透平膨胀机要点

透平膨胀机1. 概述；2. 透平膨胀机组组成；3. 透平膨胀机本体组成；4. 透平膨胀机基本理论；5. 透平膨胀机各部分的详细结构分析；（通流部分，机体，制动端）6. 辅助设备：电、仪、控；7. 透平膨胀机操作及常见故障分析；一、 概述1、 两个概念（1）焓：PV U h +=U ：内能是动能和位能之和，动能：分子运动；位能：工质分子间的相互作用力；P ：工质压力； V ：质量体积；PV ：表示工质做功的能力；工质从一种状态到另一种状态：21h h h -=∆。

（2）熵：衡量两种状态可逆程度（理解性）； 222111,,,,T V P T V P →熵不变化：可逆程度100%； 熵增加：越大，可逆程度越低；对膨胀机来说熵增小，则说明膨胀机的膨胀效率高； 熵只有不变或增加，不会变小，即熵增原理； 透平：靠旋转作功的一类机械； 2、 工作原理绝热等熵过程如下图：工质从2211,,T P T P →，21T T >①低温工质温度下降50~70℃，焓降：21h h h -=∆ ②对外作功：h ∆转化为动能，增压机或风机的动能；3、 膨胀过程与压缩过程两个过程是互逆过程； 膨胀过程：工质：压力降低，焓值降低，温度降低，对外输出功；压缩过程：工质：压力增加，焓值增加，温度升高，需要外功；4、应用领域两种作用的利用：①低温工质：空气分离，液化装置，航空领域；②回收功：（增压轮，电机发电）高炉气（煤气透平发电），石化；制冷循环：两个等压换热过程，一个等温压缩过程，一个等熵膨胀过程；如下图： 1~2：等温压缩 2~3：等压换热 3~4：等温膨胀 4~1：等压换热 如右图：2~6，3~5 是等焓线透平膨胀机在空分中的应用：空分中冷量主要来自膨胀机，其他冷量来自节流； 低压流程：90%以上的冷量来自膨胀机； 中压流程：80%以上的冷量来自膨胀机； 高压流程：84%以上的冷量来自膨胀机； 透平膨胀机的特点：①转速高：3~4万转/分，有的气体轴承膨胀机可达70万转/分； ②体积小：表面积小；③效率高：国产：85%~87%，国外：90%以上；④无机械接触：一般轴外径小于轴承内径10~15微米。

油轴承：油站：提供油润滑；油强制循环带走摩擦热及细小金属屑； 气体轴承：在轴承上打一些孔，通上氮气或空气；摩擦力小，但气膜承载能力小，稳定性差，加工要求特别高； 磁悬浮轴承：5、活塞式膨胀机流程：高压气体——汽缸——膨胀作功——活塞——输出功；适合特点：①高压小流量；②作功不连续；③阻力损失大；④机械摩擦效率低；⑤活塞环更换频繁；6、透平膨胀机分类①按工作原理分：②按制动方式分：风机制动：气量不大的场合使用；油制动器制动：通过改变油压、油量；增压机制动：电机制动：7、透平膨胀机组（1）透平膨胀机体（一台）；（2）冷箱：膨胀机本体自带的小冷箱；（3）油站：（4）膨胀机前的过滤器：（5）增压机前的过滤器：（若制动风机制动，风机有消音器）8、透平膨胀机流程（1）工质气体气路：膨胀端：进口管细，出口管粗；增压端：进口管粗，出口管细； （2）油管路：油分离器：蓄能器：内部有一气束； （3）密封管路：密封加密封气； 密封气沿轴表面可形成气封；密封气压力高于油压和高于膨胀端进气压力； 中高压膨胀机中：密封气直接排入大气；低压膨胀机中：密封气进入回流系统，通过油烟机外排； 9、透平膨胀机的结构（1）流通部分：冷端蜗壳，导流器（喷嘴），膨胀叶轮，扩压器； （2）机体部分：机身，轴承，密封； （3）制动器：蜗壳，叶轮，扩压器；转子：10、透平膨胀机的基本理论理想气体状态方程：RT Pv = 实际气体状态方程：zRT Pv = ①过程方程：a. 理想气体的绝热等熵过程： 常数=KPv即KKv P v P 2211=K 是气体常数，VPC C K =P C 气体定压比热容；v C 气体定容比热容；b. 实际气体的绝热等熵过程： 常数=KPvZRC C C C K V PV P -==c. 实际气体的绝热非等熵过程： 常数=nPv )1(2--=K K K n φφ：速度系数； ②流量的连续性方程：常数====CA A C A C q m ρρρ222111 m q ：质量流量；ρ：气体密度；C ：气体速度；A ：截面面积，与C 相垂直的截面面积；③动能方程叶轮进口速度三角形：11、膨胀机本体的结构（1）流通部分：蜗棵壳（冷端）、导流器、叶轮、扩压器； A ．冷端蜗壳：均匀布气，是使气体均匀分布到导流器周围。

