氦氣膨脹機具有微型化、高轉(zhuǎn)速、低振動、長壽命等特點，在制冷溫度和制冷量上都有著不可替代的優(yōu)勢。氦氣膨脹機的主要特點：進口介質(zhì)溫度低，膨脹比大，尤其在小流量時，工作葉輪直徑小，膨脹比焓降大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性和動平衡要求嚴格。

 

中國從事氦透平膨脹機的研究工作開始于上世紀70年代，是為了航天事業(yè)的發(fā)展而進行的，國內(nèi)研制的第一臺氦透平膨脹機應(yīng)用于空間環(huán)境模擬器KM4中。該透平膨脹機采用了單級徑－軸流反動型式，轉(zhuǎn)子直徑為24.5mm，長徑比為40/25，靜壓供氣，其介質(zhì)為氦氣，鼓風(fēng)制動。

 

在80年代對后期對我國早期的空間環(huán)境模擬器KM3進行升級改造，用透平膨脹機代替長活塞膨脹機，采用中科院低溫中心研制的自作用氣體軸承氦透平膨脹機 該透平膨脹機采用動靜壓混合式氣體軸承，提高了軸承的穩(wěn)定性，又減少了軸承氣的消耗量( 小于3%) ， 轉(zhuǎn)速能達到50萬轉(zhuǎn)每分鐘以上，是當時國內(nèi)轉(zhuǎn)速最高尺寸最小的氦透平膨脹機。 

 

90年代末期西安交通大學(xué)為空間環(huán)境模擬器KM6研制的氦透平膨脹機，工作輪直徑35mm，軸承軸徑25mm，制動風(fēng)機輪直徑60mm，采用靜壓氣體軸承，軸承氣采用氦氣，由流程中直接引出，采用止推盤在中間的單止推結(jié)構(gòu)在進行的低溫( 液氮級) 空氣試驗中，最高轉(zhuǎn)速大于13萬轉(zhuǎn)/分，絕熱效率達68%，在設(shè)計工況下的絕熱效率大于70%，在出口溫度12.817K時，膨脹機的效率高達75%，最大制冷量接近2000W。

 

此膨脹機是中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所低溫工程與技術(shù)研究室與杭州一公司聯(lián)合研制而成，采用全氣體軸承、風(fēng)機制動、止推盤端置結(jié)構(gòu)，制動循環(huán)采用葉輪制動的閉式循環(huán)、水冷結(jié)構(gòu)。全氣體軸承膨脹機循環(huán)運行過程中沒有摻入任何雜質(zhì)，不影響循環(huán)氦氣的純度。風(fēng)機制動操作簡單，可調(diào)性能好，無需輔助系統(tǒng)。該膨脹機共進行多次常溫調(diào)試實驗并進行了三次低溫測試：常溫測試主要測試膨脹機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機械性能；低溫測試主要測試膨脹機整機的熱力學(xué)性能。整機常溫測試結(jié)果良好，軸心渦動振幅最大值不超過0.008毫米。在等離子體所氦透平測試平臺上共進行三次低溫測試，對于測試暴露的問題進行及時改進和完善，第三次測試一次成功。

 

測試完成的透平膨脹機將用于東方超環(huán)2千瓦氦制冷機中，接受東方超環(huán)實驗的進一步檢驗。氦透平膨脹機是東方超環(huán)低溫系統(tǒng)核心部件，也是自主研發(fā)大型氦制冷機的關(guān)鍵設(shè)備。此次全氣體軸承氦透平膨脹機測試成功，預(yù)示著研究所具有研制全氣透平的能力，對未來自主研發(fā)大型氦制冷機有著重要的意義。