1、孫 武透平膨脹機系統孫 武透平膨脹機系統 眾所周知，絕熱等熵膨脹（氣體在膨脹機中絕熱膨脹對外做功，由于同外界沒有熱量的交換，是個等熵過程）是獲得低溫的重要效應之一,也是對外做功的一個重要熱力過程,而透平膨脹機則是實現接近絕熱等熵膨脹過程的一種有效機械.目前,從空調設備、低溫環境模擬到空氣與多組分氣體的液化分離以及極低溫氫、氦的液化制冷,都有透平膨脹機的實際應用。 在能源的綜合利用方面,透平膨脹機作為回收能量的機械也得到了廣泛的應用.例如石油催化裂解再生氣透平膨脹機、化工尾氣透平膨脹機、煙氣透平膨脹機、天燃氣透平膨脹機、液化天燃氣透平膨脹機、液化天燃氣冷熱發電透平膨脹機等。 眾所周知，絕熱等熵膨

2、脹（氣體在膨脹機中絕熱膨脹 透平膨脹機是利用工質流動時速度的變化進行能量轉換的,因此也稱為速度型膨脹機.工質在透平膨脹機的流通部分中膨脹獲得動能,并由工作軸輸出外功,因而降低了膨脹機出口工質的內能和溫度.工質在工作輪中膨脹的程度稱為反動度.具有一定反動度的膨脹機就稱為透平膨脹機。 空壓站膨脹機為杭氧生產的透平膨脹機，利用工質污氮作為驅動介質，使膨脹機高速旋轉。膨脹機的主要目的是為海南煉化提供液氮及氮氣。 透平膨脹機是利用工質流動時速度的變 利用有一定壓力的氣體（氮氣）在透平膨脹機內進行絕熱膨脹對外做功而消耗氣體本身的內能，從而使氣體自身強烈地冷卻而達到制冷的目的。透平膨脹機輸出的能量由同軸的增

3、壓機、發電機回收或制動風機等消耗（本空壓站為制動風機）。 膨脹機主要是被用來生產冷量造成低溫，其工作的對象主要是氣體。當氣體具有一定的壓力和溫度時。就具有一定的能量，即由壓力而體現的勢能與由溫度所體現的動能。這兩種能量總稱為內能，而膨脹機主要的作用是利用氣體通過膨脹機的過程中的內能降低并對外輸出功。并由于氣體內能的降低并對外輸出功使氣體的壓力和溫度大幅度降低從而達到制冷與降溫的目的。 膨脹機主要的工作是在噴嘴及葉輪中完成。噴嘴是一種由多個精心設計的葉片所組成的噴射通道（即噴嘴流道）。當高壓的氣體通過噴嘴流道時，由于噴射作用使氣體的速度迅速上升并可達到音速，而氣體的壓力和溫度則很快下降。從而達到

4、降溫的目的。 利用有一定壓力的氣體（氮氣）在透平膨脹機內進行 葉輪則是接受從噴嘴出來的高速氣體，由于噴嘴出來的氣體其速度達到或超過音速，而且溫度已經大幅度降低，當高速氣體沖擊葉輪的葉片時，使葉輪高速轉動。葉輪是一個由多個葉片所組成的轉子，氣體從半徑方向流入，而從與主軸軸線平行方向流出，稱為徑軸流葉輪。葉輪中每兩個葉片圍成一個通道。葉輪的通道是經過精心的設計，而且是漸漸擴大的。當高速、低溫的氣體通過葉輪通道時，由于高速轉動。使氣體的速度很快下降，同時氣體在不斷變大的通道中流動時壓力也進一步下降，因為壓力與速度下降使氣體的內能的降低，這樣氣體溫度進一步大幅度降低。從而達到降溫與制冷的目的。由于膨脹

5、機葉輪的飛速轉動，帶動了與膨脹機葉輪在同一軸上另一端的制動風機葉輪的轉動，利用了膨脹機發出的功率，而且也控制了膨脹機的轉速。（本膨脹機制動風機端出、入口都連接大氣） 由于膨脹機中氣體通過的時間極短，來不及與周圍環境交換熱量所以可以認為它是在接近絕熱等熵的條件下工作的。因而具有很高的絕熱效率。 葉輪則是接受從噴嘴出來的高速氣體，由于噴嘴出一、按結構形式分1、活塞式膨脹機：通稱容積型，其特點是適宜于小流 量、高壓力、大膨脹比工況；缺點是復雜、體積大、易損件多、操作維護復雜。2、透平膨脹機：通稱速度型，其特點是轉速高、體積小、重量輕、結構簡單、易損件少、因而制造維修工作量小，適宜于大流量、中高壓力而

