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本帖最后由 冰轮环境张新林 于 2019-11-5 14:39 编辑
冰轮环境，4.5K（-268.5℃）2500W大型低温制冷机用氦气压缩机项目成功验收！制冷温度-268.5℃，接近绝对零度！
超低温制冷系统对**、国防等有重大意义，被广泛应用于卫星、航天、超导等重要领域。氦的临界温度较低，是自然界中最难液化的气体，因此，氦气成为超低温制冷系统的主要工质。与普通制冷过程类似，以氦气为工质的超低温制冷系统也包括压缩、冷凝、节流、蒸发4个主要热力过程。压缩机是低温系统的核心部件，其主要作用是为超低温制冷系统提供必要的高压纯净氦气作为制冷工质，氦气的纯度为99.995%。压缩机的效率决定了整个低温系统的基本性能。 喷油螺杆氦气压缩机由美国费米国家加速器实验室于1979年在“万亿电子伏特加速器”低温系统中第一次引入使用。与活塞机等其他类型压缩机相比，喷油螺杆氦气压缩机具有容量大、振动小、可靠性高等特点，在深低温制冷领域有更广阔的应用前景。喷油螺杆氦气压缩机通常是在空压机的基础上进行特殊设计改制而成，目前林德公司和法液空公司的氦液化器较多使用德国凯撒公司的系列化氦气压缩产品。掌握氦气压缩技术的还有德国艾岑、美国寿力、日本前川和英国豪顿等。其中，凯撒公司研发的一些非标机型由于和林德签署排他性协议，不对中国市场出口，对于允许出口中国的机型除了价格高昂外对使用领域也进行严格限制，被禁止使用于核技术、航天、国防等领域，严重限制了我国深低温制冷技术的发展和应用。 为响应“中国制造2025”战略目标，笔者所在单位专门针对深低温领域开发设计喷油螺杆氦气压缩机，进行关键技术的探索与分析。
1 喷油螺杆氦气压缩机 氦气压缩采用喷油螺杆压缩机的主要原因： 1） 氦气极易泄漏，喷油可以起到密封的作用，压缩机的密封间隙控制的越小压缩机效率就能越高； 2） 氦气绝热指数高，吸/排气压力1/16bar（A）绝热压缩时压缩机内部温度会很高。喷油可降低压缩过程的温升，压缩过程趋近于等温压缩，有助于提高压缩机效率； 3） 喷油后可降低实际气体绝热指数，降低压缩机功耗； 4） 喷油螺杆压缩机具有低噪声、低振动、易损件少的优点； 5） 双螺杆结构属于容积式压缩机，有很强的变工况压缩能力。 喷油螺杆氦气压缩机主要由压缩机、油分离器、油过滤器、冷却器等部分组成，辅助以阀门、控制系统等组成一个独立的系统。该氦气喷油螺杆压缩机设计吸气压力为1.05bar（A），排气压力为17bar（A）。 喷油螺杆氦气压缩机工作流程如图1所示，氦气和润滑油分别通过吸气口和喷油口进入压缩机，二者混合后被压缩成高温高压的油气混合物。油气混合物进入油分离器将润滑油和氦气进行分离，被分离出的润滑油经过冷却器冷却、过滤器过滤后回到压缩机，完成油路循环。分离出润滑油的氦气经过冷却器冷却后输送至用气端。
图1 喷油螺杆氦气压缩机流程简图
2 压缩机
压缩机是氦气压缩中的核心设备。对于喷油螺杆压缩机，影响其性能的主要因素包括型线、间隙、密封、喷油等。
2.1 型线 针对氦气分子量小容易泄漏的特点重新优化型线，全新的高效双边非对称全圆弧包络型线可以减小泄漏三角形面积，提高氦气喷油螺杆压缩机容积效率。
图2 氦气喷油螺杆压缩机型线 氦气是单原子分子、运动粘度小、渗透性强，存在极易泄漏的难题，特别是转子间隙内漏的问题，因此，针对氦气特性研发特定型线显得尤为重要。此次研制过程针对氦气工质专门设计开发了一款转子型线，这种型线为双边非对称全圆弧包络线，具有密封性好、接触线短、啮合平稳、便于采用磨削法加工、效率高等优点。 2.2 间隙 影响压缩机效率的主要因素包括啮合间隙和单边间隙等。啮合间隙是指阴阳转子啮合过程中的齿间间隙，单边间隙是指转子齿顶与转子孔间的单边径向间隙。转子间隙对压缩机性能有决定性作用，间隙过大会降低压缩机的容积效率，间隙过小容易引起阴阳转子及压缩机壳体间的相互摩擦，引起压缩机的损坏。氦气绝热压缩时温升较大导致转子热变形量较大，为避免摩擦确保压缩机稳定运行需要较大的间隙，但间隙的增大会降低压缩机的效率。采用喷油螺杆即可有效解决上述问题：在压缩机适当位置喷入适量润滑油，可起到密封、冷却的作用，对提高压缩机效率有显著效果。 压缩机运行过程中，转子的变形包括热变形和受力变形，各间隙要大于转子产生的形变量，使得转子受力后不会引起摩擦咬合，确保运转过程稳定可靠。通过模拟计算软件，对运行中的转子因受力而产生的齿变形进行了模拟分析，如图3~图5所示。
图3 阴转子受力变形图
图4 转子受力模型
图5 转子受力变形 通过模拟分析，对齿形进行优化，并减小了齿顶变形量，有效避免了齿形因受力变形而发生摩擦、咬伤等问题，同时确保了设计间隙的准确性，保证压缩机的安全稳定运行。 针对氦气压缩进行了间隙的重新设计与调整，本次压缩机采用高精度滚动轴承，保证压缩机的啮合间隙、排端间隙、单边间隙等。
