氦氣透平，了解一下？

氦 氣

氦氣主要應用領域

(1)低溫冷源：

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

(2)氣球充氣：

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

(3)檢驗分析：

儀器分析中常用的核磁共振分析儀的超導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，氦氣還應用于真空檢漏，如氦質譜檢漏儀等。

(4)保護氣：

利用氦氣不活潑的化學性質，氦氣常用于鎂、鋯、鋁、鈦等金屬焊接的保護氣。

(5)其他方面：

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

接著，我們一起了解下
氦氣透平膨脹機
隨著超導技術、太空探索以及大型低溫項目的發(fā)展的需要，氦制冷/液化系統(tǒng)發(fā)揮著至關重要的作用，而穩(wěn)定的氦透平膨脹機是氦制冷/液化系統(tǒng)的關鍵設備。
      因此，開展具有高性能的氦透平膨脹機的研究，對國內在超導、加速器、空間環(huán)境模擬等重大科研項目的研究具有非常重要的意義。
主要特點
氦氣膨脹機具有微型化、高轉速、低振動、長壽命等特點，在制冷溫度和制冷量上都有著不可替代的優(yōu)勢。
氦氣膨脹機的主要特點：進口介質溫度低，膨脹比大，尤其在小流量時，工作葉輪直徑小，膨脹比焓降大，轉子轉速高，轉子穩(wěn)定性和動平衡要求嚴格。
國內-氦氣透平膨脹機的研究發(fā)展
國內首臺氦透平膨脹機
中國從事氦透平膨脹機的研究工作開始于上世紀70年代，是為了航天事業(yè)的發(fā)展而進行的，國內研制的首臺氦透平膨脹機應用于空間環(huán)境模擬器KM4中。該透平膨脹機采用了單級徑－軸流反動型式，轉子直徑為24.5mm，長徑比為40/25，靜壓供氣，其介質為氦氣，鼓風制動。
升級改造
在80年代對后期對我國早期的空間環(huán)境模擬器KM3進行升級改造，用透平膨脹機代替長活塞膨脹機，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 該透平膨脹機采用動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%) ， 轉速能達到50萬轉每分鐘以上，是當時國內轉速高尺寸小的氦透平膨脹機。 
西安交通大學為空間環(huán)境模擬器KM6研制的氦透平膨脹機
90年代末期西安交通大學為空間環(huán)境模擬器KM6研制的氦透平膨脹機，工作輪直徑35mm，軸承軸徑25mm，制動風機輪直徑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構在進行的低溫( 液氮級) 空氣試驗中，轉速大于13萬轉/分，絕熱效率達68%，在設計工況下的絕熱效率大于70%，在出口溫度12.817K時，膨脹機的效率高達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低溫測試成功
此膨脹機是中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所低溫工程與技術研究室與杭州一公司聯合研制而成，采用全氣體軸承、風機制動、止推盤端置結構，制動循環(huán)采用葉輪制動的閉式循環(huán)、水冷結構。全氣體軸承膨脹機循環(huán)運行過程中沒有摻入任何雜質，不影響循環(huán)氦氣的純度。風機制動操作簡單，可調性能好，無需輔助系統(tǒng)。該膨脹機共進行多次常溫調試實驗并進行了三次低溫測試：常溫測試主要測試膨脹機轉子系統(tǒng)的機械性能；低溫測試主要測試膨脹機整機的熱力學性能。整機常溫測試結果良好，軸心渦動振幅值不超過0.008毫米。在等離子體所氦透平測試平臺上共進行三次低溫測試，對于測試暴露的問題進行及時改進和完善，第三次測試一次成功。
測試完成的透平膨脹機將用于東方超環(huán)2千瓦氦制冷機中，接受東方超環(huán)實驗的進一步檢驗。氦透平膨脹機是東方超環(huán)低溫系統(tǒng)核心部件，也是自主研發(fā)大型氦制冷機的關鍵設備。此次全氣體軸承氦透平膨脹機測試成功，預示著研究所具有研制全氣透平的能力，對未來自主研發(fā)大型氦制冷機有著重要的意義。