6、初溫較低。二、按工作原分1、沖動式：膨脹過程幾乎完全在靜止的噴嘴中進行。2、反作用式：膨脹過程不僅在靜止的噴嘴中進行，還在葉輪中進一步膨脹。三、按氣流流動方向分1、徑流式：氣體在垂直于旋轉軸的平面 內沿半徑方向流動；2、軸流式：氣體沿著平行于工作輪旋轉 軸方向流動；3、徑軸流式：氣體由徑向流入工作輪而 由軸向流出。一、按結構形式分四、按照透平膨脹機制動方式1、可分為風機制動透平膨脹機、增壓機制動透平膨脹機、電機制動透平膨脹機和油制動透平膨脹機。五、按照透平膨脹機軸承的不同形式1、可分為油軸承透平膨脹機、氣體軸承透平膨脹機和磁軸承透平膨脹機等。六、按照工作輪（膨脹端葉輪）結構分 1、如果工作輪葉

7、片的兩側具有輪背和輪蓋,則稱為閉式工作輪, 2、輪蓋沒有只有輪背的稱為半開式工作輪, 3、輪蓋和輪背都沒有的,或輪背只有中心部分而外緣被切除的,則稱為開式工作輪.只有在應力很大的場合才采用開式工作輪,利用外緣的切除來降低離心力.低溫裝置中開式工作輪的應用并不普遍。四、按照透平膨脹機制動方式1、氣體在蝸殼中的流動： 進入蝸殼的介質速度較小，蝸殼一般設計成無能量轉換型，只是將氣流均勻地分配并導入噴嘴環，起導向作用。圓形和矩形截面使用的較多，其他還有梯形、三角形截面。2、氣體在噴嘴中的流動：在透平膨脹機中為了使工作輪能有效地獲得盡可能大的動量矩。噴嘴總是按圓周分布、且有一定的傾斜角。氣體在噴嘴中完成

8、的能量轉換約占總量的50%左右，它是膨脹機的重要部件之一。 3、氣體在工作輪中的流動： 工作輪的作用主要是使工質在葉輪中進一步有效膨脹做功，并同時把這部分能量和工質動能有效地轉換為機械功，并通過軸輸出，同時，還應把膨脹后的氣體平穩地導入到擴壓器中。主體段中氣體的流向主要是輪緣處向中心的徑向流動，而導流段氣體為軸向流動。1、氣體在蝸殼中的流動：4、氣體在擴壓管中的流動： 為了使工作輪的設計具有較高的效率，現代透平膨脹機的葉輪出口排出的氣流絕對速度可達45-70m/s。若直接將工質排到管道中，將會引起很大的摩擦損失，從而增大冷損，為此設擴壓器，將氣流速度降到5-10m/s，起降速擴壓的作用。杭氧膨

9、脹機課件 膨脹機是一種高速轉動的機械，為了保證它的效率與可靠性，必須特別注重其葉輪、噴嘴、軸承、密封的設計與制造。 一臺膨脹機主機的基本結構的剖面圖。主機主要由膨脹機蝸殼、轉子、噴嘴、傳動機構、軸承、密 封、機身及密封件等組成。下面分別介紹這些另部件的工作原理，基本結構及要求。 膨脹機是一種高速轉動的機械，為了蝸殼 ：蝸殼直接固定在底架上并支承膨脹機主機及增壓機（制動風機端）。蝸殼內容納了膨脹機葉輪和噴嘴環。在排氣側有一壓圈借助一彈性壓緊機構而壓在噴嘴葉片上，使噴嘴葉片的端面沒有間隙。（現場為單蝸室蝸殼）彈簧壓縮量：1.62.0mm，壓縮量變小必須更換，不然將因為噴嘴與擴壓器不平行，導致噴嘴間

