超导托卡马克低温氦透平用气体轴承的热力学与动力学耦合机理研究

For the helium turbo-expander of superconducting Tokamak cryogenic system, the operating speed is high and the temperature of the working wheel is low. Thermodynamic problems effect on the dynamics is considered during the stability analysis of gas bearing. That has the important practical significance. This project uses the method of theoretical calculation, numerical simulation and experimental testing based on the Reynolds lubrication equation to study the thermal phenomena and the inner thermodynamic mechanism for the static gas bearing of helium turbo-expander. The coupling model of the thermodynamic characteristics and the dynamic characteristics of the narrow gas film is established, and the coupling mechanism of the thermodynamics and dynamics of gas bearing is revealed. Finally optimization design of the gas bearing has been obtained .This study will bring theoretical basis for the design of helium turbo-expander.and support system in future.And it has the great significance for the large helium cryogenic system for future China Fusion Engineering Experimental Reactor.

超导托卡马克低温氦透平膨胀机运行转速高，工作轮端温区低，在分析气体轴承动态稳定性时考虑轴承转子相关热力学问题以及其对于稳定性的影响具有重要的现实意义。本项目将基于雷诺润滑方程，利用理论分析、数值模拟与实验相结合的方法，揭示大型低温系统氦透平膨胀机的静压气体轴承热力学过程与内部的机理问题，建立其热力学特性与狭窄气膜动态特性的耦合模型，揭示气体轴承热力学与动力学耦合机理，充分研究气体轴承动态稳定性的相关问题，最终起到优化轴承设计的作用。通过研究，可为今后发展全气体轴承氦透平膨胀机奠定坚实的理论基础，并对未来发展聚变堆大型氦低温系统有着重要的意义。

本研究以超导托卡马克低温氦透平膨胀机用静压气体轴承工作时特殊工况为切入点，分析气体轴承系统热力现象与特性，建立气体轴承热力学与动力学耦合模型，将传热边界条件带入方程求解，研究轴承气膜的温度场分布。根据上述计算模型，针对项目组研发的氦透平膨胀机径向气体轴承、止推轴承进行性能分析与优化设计。基于有限元方法开展静压气体轴承的数值模拟分析，推导了离散格式的静压润滑Reynolds方程，并通过此方法对静压气体轴承的静态和动态性能进行了数值研究。搭建气体轴承低温测试平台，用于研究不同供气压力和不同轴承供气温度下轴承-转子系统的动态特性和稳定性。进行轴承静态与常温动态机械性能的测试，并在实验平台上进行低温性能测试，证明了系统的可行性。上述研究结果总结出一套氦透平用气体轴承性能研究方法，应用在项目组500W氦透平膨胀机、电涡流氦透平膨胀机的设计研发过程中，起到优化轴承设计和提供理论基础的作用。