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氦低温透平膨胀机热力性能数值模拟与实验测试 被引量:1
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作者 张泽 周楷淼 +3 位作者 邓坤瑜 陈兴亚 陈双涛 侯予 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期109-115,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 氦制冷机 透平膨胀机 低温特性 气体轴承
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瞬态载荷作用下氦透平转子的时域响应分析
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作者 樊程飞 陈世雄 +1 位作者 张启勇 代承昊 《真空与低温》 2024年第3期268-273,共6页
采用有限元法研究瞬态冲击下转子动力特性的时域响应,研究核聚变装置在实验过程中产生的交流损耗给氦透平膨胀机带来的冲击问题。同时研究了轴承刚度、阻尼和轴承间距等因素对转子的振动位移以及自我调节能力的影响。研究结果表明:瞬态... 采用有限元法研究瞬态冲击下转子动力特性的时域响应,研究核聚变装置在实验过程中产生的交流损耗给氦透平膨胀机带来的冲击问题。同时研究了轴承刚度、阻尼和轴承间距等因素对转子的振动位移以及自我调节能力的影响。研究结果表明:瞬态冲击造成转子轨迹紊乱,扩大轴心运动范围,转子的最大振幅与载荷呈线性关系;增大刚度可有效减小转子的最大振幅;增大轴承的刚度、阻尼和跨距有利于提高转子自我调节能力,使其快速回到稳定状态。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 瞬态载荷 转子振动
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大型氦低温制冷机研制进展 被引量:5
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作者 刘立强 《真空与低温》 2020年第6期471-475,共5页
大型氦低温制冷设备是前沿科技研究、高技术应用等领域必需的支撑装备。中国科学院理化技术研究所在国家重大科研装备研制专项的支持下,先后开展了20 K、4.5 K、2.0 K大型制冷机的研制工作,突破了高速氦透平膨胀机稳定性、超低漏率铝板... 大型氦低温制冷设备是前沿科技研究、高技术应用等领域必需的支撑装备。中国科学院理化技术研究所在国家重大科研装备研制专项的支持下,先后开展了20 K、4.5 K、2.0 K大型制冷机的研制工作,突破了高速氦透平膨胀机稳定性、超低漏率铝板翅式换热器设计制造、高精滤油系统设计等关键技术,成功研制出2 kW@20 K氦制冷机、10 kW@20 K氦制冷机、40 L/h氦液化器、250 W@4.5 K氦制冷机、200 W@4.5 K氦制冷机等系列化的大型氦低温制冷设备。目前,2.5 kW@4.5 K/500 W@2 K氦制冷机的研制工作已接近尾声:已在4 K系统获得4.5 K下2.716 kW的制冷量,在2 K系统获得1.9 K下510.6 W的制冷量,系统的稳定性考核正在进行中。未来还将开展4.5 K万瓦级超大型制冷机的研制工作。 展开更多
关键词 大型低温系统 氦制冷 透平膨胀机
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氦透平膨胀机充气式迷宫密封性能的仿真研究
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作者 代承昊 张启勇 +1 位作者 陈世雄 樊程飞 《低温与超导》 CAS 北大核心 2023年第12期1-6,共6页
探究充气式迷宫密封的密封气进气压力与泄漏量的关系,通过数值模拟对氦透平膨胀机的密封结构进行仿真计算,研究在250~700 kPa范围内密封气进气压力变化对密封泄漏量的影响。结果表明:在不接通密封气时,密封泄漏量与压比呈现出线性关系;... 探究充气式迷宫密封的密封气进气压力与泄漏量的关系,通过数值模拟对氦透平膨胀机的密封结构进行仿真计算,研究在250~700 kPa范围内密封气进气压力变化对密封泄漏量的影响。结果表明:在不接通密封气时,密封泄漏量与压比呈现出线性关系;受密封气对密封气进气口稳压槽内射流抑制作用的影响,泄漏量与密封气进气压力呈现负相关关系;受转子旋转对流体做功的影响,泄漏量为零时的密封气压力高于进口压力。 展开更多
关键词 迷宫密封 充气式 氦透平膨胀机 泄漏量 密封气
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氦透平膨胀机制动风机机理分析与控制方案 被引量:4
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作者 胡剑 付豹 +1 位作者 庄明 周芷伟 《低温工程》 CAS CSCD 北大核心 2014年第6期6-11,37,共7页