10、隙過大，造成氣量損失，及噴嘴與相對擴壓機摩擦。蝸殼 ：蝸殼直接固定在底架上并支承膨脹機主機及增壓機（制動風當膨脹機轉速超過21030r/min時，膨脹機連鎖停機。轉子：由主軸、膨脹機工作輪、制動風機葉輪及軸封組成，通常采用的是雙旋臂轉子，即兩個工作輪外伸在兩個軸承之外，轉子式透平膨脹機的核心部件，除要求良好的空氣動力性能外，由于它是高速轉動零件，還要求有較高的動平衡精度及要求自振頻率（臨界轉速）遠離其工作轉速。當膨脹機轉速超過21030r/min時，膨脹機連鎖停機。轉子 噴嘴：透平能量轉換的主要部件，近年來均采用葉片可以轉動 的可調噴嘴，以調節流道的通流面積，從而調節氣量。 材料為3Cr13或

11、2 Cr13等。 噴嘴：透平能量轉換的主要部件，近年來均采用葉片可以轉動 密封：一般分為內密封和軸密封。內密封為膨脹端葉輪與擴壓器之間的密封，減小驅動氣體泄漏，如圖（5-39）。軸密封為膨脹機軸承箱兩端密封，避免膨脹段的冷氣體向常溫段的軸封泄漏，不僅造成冷損失而且會使軸承的潤滑油凍結而造成損壞，因而采用軸封加以阻止。軸封形式為迷宮密封，一種非接觸式動態密封，圖（5-40）（本站膨脹機軸封形式為a，中間通密封氣）。密封器徑向間隙為：0.040.06mm，間隙超標必須更換密封器。膨脹端及風機端軸密封都通有密封氣，密封氣壓力0.04MPa。密封氣小于該壓力可能導致密封不嚴，可能導致軸承箱進入冷態介質

12、氣。密封：一般分為內密封和軸密封。內密封為膨脹端葉輪與擴壓器之間 在膨脹機（膨脹端）排氣側，為防止噴嘴與工作輪間的氣體不經工作輪而直接泄入擴壓室，在工作輪端設置了密封，同時在工作輪背面，為防止低溫帶壓氣體向外泄漏，設置了石墨襯料內軸封，能保證很小的間隙值。因此，為了控制氣體的泄漏，必須向軸封中通入密封氣體（干燥空氣或氮氣），其壓力要根據間隙壓力的大小來控制。因此設置一差壓控制閥，調整時應使密封氣壓力比間隙壓力高。以防止軸封中發生竄流。間隙壓差是間隙壓力和膨脹機出口的壓差，當膨脹機間隙壓力與膨脹端出口壓力壓差0.21MPa時，壓縮機連鎖停機，并及時查明原因，從根本上解決問題。 在膨脹機（膨脹端）

13、排氣側，為防止 間隙壓力是指膨脹機葉輪背面與渦殼之間的壓力，是進入膨脹機的壓力空氣經噴嘴與葉輪之間的間隙漏入的，它的高低與機前壓力、膨脹機轉速、密封氣壓力都有關系，如果間隙壓力大幅增高，或劇烈抖動，說明膨脹機已經帶液，原因是機內液滴在高速旋轉葉輪的離心力作用下，被甩到葉輪邊緣并急劇汽化壓力迅速提高，并通過噴嘴與葉輪之間的間隙進入葉輪背面與渦殼之間，造成間隙壓力升高并抖動。間隙壓差指間隙壓力與出口壓力的差值。對間隙壓力特別注意，間隙壓力與出口壓力之間的壓差與止推軸承的負荷有直接關系，提供一控制器（壓力表）來監視該壓差。該壓差不得超過其規定的最大值。 如果測得的間隙壓力高于正常值，可能有以下原因：

