氦氣膨脹機(jī)具有微型化、高轉(zhuǎn)速、低振動、長壽命等特點(diǎn)，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(jī)的主要特點(diǎn)：進(jìn)口介質(zhì)溫度低，膨脹比大，尤其在小流量時(shí)，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(yán)格。

 

中國從事氦透平膨脹機(jī)的研究工作開始于上世紀(jì)70年代，是為了航天事業(yè)的發(fā)展而進(jìn)行的，國內(nèi)研制的第一臺氦透平膨脹機(jī)應(yīng)用于空間環(huán)境模擬器KM4中。該透平膨脹機(jī)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(jìn)行升級改造，用透平膨脹機(jī)代替長活塞膨脹機(jī)，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(jī) 該透平膨脹機(jī)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(dá)到50萬轉(zhuǎn)每分鐘以上，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)轉(zhuǎn)速最高尺寸最小的氦透平膨脹機(jī)。 

 

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(jī)，工作輪直徑35mm，軸承軸徑25mm，制動風(fēng)機(jī)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(jìn)行的低溫( 液氮級) 空氣試驗(yàn)中，最高轉(zhuǎn)速大于13萬轉(zhuǎn)/分，絕熱效率達(dá)68%，在設(shè)計(jì)工況下的絕熱效率大于70%，在出口溫度12.817K時(shí)，膨脹機(jī)的效率高達(dá)75%，最大制冷量接近2000W。

 

此膨脹機(jī)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(jī)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(jī)循環(huán)運(yùn)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(jī)制動操作簡單，可調(diào)性能好，無需輔助系統(tǒng)。該膨脹機(jī)共進(jìn)行多次常溫調(diào)試實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了三次低溫測試：常溫測試主要測試膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機(jī)械性能；低溫測試主要測試膨脹機(jī)整機(jī)的熱力學(xué)性能。整機(jī)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(jìn)行三次低溫測試，對于測試暴露的問題進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)和完善，第三次測試一次成功。

 

測試完成的透平膨脹機(jī)將用于東方超環(huán)2千瓦氦制冷機(jī)中，接受東方超環(huán)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步檢驗(yàn)。氦透平膨脹機(jī)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(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。此次全氣體軸承氦透平膨脹機(jī)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(jī)有著重要的意義。