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氦气喷油式螺杆压缩机关键技术初步解决方案

金晶晶;胡忠军;王炳明;李青;龚领会

【摘要】针对氦气螺杆压缩机容易泄漏、油气换热等关键技术问题,采用缩紧主机

三大间隙及新型线开发、喷油雾化冷却等技术,有效减少了转子内漏和流动损失,提

高了热力学效率和可靠性.初步解决了氦气分子量小带来的极易泄漏以及绝热指数

高带来的压缩热大的两大技术难点.针对中型氦液化器常用机型,在喷油冷却特性研

究、转子型线优化、机组方案优化等基础上,试验测试结果表明,获得了接近国际先

进水平的容积效率和绝热效率.

【期刊名称】《低温工程》

【年(卷),期】2016(000)006

【总页数】7页(P29-35)

【关键词】大型低温;氦气压缩;喷油式螺杆压缩机;型线

【作者】金晶晶;胡忠军;王炳明;李青;龚领会

【作者单位】中国科学院理化技术研究所北京100190;中国科学院低温工程学重

点实验室北京100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院理化技术研究所

北京100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京100190;中国科学院理化技

术研究所北京100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京100190;中国科学

院理化技术研究所北京100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京100190;

中国科学院理化技术研究所北京100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京

100190

【正文语种】中文

【中图分类】TB652

近年来，随前沿科学的发展，大型低温系统在大科学工程等领域的应用越来越多，

规模越来越大。低温系统一旦出现故障，由于复温和降温需要一个较长恢复周期，

整个大科学装置将陷于瘫痪，后果通常比较严重。低温系统中的运动设备，主要是

压缩机和膨胀机，它们的可靠性在一定程度上决定了整个低温系统的可靠性。和膨

胀机一样，压缩机也是大型低温系统的核心部件，其效率和寿命决定了整个大型低

温系统的基本性能。大科学装置也曾经出现过由于雷击引起电网波动造成氦气压缩

机停车的故障。

自从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(Tevatron)”

低温系统中引入喷油式氦气螺杆压机后，喷油螺杆压缩机凭借着大容量、低振动、

高可靠性等优势，基本替代了活塞式等其它类型压缩机在大型低温工程中的应用

[1]。氦气螺杆压缩机通常是在空气螺杆压缩机的基础上通过特殊的改造设计制成。

目前林德公司和法液空公司的氦液化器产品广泛采用德国凯撒(KAESER)公司的系

列化产品。掌握这种技术的还有美国寿力(SULLAIRCORP)、德国艾岑(AERZEN)、

英国豪顿(HOWDEN)、日本前川(MYCOM)等。其中，一些非标研发的凯撒机型，

由于和林德等排他性协议，不对中国用户单独出口。即使允许出口到中国的产品，

除了价格昂贵，还施行最终用户的限制，禁止使用在航天、核技术、国防等应用领

域。这将严重制约和限制了中国大型低温技术及其相关应用领域的发展。近年来，

中国已经逐步成为全球螺杆主机的制造中心，国内在制造的工艺装备，精密的试验

检测设施上与国外基本一致[2]。中国虽然拥有了国际上生产高质量转子的加工设

备，但性能水平和制造质量仍落后于国际同行，关键是设计技术跟不上。主机设计

技术，主要是转子型线设计技术。因此，像氦气介质这样技术含量高和对螺杆压缩

机有特殊要求的产品却仍不能满足国内需求。

中国在氦螺杆压缩机方面尚无成熟的产品提供，主要由于氦螺杆压缩机的研制难度

大，更重要的原因是与国外相比中国大科学工程的起步晚。早在1997年大型环模

装置KM6中曾经有过氦气螺杆压缩机改制的先例，但是轴封泄漏、油路堵塞和油

分效果等问题都没有解决[3]。2003年武汉新世界制冷公司(今属大连冰山)为中国

科学院等离子所EAST项目改制了氦气螺杆压缩机，性能也不稳定[4]。国内外相

关氦螺杆技术的研究，主要集中在实际运行状况热力性能分析、节能优化分析、喷

油参数优化研究等方面[5]，缺乏对转子内部泄漏规律等深层研究。理化所在国家

重大科研装备研制项目(一期)“大型低温制冷设备研制”中，也开展了小型氦气压

缩机样机的研制工作[6]，整机效率仍然比国际水平低很多。进一步研制具有中国

自主知识产权的高性能氦螺杆压缩机意义重大。在国家重大科研装备研制项目(二

期)“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”实施过程中，理化所积极推进联

合研发性能先进的氦气喷油式螺杆压缩机