14、 （1）實際運行參數偏離設計值。 （2）安裝不正確。 （3）液體進入噴嘴和葉輪間的空間。 （4）膨脹機葉輪流道有“冰”堵現象。 為防止間隙壓力過高引起機器故障，因此在出現間隙壓力過高時必須查明原因，及時處理。 間隙壓力是指膨脹機葉輪背面與渦殼傳動機構：調節轉動噴嘴的角度，以改變噴嘴流道的面積而設定，膨脹機流量調節是通過一執行機構改變噴嘴角度來實現的。噴嘴寬度與閥桿行程的設定有關閥桿通常有手動及遙控兩種。 傳動機構：調節轉動噴嘴的角度，以改變噴嘴流道的面積而設定，膨軸承：支撐主軸并保證主軸順利穩定運轉，為了保證主軸的軸向定位并承受一定的軸向力，除徑向軸承外，還有推力軸承，常用的有油及氣體軸承。油

15、軸承（潤滑油潤滑軸承）：承載能力大，可靠性好，軸承線速度可達70米/秒。油軸承具有承載能力必須具備三個條件：存在油楔、具有相對運動、油有一定的粘性。氣體軸承（空氣潤滑）：用于小型高速轉子空壓站透平膨脹機徑向和止推軸承，是按水力學油膜潤滑理論設計的，只要安裝正確并提供清潔而充足的潤滑油，它們就能保證轉子的良好運轉而不致磨損。軸承的排油經回油管回入油箱。軸承溫度用鉑電阻溫度計測量。 膨脹機徑向支持軸承、推力支持軸承監測溫度75時，膨脹機連鎖停機。膨脹機膨脹端軸承（內軸承）溫度15 時（冷態介質氣可能進入軸承箱），儀表連鎖低報。軸承：支撐主軸并保證主軸順利穩定運轉，為了保證主軸的軸向定位軸承使用標準

16、如下： 徑向軸承間隙：0.040.056mm，推力軸承間隙：0.1350.175mm。 軸承超過標準必須更換，因該軸承為不可修復軸承。 軸承使用標準如下：潤滑油自油箱由油泵輸入進油管，經油冷卻器和切 換式濾油器后分配到各潤滑點，再經回油管回到油 箱。另外，設置一蓄油器，油泵開動時，自行充油， 再以保證油壓降低聯鎖停車時必要的潤滑。通過回 流閥( 控制油箱回流閥開度)可以調整油壓。潤滑油要求使用按GB11120-89的L-TSA32汽輪機油。 為保證機器用油的品質，在運行200小時后要進行 第一次油更換，此后在濾油器清潔的前提下，至少 一年換油一次。只有在油的特性經檢查確認良好的 前提下，才可延

17、長換油時間。 潤滑油供油壓力為：0.18-0.3MPa， 潤滑油壓力低于0.18MPa時，系統油壓低報，另外一臺油泵自動啟動。 潤滑油壓力高于0.30MPa時，系統油壓高報，安全閥自動打開。潤滑油箱油溫15 時，儀表連鎖低報。潤滑油箱油溫 25 時，儀表連鎖高報。 潤滑油自油箱由油泵輸入進油管，經油冷卻器和切在膨脹機膨脹端進口處設置一緊急切斷閥，其目的是在膨脹機處于危險狀態時，能在很短的時間（1.0秒）內切斷氣源（氮氣）而使其快速停車，起到安全保護作用。 在膨脹機膨脹端進口處設置一緊急切斷閥，其目的是在膨脹機處于危杭氧膨脹機課件杭氧膨脹機課件 杭氧膨脹機課件從膨脹機制冷量的公式，可以看出Q=G

18、h0s如果改變制冷量Q，可以通過改變氣體的流量G、等熵焓降h0及其等熵效率s三個因素中的任何一個來實現。通常把改變膨脹氣體在進出口狀態參數的調節，稱為質的調節；改變氣體流量的調節稱為量的調節。 1、進口節流調節 通過進口調節閥開度的變化，改變膨脹機前的氣流壓力，從而膨脹機的焓降h0及其等熵效率s同時發生變化，以實現調節產冷量的目的。 、轉動噴嘴葉片角的流量調節 這種調節是利用轉動噴嘴葉片，因而改變其流通面積，達到改變膨脹機的流量，從而改變其制冷量。 、改變轉速 通過關小回流閥來改變膨脹機的轉速，達到調節冷量的效果。從膨脹機制冷量的公式，可以看出Q=Gh0s1、膨脹量： 膨脹量越大，影響氧提取率，氧提取率越底，膨脹量需同時滿足冷量平衡及精餾工況的需求。2、機前溫度： 提高機前溫度，