气氦制冷系统透平膨胀机的研制

氦气透平膨胀机是气氦制冷系统中的关键设备，该设备热力性能的好坏、机械性能的优劣，将直接影响到整个系统的经济性及可靠性，同时也反映该制冷系统的技术水平。

在载人航天空间环境模拟器中，气氦制冷系统所要求的氦气透平膨胀机，是属于研制难度较大的一项设备。在经过广泛的调查与分析后，北京卫星环境工程研究所与西安交通大学合作（由西安交通大学负责设计，北京卫星环境工程研究所负责提供参数，校审与调试），共同完成了该设备的研制工作。

2计算数据北京卫星环境工程研究所根据气氦制冷系统的设计要求，对系统的流程进行计算，提出透平膨胀机的设计参数如下：西安交通大学根据这些参数，进行了氦气透平膨胀机的热力计算及转子一轴承系统的设计计算。在设计过程中，西安交通大学对透平膨胀机的整体性能进行了多目标优化设计，确保了合理的参数，使透平膨胀机的热力计算及转子一轴承系统的设计计算达到了最佳效果。

计算得出的主要数据为气体轴承（直径X长度）：￡）XZ-25mmX36mm绝热效率：々=68% 3设计工作西安交通大学的图纸设计完毕后，由北京卫星环境工程研究所该工程组对全套图纸进行审核，并提出了重要的修改意见：改变了下窝壳的真空方式原来的下蜗壳为独立的真空，经过审核后，去掉了真空蜗壳，这样不但使体积减小、重量减轻，而且安装也简便了，省去了抽真空用的管路。

改变了上窝壳的加工方法原上蜗壳的材料为铸铝，经过审核后，改为由机加工成型的上蜗壳。其优点是保证有好的气密性。

对于某些部位的密封型式进行了改变原设计中，有些部位的密封圈没有限位槽。经过审核修改后更为合理了。

4调试情况氦气透平膨胀机设计图纸完成后，我们进行了加工。为了验证其设计性能，曾进行了多次的常温和低温调试，现仅就几次低温调试的情况介绍如下：1998年10月底，氦气透平膨胀机进行了第1次低温调试。通过这次调试，主要解决了对透平膨胀机的机械性能及热力性能的考验。

在1999年1月、4月及6月共进行3次低温调试。这3次调试分别对透平膨胀机进行了各种工况的试验考核。试验数据表明，透平膨胀机运转稳定，起停自如。两台透平膨胀机可以自由切换使用。在试机过程中，当超速运转（》=13X104rpm）时均未发生卡机现象，仍保持运转稳定，这充分表明该透平膨胀机失稳运转能力很强，具有很好的稳定性。

199S年6月，气氦制冷系统在参加某型号的大型热真空试验中，该透平膨胀机的优异性能得到充分发挥，仅用一台压缩机及一台透平膨胀机同时为2块氦板提供冷量，使氦板温度低于20K（其间，透平膨胀机出口温度为13K），使主环境模拟室的真空度提高了一个数量级。

通过前后儿次的低温调试，表明了该透平膨胀机具有效率高、制冷量大、降温速率快的特点，透平膨胀机出口温度最低达到12K；其运转稳定性好，热力性能优异。同时，在这一系列的透平膨胀机调试过程中，做到一次成功，从未发生任何故障，这反映出我国对氦制冷系统及氦气透平膨胀机的认识和研制水平已经上了一个新的台阶。

5性能特点在该氦气透平膨胀机的设计研制中，表现出下述特点：为了使整机具有高的效率及运转稳定性，在确定重要零件的结构形式和尺寸时，都反复进行了分析计算与比较。例如：在转子设计时，为了保证能够达到较高的临界转速，对止推盘、密封端等部位，进行了大量的设计对比，确定了合理的尺寸；为提高运转的稳定可靠性，尽量采取措施减小轴向力，使止推轴承的结构简单。

为了降低漏冷损失，特别注意了低温密封件的设计，采用了金属V字型复合密封圈。另外，经过对透平膨胀机整体结构的重新考虑，将原来的5类7种密封圈精简为2类3种密封圈。

首次采用了由我们自行开发研制的多排切向小孔供气轴承，该轴承保证了优异的运转稳定性，并具有较高的失稳转速。

该透平膨胀机下蜗壳排气口前，设计了一套新型的自密封装置，以防止透平膨胀机维修时，系统内的氦气泄漏到外界。

采用风机制动的方式，利用水冷却器带走热量。在两台透平膨胀机各自冷却回路中的板翅式水冷却器，采用单独安装的方式，便于灵活使用。

经过改进设计，研制加工了有色金属复合型制动蜗壳。其制动效果及密封性能很好满足设计要求。

6结束语由该氦气透平膨胀机装备的气氦制冷系统在型号试验中满足总体要求，圆满完成试验任务。它标志着我国独立自主研制的氦气透平膨胀机的性能是稳定和优异的。无论从热力性能（绝热效率），还是运转稳定性（失稳转速）方面，都已达到了国际先进水平。

无疑，大型气氦制冷系统的研制为我国航天事业的发展起到了应有的作用。