根据氦透平膨胀机的结构,引入欧拉公式的假设,重点分析了制动端的工作机理,并对实际情况加以修正,最终得出制动功率与转速、流量等的关系。为保证透平安全运行,提出了两种放喘振的控制方法。根据制动端的机理分析,提出了两种相应的透平... 根据氦透平膨胀机的结构,引入欧拉公式的假设,重点分析了制动端的工作机理,并对实际情况加以修正,最终得出制动功率与转速、流量等的关系。为保证透平安全运行,提出了两种放喘振的控制方法。根据制动端的机理分析,提出了两种相应的透平转速控制方案,详细阐述了两种控制方案的机理,并给出了PID控制流程图,最后,简单地给出了入口阀的调节方法。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 制动风机 机理分析 喘振 控制方案
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大功率电涡流制动氦透平膨胀机在EAST氦制冷机中的控制与调试 被引量:2
6
作者 周芷伟 张启勇 +3 位作者 朱平 付豹 夏根海 胡良兵 《低温工程》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期11-15,55,共6页
为保障系统的制冷量与可靠性,EAST托卡马克装置2k W氦制冷机采用了动压气体轴承电涡流制动氦透平膨胀机替代原有的油气混合轴承氦透平膨胀机。新电涡流制动氦透平膨胀机配合转子冷却回路运行,制动功率最大可达10 k W。氦透平膨胀机采用... 为保障系统的制冷量与可靠性,EAST托卡马克装置2k W氦制冷机采用了动压气体轴承电涡流制动氦透平膨胀机替代原有的油气混合轴承氦透平膨胀机。新电涡流制动氦透平膨胀机配合转子冷却回路运行,制动功率最大可达10 k W。氦透平膨胀机采用全动压径向气体轴承,而下止推轴承则引入静压气体用于增加止推轴承的承载力。目前,大功率电涡流制动氦透平膨胀机已完成在EAST氦制冷机中的安装与调试运行。介绍了电涡流制动氦透平膨胀机的测量与控制设计,在调试运行的基础上总结了氦透平膨胀机的启动与停机控制流程,并对其低温调试进行了详细分析。调试结果表明,电涡流制动的应用简化了氦透平膨胀机的启动、停机与操作流程,有助于EAST氦制冷机全自动控制的实现。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 氦制冷机 电涡流制动 控制流程 EAST托卡马克
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氦透平膨胀机膨胀端机理与控制分析 被引量:2
7
作者 胡剑 周芷伟 +1 位作者 庄明 付豹 《低温工程》 CAS CSCD 北大核心 2015年第2期16-22,共7页
为实现氦透平膨胀机的自动控制,据透平膨胀端的结构,从控制的角度,采用一元稳定流动理论来简化模型,分析了氦气经过喷嘴、工作叶轮和扩压器的机理,得到了压力与流量、流速等的关系。据此引出两个透平的主控变量:透平转速和入口阀开度,... 为实现氦透平膨胀机的自动控制,据透平膨胀端的结构,从控制的角度,采用一元稳定流动理论来简化模型,分析了氦气经过喷嘴、工作叶轮和扩压器的机理,得到了压力与流量、流速等的关系。据此引出两个透平的主控变量:透平转速和入口阀开度,详细阐述了一种透平转速设定值的计算方法,列举了几个影响因子及其确定方法,并给出了转速设定值预处理的流出图。最后针对入口阀提出了一种基于转速和影响因子的控制方法。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 膨胀端 机理分析 转速设定值 入口阀
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15kW级氦透平膨胀机通流部分设计分析 被引量:1
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作者 樊程飞 张启勇 +5 位作者 陈世雄 付豹 李姗姗 杨鹏程 纵逸文 张子健 《低温与超导》 CAS 北大核心 2022年第8期50-56,76,共8页
为聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)超导磁体研究系统提供低温环境,满足CRAFT低温系统需求,设计了15 kW氦透平膨胀机的喷嘴及叶轮。结合一维设计理论,采用CFturbo软件对喷嘴及叶轮进行几何设计,得到喷嘴和叶轮的结构参数。利用数... 为聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)超导磁体研究系统提供低温环境,满足CRAFT低温系统需求,设计了15 kW氦透平膨胀机的喷嘴及叶轮。结合一维设计理论,采用CFturbo软件对喷嘴及叶轮进行几何设计,得到喷嘴和叶轮的结构参数。利用数值模拟方法,对喷嘴、叶轮进行了气动特性验证,并研究低温氦气在喷嘴和叶轮流道内的流动特性,获得了其速度场、压力场、温度场和熵分布场。结果表明:压降主要发生在喷嘴中,其在叶轮中较小;温降在喷嘴和叶轮中都有所降低,分别降温6.1 K和5.7 K;流动损失主要来自于叶轮;等熵效率达到82.16%,功率达到17 kW。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 喷嘴和叶轮 数值模拟 等熵效率
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The Design and Analysis of Helium Turbine Expander Impeller with a Given All-Over-Controlled Vortex Distribution