2.3 密封 普通工艺压缩机采用单端面机械密封，本次项目考虑到氦气的特性，按照API 682标准，与轴封厂家进行了特殊设计，采用双端面密封结构。 采用双端面平衡设计轴封，两级密封，泄漏量为0.1mL/h。该密封有如下特点：1）静环采用多弹簧设计，确保密封端面符合的平整性。2）牢固的密封端面能够减少压力作用下而导致的扭曲。3）采用FEA有限元分析法与水动力算法，优化密封端面设计。4）采用吊环驱动，提供更佳的扭矩传递。5）整装的密封端面，温度波动下保持密封端面平整，可补偿设备本身的制造公差和热膨胀引起的轴向位移。 双端面轴封（图6）由独立的辅助系统进行供油，供油压力比压缩机排气压力高3bar，确保轴封零泄漏。
图6 双端面轴封示意图
2.4 喷油 综合分析喷油量大小对压缩过程的影响，并针对氦气介质压缩特性对喷油口位置和大小进行优化。 由于氦气绝热指数高，压缩过程温升快，在压缩机吸气刚结束位置就喷入润滑油，可有效降低压缩温升，同时采用多点喷油、喷油雾化等方式，将喷油量控制在最佳范围内，确保压缩机稳定高效运行。
2.5 压缩机能量调节 压缩机的调节方式有多种，包括滑阀调节、变频调节、吸气节流调节等。其中，滑阀调节、变频调节是应用较多的调节方式。对于滑阀调节方式，滑阀调节在低于40%载位时，气量快速降低但耗功并不成比例降低，适用于压缩机载位较高的应用场合，而变频调节是通过改变转速实现变流量，能量调节反应迅速，但成本偏高。本次项目考虑到氦气压缩机应用在深冷领域，需与膨胀机配合，压缩机要求运行平稳且响应快速，结合压缩机适用性及变工况性能，压缩机采用变频调节，实现功率与气量的线性变化，同时可快速响应负荷变化。
3 氦气压缩机主要零部件设计 3.1 油分离器 喷油螺杆压缩机出口为工质与润滑油的混合物，需要可靠设备进行油气分离以降低排气含油量。如果润滑油进入后续膨胀设备会在低温下凝固，会造成冻堵，影响设备运行稳定性。 本项目采用高效油分离器包括多种分离方式的组合：撞击、旋风、重力、拦截。分离器分离后可以达到很高的分离精度。
3.2 冷却器 采用风冷冷却器对润滑油和高压氦气进行降温，风冷冷却器具有使用简单无需消耗冷却水的优点。冷却器风机采用变频调节，对出气温度和供油温度进行控制，通过对供油温度的调节和控制使得机组处于更高效的工况。 3.3 管路附件 针对氦气易泄露的特点，对机组的管路附件进行了特殊设计。所有管路及阀门优先采用焊接形式，尽量避免法兰连接带来的泄漏风险；使用法兰连接的地方采用特殊结构尽量减小泄漏。在机组充氦气至2.0MPa（G）时用氦质谱检漏仪对各个漏点以及焊缝进行检测，氦气泄漏量均在10-8Pa·m3/s以下。
4 测试试验及试验数据 喷油螺杆氦气压缩机研制完成后，搭建测试台对机组性能进行实测。测试台流程简如图7所示。
测试台主要功能为调节喷油螺杆氦气压缩机运行工况、测量机组介质流量以及功率等。测试依据GB/T 5773—2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》中X、Y方法测量，其中X方法为涡街流量计测试法，Y方法为量热器法，二者测试误差在士4%以内认为合格。 运行工况通过压力传感器及气动调节阀进行调节：机组吸气口压力高于设定值时气动调节阀3开度减小，机组吸气口压力低于设定值时气动调节阀3开度增大；机组排气口压力高于设定值且气动调节阀3已达到允许的最小开度时气动调节阀1开启，机组排气口压力低于设定值且气动调节阀3已达到最大开度时气动调节阀2开启。机组介质流量依靠管路中流量计进行测定。 测试台主要仪表的选择根据GB/T 5773—2016，主要测试元件参数如表1所示。
通过对喷油螺杆氦气压缩机进行试验测试，在吸/排气压力1/16bar（A）工况下，压缩机绝热效率可达81%。对测试结果进行不确定度分析有助于判断测试结果的准确性，本次测试的不确定度分析包括多次测试不确定度和仪表不确定度，以二者合成不确定度为准，经过计算，相对不确定度为2.57%。
5 结束语 喷油螺杆氦气压缩机关键技术在于型线的设计、间隙的优化和喷油冷却设计。通过新型线的开发和优化设计，获得了匹配的接触线长度和泄漏三角形。该型线的开发初步解决了氦气螺杆压缩机的内部泄漏的关键难题，提高了容积效率和绝热效率。
该喷油螺杆氦气压缩机的研制成功，可以促进我国深低温制冷领域的快速发展。产品的型线优化设计和机组配置布局都存在一定的优化空间，随着产品的升级换代，更稳定更高效的喷油螺杆氦气压缩机将可以更好的服务于我国氦气深低温制冷领域。
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