动态特性,能够实现高速低温透平膨胀机的稳定运转,与此同时保证了低温透平高速转子较小的同步涡动和稳定的轴心位置,在高速透平机械的应用领域具有重要价值。

气体轴承在低温透平膨胀机上的应用

简要介绍了气体轴承的发展及其在低温透平膨胀机上的应用状况。分析表明 ,开发具有良好性能的新型箔片径向气体轴承 ,研制高稳定性的全动压气体轴承不仅具有巨大的经济效益 ,而且具有较高的学术价值。

全动压气体轴承透平膨胀机机械性能的试验研究

在一台额定转速为10 64×104 r/min的高速透平膨胀机(轴径为25 00 mm,转子质量为891 g)上,采用新型弹性支承箔片动压径向轴承和螺旋槽动压止推轴承对全动压气体轴承透平膨胀机的机械性能进行了试验研究,达到了转速为12 16×104 r/min、超速14%稳定运转的良好效果.还对全动压气体轴承副的性能进行了研究,验证了全动压气体轴承高速透平转子失稳的主要因素是动压止推轴承承载力丧失而造成的止推轴承失稳,并对止推间隙的影响因素和变化规律进行了探讨.试验结果表明,在高速透平机械中采用国产全动压气体轴承是完全可行的.

应用于高速透平膨胀机的箔片动压气体止推轴承的试验研究

针对现有箔片动压气体轴承结构较为复杂、理论分析比较困难,以及难以应用于高速旋转机械等问题,提出了改进的平箔型、黏弹性支承型、鼓泡型等箔片动压气体止推轴承.在高速透平机械气体轴承试验台上,采用透平驱动转子-轴承系统以及静压轴承支承活塞杆施加轴向力等试验方法,对箔片动压气体止推轴承在不同转速下的承载性能进行了试验研究.同时,利用快速傅里叶变换方法,分析轴承-转子系统在空间3个方向的振动信号,对箔片动压气体止推轴承的运转稳定性进行了探讨.试验结果表明:平箔型动压气体止推轴承具有较高的轴向承载力,约为44N,而鼓泡型动压气体止推轴承的性能非常稳定,轴承-转子系统的轴心轨迹十分清晰,轴向振动信号中低频和高频涡动可忽略不计,其振动频率以1倍频为主.

高速透平膨胀机人字槽动压径向气体轴承稳定性的研究

利用腐蚀加工法自行加工了人字槽轴承，并将其应用于高速透平膨胀机，得到了多组不同几何参数下的轴承稳定性曲线．应用有限元法进行了轴承静特性计算，并用计算结果对实验曲线进行了分析，得出了一些有益的结论．

全动压气体轴承低温透平膨胀机的开发

设计了一台小型全动压气体轴承低温透平膨胀机 ,径向轴承采用新型弹性支承箔片径向气体轴承 ,止推轴承采用螺旋槽止推气体轴承。针对该透平膨胀机的机械性能做了大量试验 ,试验获得最大转速为 2 2 0 0 0 0r/min。试验表明 ,该全动压气体轴承低温透平膨胀机运转稳定 ,对开发我国自己的全动压气体轴承低温透平膨胀机具有重要的意义。

透平膨胀机气体动压可倾瓦止推轴承承载特性的研究

为探讨几何参数对可倾瓦动压止推气体轴承承载能力的影响，在自行设计的止推轴承实验台上进行了大量的实验研究，得出了一些几何参数取值的最佳范围．应用有限元法对平面扇形可倾瓦及曲面扇形可倾瓦进行了理论计算，并将计算结果与实验数据进行了对比，得出了曲面瓦优于平面瓦等一些有益的结论．

透平膨胀机新型切向小孔气体轴承稳定性的实验研究

为减小应用于透平膨胀机普通切向小孔供气轴承的耗气量， 我们提出了一种新型切向小孔供气轴承， 即在原切向小孔供气轴承结构的基础上在两端面增加台阶。本文在对其动特性进行测试及分析的基础上， 得到了其最佳结构参数， 并且指出了各影响因素的重要程度。实验结果表明这种新型轴承的稳定性较原轴承有较大幅度的提高。

新型动压箔片径向气体轴承低温透平膨胀机的开发

针对一台40Nm3/h的空气低温透平膨胀机,设计了一种新型弹性支承箔片径向气体轴承。并对该透平膨胀机的机械性能做了大量试验,试验获得最大转速为220000r/min。试验表明,该箔片动压气体轴承低温透平膨胀机具有很好的运转稳定性,对进一步开发我国自己的全动压气体轴承低温透平膨胀机具有重要的意义。

透平膨胀机新型动压径向气体轴承的试验研究

对一种用于高速低温透平膨胀机的新型平箔式箔片径向动压气体轴承进行了试验研究，试验箔片径向轴承的直径为２５０ ｍ ｍ ，在１５０ Ｎｍ ３ Ｏ２／ｈ 制氧机用透平膨胀机上达到了１２１６ 万ｒ／ｍ ｉｎ， 超速１４％ 的良好试验效果。通过对多种组合结构参数的轴承 转子系统稳定性能的分析， 得出了最佳实验结构参数的范围， 为今后在透平膨胀机上开发及应用新型平箔径向动压气体轴承提供了设计依据。试验结果表明，

透平膨胀机气体轴承多功能实验台

在一个气体轴承常温动特性实验台的基础上，改建成了一个常温低温、静动特性气体轴承实验台，以满足开发气体轴承透平膨胀机的需要。实际应用显示，通过应用该实验台可有效地掌握透平膨胀机气体轴承的多方面性能。

气体轴承透平膨胀机故障分析与处理

气体轴承透平膨胀机的故障诊断和处理,对保证整个制冷系统安全运行有重要影响。分析气体轴承透平膨胀机的结构组成对故障诊断意义重大。通过静平衡和动平衡试验消除由于转子不平衡引起的卡机故障。对转子超载引起的卡机故障应规范操作,保证启动和运转时不超速。分析了轴承所受的径向载荷和频繁启停及闪停电引起的影响气体轴承稳定性的问题,指出了供气压力、径向半径间隙及转子的平衡性间的关系。通过调整机壳与工作轮叶片的间隙避免内泄漏的增大。采取调整工作轮后部的密封间隙和充足的密封气量等措施减少外泄漏的发生。分析了液击故障产生的原因,提出处理方法。对管路堵塞、轴承气不洁净引起的运行故障作了分析处理。提出通过严格动静平衡试验、正确组装、规范操作以及经常维护等方法来保证气体轴承透平膨胀机的安全稳定运行。

用于低温透平膨胀机的动压气体止推轴承

对几种常用于低温透平膨胀机的动压气体止推轴承的工作原理、结构特点、实际应用中存在的问题及应用实例等进行了介绍。