氦透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证

作者：张泽; 周楷淼; 付豹; 陈双涛; 陈良; 侯予^*

来源：真空与低温, 2023, 29(05): 498-503.

• 氦气
• 透平膨胀机
• 相似理论
• 变工质

由于氦透平膨胀机在设计工况下进行低温性能测试的实验平台和配套设施很难满足要求，且低温工况较难达到，因此通常用膨胀机在空气中的实验来检验其性能，并通过相似模化方法得到膨胀机低温下的性能。通过分析工质在透平膨胀机中的流动及能量转化过程，发现特性比U1/CS、膨胀比P1/P2、马赫数Ma、雷诺数Re是影响膨胀机性能的关键参数。结合相似理论，以透平膨胀机变工况性能预测程序计算结果为依据，筛选出了以U1/CS为第一相似准则，以Ma、k-1·Ma-2、Ma·k-1、k·Ma2作为第二相似准则的四组相似准则数。以流体动力学计算结果为依据，从四组相似准则中选择出了模化误差最小的相似准则，即U1/CS与Ma·k-1组合。结果表明：相似模化前后氦气与空气透平膨胀机间等熵效率的最大误差在±1.4%以内，且在内部流场预测(马赫数、速度分布)等方面具有良好的模化效果；氦透平膨胀机在设定工况下和空气透平膨胀机在相似模化工况下的等熵效率实验数据显示，两者变化趋势一致且误差小于1%。

• 单位
  西安交通大学; 中国科学院等离子体物理研究所