國外-氦氣透平膨脹機的研究發(fā)展
大型變容量氦透平膨脹機
日本原子能研究院(JAERI) 與神戶鋼鐵公司合作 , 研究開發(fā)了一臺制冷量為 10 k W 的變容量氦透平膨脹機 。該膨脹機采用立式結構 , 工作輪為閉式徑流葉輪 , 制動方式為風機制動 , 軸承系統(tǒng)采用了全動壓形式的氣體軸承 ( 徑向軸承為可傾瓦形式 , 止推軸承為螺旋槽形式) , 膨脹機的容量調節(jié)采用了改變噴嘴葉片高度的方法。
若能進一步提高單級膨脹機的膨脹比,則能減少所需膨脹機的數量,使系統(tǒng)得以簡化,可靠性大為提高 。
高膨脹比的氦透平膨脹機
在日本"超導設備與材料研究發(fā)展"計劃的推動下,日本前川制作所技術公司為一臺70MW的超導電機設計了一套液化量為100L/h的氦液化系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了兩臺透平膨脹機并聯的克勞特循環(huán),其中這兩臺膨脹機的膨脹比達到12.5。
法國的法液空(L′Air Liqiud) 也一直進行高膨脹比氦透平膨脹機的研制工作,他們開發(fā)的透平膨脹機規(guī)格為:流量約 15g/s、進口溫度100K、進口壓力115MPa,而膨脹比高達 15：1,工作轉速通常超過360000r/min。為了減小內部泄露損失,盡量選用閉式工作輪(在表面線速度不高時),制動方式為風機制動,同時配有水冷卻裝置,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
美國的Creare公司自20世紀70年代以來,一直致力于兩相氦透平膨脹機的設計開發(fā),取得了較大的發(fā)展。該膨脹機為立式結構,機體采用可實現快速裝拆的法蘭聯接方式,總長約365mm,直徑150mm,重約17kg。轉軸選用鈦合金材料 , 與膨脹機工作輪和制動風機輪 ( 直徑為1217mm) 做成一體 , 轉子的支撐為兩個靜壓徑軸承和一個靜壓止推氣體軸承 。
日本原子能研究院開發(fā)的兩相氦透平膨脹機，總長220mm,外徑190mm,重約10kg,與美國Creare的兩相氦透平膨脹機相似,轉子部分也采取了轉軸、工作輪和風機輪一體加工的結構。與之不同的是制動方式選用控制更為方便的電機制動,為減小漏冷,將整機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)定可靠的箔片動壓氣體軸承,并備有專門的磁軸承。將該膨脹機應用于一臺原產量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。
微型制冷機用氦透平膨脹機
在NASA的支持下,美國Creare公司的WL Swift和H Sixsmith等人一直進行微型逆布雷頓循環(huán)透平膨脹機的研究工作。在他們過去所設計的微型氦透平膨脹機中,普遍采用了可傾瓦式動壓氣體軸承。
據該公司技術資料顯示，在目前的技術水平下,微型透平膨脹機可達到的基本參數為:工作輪直徑214～15mm，轉速100000～720000r/min，制冷范圍從4.5K下1W到90K下3kW，而動壓氣體軸承在660000r/min的高轉速下可連續(xù)運行15a以上 ,并能在低溫環(huán)境中經受住超過10000次的反復啟停。
下圖為捷克一家生產氦氣透平的公司展示的氦氣透平膨脹機葉輪，功率范圍從100W~4000W，葉輪直徑僅有10mm，轉速每分鐘36萬轉。

氦氣膨脹機的關鍵技術之一：氣體軸承

氣體軸承作為氦氣透平膨脹機的核心部件，嚴重制約了膨脹機的設計性能，如膨脹比、轉速、等熵效率和制冷量等，設計能夠在高轉速下穩(wěn)定運行的氣體軸承，是氦氣透平膨脹機的關鍵技術。UniEco聯優(yōu)公司擁有高速透平核心技術，其中關鍵部件之一的軸承，擁有包括油膜軸承和氣體軸承在內的4項美國專利，目前已廣泛應用于各類高轉速、高膨脹比的透平機械上。