由財(cái)政部支持、中科院理化所承擔(dān)的國家重大科研裝備“大型低溫制冷設(shè)備研制”項(xiàng)目于2015年4月29日在理化所廊坊基地順利通過驗(yàn)收，中科院副院長張亞平參加驗(yàn)收會(huì)議，會(huì)議由條件保障與財(cái)務(wù)局局長吳建國主持。
大型低溫制冷設(shè)備是指制冷溫度20K（-253℃）及以下，制冷量幾百乃至萬瓦以上，集精密加工、氣體軸承氦透平膨脹機(jī)技術(shù)、低溫工程技術(shù)、高可靠安全連鎖調(diào)控系統(tǒng)為一體的低溫制冷系統(tǒng)。大型低溫制冷設(shè)備的特點(diǎn)是制冷量大，關(guān)鍵的膨脹制冷部件只能采用適合處理大流量工質(zhì)的透平膨脹機(jī)械，透平膨脹機(jī)工作在環(huán)境溫度與低溫制冷溫度之間，面臨一系列特有的問題，如，最高達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的超高轉(zhuǎn)速、工質(zhì)流速達(dá)幾百米/秒、存在臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，巨大溫度梯度條件下為減小漏熱需要減小截面尺寸，而增加超高速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定剛度則需要加大截面尺寸。最為重要的是如何在此苛刻工況條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有效的支撐超高速旋轉(zhuǎn)的透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子的方案與技術(shù)。常規(guī)軸承支撐方案無法應(yīng)對超高速運(yùn)行工況，只有采用高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械所形成的軸向與徑向氣體軸承，來懸浮支撐高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，并且在運(yùn)行期間，一直保持穩(wěn)定的氣體軸承的支撐力。
核心設(shè)備：氦透平膨脹機(jī)
低溫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)組的研究人員針對10kW@20K氦氣制冷機(jī)，在多年來氣體軸承透平膨脹機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高穩(wěn)定性氣體軸承技術(shù)，結(jié)合三元流優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮了該膨脹機(jī)流量大，壓降高的特點(diǎn)，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及徑向、止推軸承進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型及校核，保證了工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，止推軸承承載力大于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向力，滿足設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)要求。同時(shí)，針對噴嘴和工作輪的流通區(qū)域進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了流動(dòng)區(qū)域的壓力、溫度及速度分布圖，從結(jié)果中可以看出流通區(qū)域的溫度、壓力及速度場分布均勻合理，無明顯損失區(qū)域，出口狀態(tài)參數(shù)的預(yù)測滿足系統(tǒng)效率要求。繼而結(jié)合先進(jìn)的加工工藝，制造了一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先的氦透平膨脹機(jī)，采用該設(shè)備在20K溫度時(shí)達(dá)到10000瓦的制冷量，絕熱效率實(shí)測達(dá)到77%，滿足我國未來幾十年里各種大型低溫制冷設(shè)備的需求。
項(xiàng)目的成功實(shí)施，標(biāo)志著我國液氫溫區(qū)低溫制冷設(shè)備研發(fā)和制造能力邁上了新臺(tái)階，不僅可以滿足未來大科學(xué)工程、航天工程等國家戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展的迫切需要，而且可以促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。 專家一致認(rèn)為，該項(xiàng)目的完成打破了發(fā)達(dá)國家對液氫溫區(qū)大型低溫制冷技術(shù)的壟斷，錘煉出了一支集“研究開發(fā)、集成制造、工程應(yīng)用”于一體的大型低溫技術(shù)與工程團(tuán)隊(duì)，打造了初具規(guī)模的設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)基地，為進(jìn)一步自主發(fā)展我國更低溫區(qū)大型低溫制冷技術(shù)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。