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作者 刘晓东 付豹 庄明 《Plasma Science and Technology》 SCIE EI CAS CSCD 2014年第3期288-293,共6页
To make the large-scale helium cryogenic system of fusion device EAST (experimen- tal advanced super-conducting tokamak) run stably, as the core part, the helium turbine expander must meet the requirement of refrige... To make the large-scale helium cryogenic system of fusion device EAST (experimen- tal advanced super-conducting tokamak) run stably, as the core part, the helium turbine expander must meet the requirement of refrigeration capacity. However, previous designs were based on one dimension flow to determine the average fluid parameters and geometric parameters of impeller cross-sections, so that it could not describe real physical processes in the internal flow of the tur- bine expander. Therefore, based on the inverse proposition of streamline curvature method in the context of quasi-three-dimensional flows, the all-over-controlled vortex concept was adopted to design the impeller under specified condition. The wrap angle of the impeller blade and the whole flow distribution on the meridian plane were obtained; meanwhile the performance of the designed impeller was analyzed. Thus a new design method is proposed here for the inverse proposition of the helium turbine expander impeller. 展开更多
关键词 helium turbine expander streamline curvature method meridian plane all-over-controlled vortex inverse proposition
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调用氦物性程序对透平膨胀机叶轮S_2流面正问题分析 被引量:1
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作者 刘晓东 庄明 付豹 《低温工程》 CAS CSCD 北大核心 2012年第4期58-62,共5页
为了保证EAST大型低温系统的稳定运行,其核心部件氦透平膨胀机必须满足参数设计,利用流线曲率法对低温氦透平膨胀机T3叶轮流场进行计算。通过编程计算,得出T3叶轮子午面流场,分析得到进出口的参数压力和温度达到设计的要求。同时考虑到... 为了保证EAST大型低温系统的稳定运行,其核心部件氦透平膨胀机必须满足参数设计,利用流线曲率法对低温氦透平膨胀机T3叶轮流场进行计算。通过编程计算,得出T3叶轮子午面流场,分析得到进出口的参数压力和温度达到设计的要求。同时考虑到,T3叶轮进口参数处于高压、深低温区,此时工质氦不能看作理想气体,因此调用氦物性程序,使得结果更加符合实际情况。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 非理想气体 子午面
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微型氦透平膨胀机系统性数值模拟
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作者 张志莲 王铃玉 +2 位作者 徐康 吴波 吕涛 《应用科技》 CAS 2020年第3期51-57,共7页
现今氦透平膨胀机的设计,仅有面向各部件的设计方法及步骤,没有完整精准的设计流程,未形成设计体系。为保证环控系统中微型氦透平膨胀机运行的安全性、可靠性及高效性,提出一套基于CAD/CAE/CFD的智能化设计流程,通过一维热力计算、二维... 现今氦透平膨胀机的设计,仅有面向各部件的设计方法及步骤,没有完整精准的设计流程,未形成设计体系。为保证环控系统中微型氦透平膨胀机运行的安全性、可靠性及高效性,提出一套基于CAD/CAE/CFD的智能化设计流程,通过一维热力计算、二维气动设计、三维气动分析和强度校核、三维造型和转子动力学分析对微型氦透平膨胀机进行数字化仿真设计,并对设计过程进行系统性数值模拟。确保设计方案可达到氦制冷系统的设计要求,同时为设计微型氦透平膨胀机提供设计制造集成技术。 展开更多