按作用分类：①导向蜗壳：无能量转换（常用）； ②无叶喷嘴：有能量转换，即有焓降；按截面性质分类：圆形、矩形、梯形；蜗壳材料：铸铜、铸铝、铸钢；一般在1.5倍工作压力下做强度实验（用水等液体）；在1.1倍的工作压力下做气密性实验（用气体）；B ．导流器：气体膨胀，压力能转换为速度能，产生焓降；要使气体以一定角度进入工作轮；形式可分位a.固定式：导流器叶轮是固定的b.可调式：固定盘、叶片、滑动盘。

可调式导流器的组成：a 。

导流叶片：一般8片：叶片安装在固定盘与滑动盘之间；b ．固定盘：c ．滑动盘：滑动盘另一面有销柱，销柱与一拉杆连接，拉杆与一气动薄膜调节阀连接；每两个叶片形成的通道成为喷嘴； 喷嘴分为：①进口段：加工制作要圆滑；②气体段：主要制冷膨胀段，有收缩型、收扩型； ③倾斜段：C ．扩压器：出膨胀叶轮的速度高（50m/s ），速度能空分上无法利用，且摩擦损失大，以热能传给低温气体，使低温气体发生温升，还是对空分不利的。

采用扩压器就是将军、的气体速度到5~10m/s ，经扩压器后的气体温度略有升高，压力也略有升高，焓值略有升高。

D ．膨胀叶轮：1、膨胀叶轮分类：a.开式：只有叶片，轮骨，无轮盘，适应恶劣环境，效率低；b.半开式：有轮盘和叶片+轮骨：有利于提高轮子的临界转速；c.闭式：有轮盘，叶片+轮 +轮骨；效率高；临界转速提高的好处：给工作转速提供了更为宽的工作范围，工作转速与临界转速越接近，越易产生工震。

2、作用：气动工作轮中，继续膨胀，同时把膨胀功传递给主轴，降低3、叶轮流道的组成a.主体段：气体膨胀的主要部分；b.导流段；两段构成了径-轴流式叶轮。

4、叶轮进出口速度三角形5、轮周功：222222121222221u u w w c c W -+-+-= 向心叶轮：21u u > 离心叶轮：21u u < 轴流式： 21u u =因此，通常选用向心叶轮； 6、叶轮中的流动损失摩擦损失：与气体速度、叶轮流道表面加工粒度等有关； 分离损失：主要与流道的形状有关； 二次流损失：气体因速度的不均匀，会发生与主流式气体相垂直的由低压到高压想交流的气流；尾迹损失： 7、叶轮的加工a.铸造：粗糙，效率低；b.铣制：用数控机床，主轴联动，光洁度好，效率高，轮盘与叶轮一起铣制成型，然后将轮盖与其它钎焊；c.整体铣制：不仅效率高，而且强度高（国内没有）；8、超速实验：检查焊缝的强度； 9、单体动平衡实验；从上表可以看出，温度最低点、压力最低点在叶轮出口处。

膨胀机： a.膨胀比：4P P =ε； b.温降：40T T -； c.焓降：40i i -；二、机身1、机身：铸件：主要起定位支撑的作用： ◇轴承进油孔：打通，与内部相通； ◇轴承测温孔：一般成45°夹角，测温度靠轴承止推面，测温孔不打通； 测温元件用铂热电阻或预埋式： 铂热电阻：允许温度70℃；预埋式：精确，允许100℃；注意：设备检修时要注意更换形式；◇密封气进口2个；◇密封气出口2个：A．低压可以不设密封气出口，使其进入油箱，通过油气分离器外排；B．中压若不设置密封气出口，因其气量较大，在通过油气分离器因分离不完全会带走大量的油，使得油耗增加，因此要设出口；◇测速探头插孔：1个；◇间隙压力导出孔：1个；与密封气压力稍稍大于间隙压力；◇测振孔：大型膨胀机上使用：2个；膨胀机上孔很多，检修、安装时千万不要接错，要确定好；2、轴承用滑动轴承较多，一般是线接触；◇径向轴承；◇止推轴承：承受转子轴向力；一般将两者作成整体，为止推径向轴承；分类：径向轴承：按内孔形式：a．圆柱轴承：径向面是圆柱的；b．椭圆轴承；径向是椭圆的，使油膜成契行；c．错位轴承：由两个半圆组成，单独合成整圆，安装时是错位的；d．可倾瓦轴承：e．多油叶轴承：三油叶轴承；止推轴承的分类：a．斜平面轴承；b．可倾瓦轴承：用的很少；按轴承结构形式不同可分为：整体式：尽可能选用整体式的；剖分式：3、密封（1）轴封：密封和主轴共同构成的轴封；锯齿型铅基合金密封密封原理：轴旋转起来，锯齿嵌入铅基合金，铅基合金较软，会填入轴上的凹槽，起密封作用，当此密封效果减弱时，还通过密封气密封，是双保险；安装时：锯齿型铅基合金间隙为5~8微米，技术水平高的可打3微米； （2）轮盖密封：轮盖与密封共组成轮盖密封：密封原理：漏气进入蜜蜂，进行膨胀降压，逐级下降，最后接近为零； （3）轮背密封：叶轮轮背和静密封共同构成； 静密封：有铜环+铅基合金组成； 密封机理：与轴封相似；轮背密封可以减轻轴封的压力；轮背、锯齿与静密封间隙为10~15微米； 作用：a.防止喷嘴后气体泄露，使气体不能沿轴向窜动，进入轴承，避免冻坏轴承；b.对平衡轴向推力有一定影响；c.可有效的降低密封气的压力；运行过程中要尽可能的增加增压端的压力，在不发生喘震的情况下，有利于减少膨胀机的轴向推力，对膨胀机运行有利；三、制动端制动轴承膨W W W +=任何状态下的该式均成立，但只有在设计参数下运行，该等式的效率最高； 增压透平膨胀机对增压透平膨胀机来说，发生喘振的条件： ①进入增压机的流量小； ②高压比：特别大； ③高转速；膨胀机的喘震是指增压端，膨胀端不存在喘震条件，正常运行时，回流阀是全关的；四、转子1、转子包括以下部件： 主轴、膨胀轮、增压轮、2、主轴材料：CrNiMoA 40；3、临界转速：分几阶，对工作有用一般是一阶、二阶； 对一个转动的零件或组成件均具有其固有的临界转速，在临界转速上运行，振动大。

