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过冷氦系统中离心式冷压缩机研究

作为现代大型过冷氦低温系统中的核心部件,冷压机综合了深低温领域的材料、传热、量子流体等众多的尖端科技。在国际上,只有极少数的如法液空和林德等低温企业掌握了冷压机技术。随着高能粒子探测器、核聚变装置、超导储能装置和高能加速器等大型科学工程的蓬勃发展,世界各地已经或者正在建设越来越多的大型过冷氦/超流氦低温系统,而掌握冷压机技术是其中的关键。目前,我国已经建成了多套过冷氦/超流氦低温系统,然而这些系统获得过冷氦/超流氦的方法仍然是在常温下用压缩机进行减压降温。

常温压缩机存在诸多弊端和隐患,主要包括两方面:首先是管路负压,增加了系统真空度要求,否则容易污染重要零部件;其次,常温压缩机的尺寸、功耗和噪音都很大,不利于系统的进一步提升。国内对于过冷氦/超流氦研究尚处于理论阶段,大多集中在对超流氦的物性研究上。为掌握低温减压技术,本文设计、加工和装配了一台离心式冷压机样机,对变工质/工况条件进行了数值模拟,并在液氮温度下进行了低温测试,主要开展的研究工作如下:1.本文根据过冷氦系统的需求参数,设计了高效的后弯式叶轮;针对冷压机运行在深低温环境中,而其高速电机在常温环境下工作的情况,设计了一种有效的短距离、大温差的绝热结构,将3.5K-300K的轴向漏热降低到25.86W;同时,由于冷压机工作介质为极易泄漏的深低温氦气,本文设计了迷宫动密封、铟丝密封和空心金属O圈密封等多种特殊密封结构,有效地实现了对于深低温条件下氦气的密封。2.在运行环境改变时,为预测偏工况下冷压机的性能参数,并获得冷压机的理论喘振线,本文从理论角度分析了不同质量流量、不同转速下冷压机的性能参数变化情况,并通过冷压机的性能曲线预估了理论喘振线;同时,运用相似原理,预测采用低温氮气为替代工质时冷压机的性能参数。

3.为验证理论计算的准确性,并进一步分析叶轮内部流体参数分布,本文运用数值模拟的方法,分析在设计工况下冷压机压比、效率及内部温度、压力和速度分布情况。在低温氦气和低温氮气条件下,获得偏工况运行时的性能曲线和喘振线。分析了不同叶顶间隙对于冷压机压比、效率和稳定运行范围的影响,并进一步地考虑了温度对于叶顶间隙和冷压机性能的影响。进行冷压机振动模态分析,确定其各阶振动频率,指导冷压机实验运行。

同时,采用数值模拟的方法,对冷压机的叶轮进行优化设计,提升叶轮效率并扩大稳定工作范围。4.进行了液氮温度下的测试,包括热负荷测试、喘振线测量、变工况性能曲线测量和不同叶顶间隙性能实验,并与前期的理论计算和数值模拟的结果进行对比,实验结果很好地验证了前文的结论。根据相似换算和液氮实验的结果,可以预测当冷压机在低温氦气工质下运行时,可获得3.5K的过冷氦,多变效率达到71%,满足设计需求,相似换算和液氮实验结果与设计需求的误差在4%以内。