关键词 透平膨胀机 微型 数值模拟 系统 气动 强度 转子动力学
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氦透平膨胀机叶轮(理想气体)S_2流面流场计算
12
作者 刘晓东 付豹 庄明 《低温与超导》 CAS CSCD 北大核心 2012年第9期5-8,共4页
为保证核聚变装置EAST(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak)氦低温系统的稳定运行,其核心部件氦透平膨胀机必须满足制冷量的要求;因此有必要用流线曲率法对低温氦透平膨胀机T2叶轮流场进行计算。经过计算得出T2叶轮子午面... 为保证核聚变装置EAST(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak)氦低温系统的稳定运行,其核心部件氦透平膨胀机必须满足制冷量的要求;因此有必要用流线曲率法对低温氦透平膨胀机T2叶轮流场进行计算。经过计算得出T2叶轮子午面流场,同时也对叶轮性能进行分析,结果完全满足要求。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 理想气体 子午面
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氦透平膨胀机电涡流制动数值模拟
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作者 谢胜强 陈长琦 +1 位作者 张启勇 付豹 《低温与超导》 北大核心 2017年第12期7-10,33,共5页
氦透平膨胀机是氦制冷机或氦液化器的核心部件,其制动方式大致有:风机制动、油制动、电涡流制动等几种形式,相比其它制动方式,电涡流制动具有响应速度快、制动及时、结构简单、制动平稳、有利改善转子结构、易实现全自动控制等诸多优势... 氦透平膨胀机是氦制冷机或氦液化器的核心部件,其制动方式大致有:风机制动、油制动、电涡流制动等几种形式,相比其它制动方式,电涡流制动具有响应速度快、制动及时、结构简单、制动平稳、有利改善转子结构、易实现全自动控制等诸多优势。本文主要分析了电涡流制动的工作原理,研究了低温环境下电涡流制动的热物理性能。根据低温氦透平膨胀机电涡流制动结构,应用COMSOL Multiphysics建立几何模型,进行初始条件设置和网格划分,数值模拟研究了直流螺线管和电涡流制动的电磁场特性,分别得到其分布规律以及磁通密度变化规律;阐明了低温氦透平膨胀机电涡流形成及制动的机理。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 螺线管 电涡流制动 COMSOL Muhiphysics 数值模拟
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基于PLC的氦透平膨胀机控制系统设计
14
作者 胡剑 周芷伟 +2 位作者 庄明 陆小飞 朱志刚 《低温工程》 CAS CSCD 北大核心 2015年第4期39-46,共8页
首先分析了氦制冷机和透平的工作流程,再从透平的众多参数中分析得出被控变量。以提高透平运行效率和制冷量为指导依据,设计了透平转速和入口阀的控制方案,并通过对比说明设计方案的优越性。最后考虑到透平的安全运行,设立了报警与保护... 首先分析了氦制冷机和透平的工作流程,再从透平的众多参数中分析得出被控变量。以提高透平运行效率和制冷量为指导依据,设计了透平转速和入口阀的控制方案,并通过对比说明设计方案的优越性。最后考虑到透平的安全运行,设立了报警与保护信号,同时也对转速设定值进行了预处理,根据设计方案,采用模块化的编程思想设计了PLC的控制程序。 展开更多
关键词 氦透平膨胀机 转速设定值 入口阀 影响因子 PLC
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高速透平转子的动平衡试验研究 被引量:3
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作者 程进杰 孙郁 +2 位作者 孙立佳 季伟 张武 《低温与超导》 CAS 北大核心 2014年第6期6-9,共4页
对于工作转速高达10多万的透平膨胀机转子,转子的动平衡精度是透平膨胀机能否安全稳定运行的关键。由于从事氦透平膨胀机研制的需要,作者对采购的动平衡机进行了改造,采用气体轴承支撑和高压气体驱动,避免了传统的支撑和驱动结构的振动... 对于工作转速高达10多万的透平膨胀机转子,转子的动平衡精度是透平膨胀机能否安全稳定运行的关键。由于从事氦透平膨胀机研制的需要,作者对采购的动平衡机进行了改造,采用气体轴承支撑和高压气体驱动,避免了传统的支撑和驱动结构的振动对动平衡精度的影响,使平衡转速提高到2万转每分钟,最小可达剩余不平衡度为0.063μm。大大的提高了动平衡效果,为氦透平膨胀机的成功研制提供了强力的支撑。 展开更多
关键词 气体轴承 高速转子 动平衡 氦透平膨胀机
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