氦低温透平膨胀机热力性能数值模拟与实验测试

摘要

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252 130 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。

关键词

氦制冷机 / 透平膨胀机 / 低温特性 / 气体轴承

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52206023); 中国博士后科学基金面上资助项目(2021M692533)