一阶临界转速为S N4、工作转速<0.75S N 或》1.25S N ；5、钢性轴：工作转速低于转子的一阶临界转速；柔性轴：工作转速高于转子的一阶临界转速； 6、轴及轴上零件对转子临界转速的影响 （1）轴的直径D ：↓↓↑↑S S N D N D，；，；（2）悬臂端的长短：长↑，S N ↓；（3）轴上零件的重量：重量大，S N ↓；重量小，↑； 7、主轴的结构测速孔装叶轮、装轴承、轴上止推面，三个的加工粒度要求高，它关系到轴转动的平衡；加工后要对轴进行探伤检查；五、油站1、油箱：容积的大小一般是8~10倍的油泵的体积流量；2、油泵：（电机驱动）3、蓄能器：事故停车时，短期内为机器供油；4、油冷却器：一般管壳式的，水走管程，油走壳程；5、油过滤器：过滤粒度10微米；6、电加热器：一般油温低于15℃不允许运行；7、油气分离器： 油站示意图如下：六、安全装置紧急切断阀（所有保护信号全部用于控制紧急切断阀）（1）开车前：油压过低，连锁紧急切断阀是不能打开的；（2）报警系统：轴承温度、供油压力、转速；（3）停车系统；连锁停车的顺序：（1）全开增压机回流阀；（2）3s内关进口紧急切断阀；七、膨胀机的操作开车前的准备；1、检查膨胀机组内部，并保证清洁，清洗邮路管线系统管道；2、给油箱注入GB11120-89规定的L-TSA32号汽轮机油，并达到正常油面；3、检查膨胀端，增压端各进口管过滤器正确安装，内部清洁；4、检查油过滤器是否清洁；5、检查各级仪、电线路装置连接是否正确；6、检查各阀是否正确开关位置；7、检查密封气管路安装正确，尤其是单向阀门方向及其形式；8、检查紧急切断阀是否灵活；9、检查喷嘴拉杆的行程；10、对油路系统进行循环清晰（膨胀机处短接）；1、开车前检查a．油箱油面指示量：80%以上；b．加温气体阀关闭；c．紧急切断阀关闭；d．膨胀机进出口阀关闭；e．油箱油温≥15℃，否则要接通电加热器；f．轴承温度：≥15℃，否则要升温：采取油循环；用加温吹除系统整机加温；g．润滑油系统工作正确；h．增压端回流阀全开；2、开车a．接通密封气源；b．接通仪、电、控电源；c．启动油泵，调整油压：回流阀：主要通过量调节；节流阀：主要通过油压调节；d．给油冷却器通冷却水：（可根据实际情况顺序做调整）e．开膨胀即出口、进口阀；（顺序反易冲坏波纹管：出口波纹管承压能力有限）f．开增压机出口阀、进口阀；g．缓慢打开紧急切断阀；h．缓慢打开可调喷嘴的调节阀，同时逐渐关小增压端的回流阀；过程中密切注意轴承温度、转子振动、转速、各点温度、压力等；3、停车a．全关增压机回流阀；b．关闭喷嘴叶片；c．关紧急切断阀；d．关膨胀端、增压端的进口阀、出口阀；4、停车后的处理a．保持密封气、润滑油供应，保持仪、电、控为工作状态；b．关进出口阀，打开喷嘴调节阀，和紧急切断阀；c．打开加温吹除阀；d．进行加温反吹；e．当露点低于负40度时可以关闭反吹；f．停止润滑油供应；g．15分钟后停密封气；。