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透平膨胀机

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透平膨胀机

透平膨胀机是一种输出功率并使压缩气体膨胀因而压力降低和能量减少的原动机。通常，人们又把其中输出功率且压缩气体为水蒸气和燃气的这一类透平膨胀机另外称为蒸气轮机和燃气轮机(例如，催化裂化装置中的烟气轮机即属于此类)，而只把输出功率且压缩气体为空气、天然气等，利用气体能量减少以获得低温从而实现制冷目的的这一类称为透平膨胀机(涡轮膨胀机)。此处所指的透平膨胀机即为后者。

由于透平膨胀机具有流量大、体积小、冷量损失少、结构简单、通流部分无机械摩擦件、不污染制冷工质(即压缩气体)、调节性能好、安全可靠等优点，故自20世纪60年代以来已在NGL回收及天然气液化等装置中广泛用做制冷机械。

(一) 透平膨胀机简介

1. 结构

图5-4为一种广为应用的带有半开式工作叶轮的单级向心径-轴流反作用式透平膨胀机的局部剖视图。它由膨胀机通流部分、制动器及机体三部分组成。膨胀机通流部分是获得低温的主要部件，由涡壳、喷嘴环(导流器)工作轮(叶轮)及扩压器组成。制冷工质从入口管线进入膨胀机的蜗壳1，把气流均匀地分配给喷嘴环。气流在喷嘴环的喷嘴2中第一次膨胀，把一部分焓降转换成动能，因而推动工作轮3输出外功。同时，剩余的一部分焓降也因气流在工作轮中继续膨胀而转换成外功输出。膨胀后的低温工质经过扩压器4排至出口低温管线中。图5-4中的这台透平膨胀机采用风机作为制动器。制动空气通过风机端盖8上的入口管吸入，先经风机轮6压缩后，再经无叶括压器及风机涡壳7扩压，最后排入管线中。测速器9用来测量透平膨胀机的转速。机体在这里起着传递、支承和隔热的作用。主轴支承在机体11中的轴承座10上，通过主轴(传动轴)5把膨胀机工作轮的功率传递给同轴安装的制动器。为了防止不同温度区的热量传递和冷气体泄漏，机体中还设有中间体12和密封设备13。由膨胀机工作轮、制动风机轮和主轴等组成的旋转部件又称为转子。此外，为使透平膨胀机连续安全运行，还必须有一些辅助设备和系统，例如润滑、密封、冷却、自动控制和保安系统等。

透平膨胀机的等熵效率是衡量其热力学性能的一个十分重要的参数。压缩气体流过膨胀机进行膨胀时，如果与外部没有热交换(即绝热过程)，同时对外做功过程又是可逆的，则必然是等熵过程。这种理想过程的特点是气体膨胀并对外做功，且其比熵不变，膨胀后的气体温度降低，同时产生冷量，亦即产生焓降，从而实现制冷目的。

通常，人们把膨胀机中转换为外功的焓降称为膨胀机的制冷量。对于NGL回收及天然气液化装置用的透平膨胀机来说，主要目的是要获得尽可能多的制冷量。但是，由于有各种内部损失存在，实际膨胀过程是熵增大的不可逆过程(多变过程)，因而使得透平膨胀机的实际制冷量比等熵膨胀时的理论制冷量要少。

透平膨胀机的实际焓降就是它的实际制冷量。透平膨胀机的实际焓降△hact(即透平膨胀机进、出口气体实际比焓之差)与等熵膨胀的理论焓降幽。(即从透平膨胀机进口状态等熵膨胀到出口压力下的进、出口气体比焓之差)之比称为透平膨胀机的等熵效率(绝热效率)，常以ηs表示，即

ηs=△hact/△hs (5-1)

式中ηs——透平膨胀机的等熵效率，以分数表示；

△hact——透平膨胀机的实际焓降，kJ/kg；

△hs——透平膨胀机的等熵焓降，kJ/kg。

对于制冷用的透平膨胀机来讲，人们还关注其实际制冷量(即制冷功率或制冷负荷)的大小。透平膨胀机的实际制冷量Qact为

Qact=m△hact=mηs△hs (5-2)

由此可知，对于进、出口条件和气体质量流量一定的透平膨胀机来讲，等熵效率越高，所获得的实际制冷量就越大。因此，等熵效率是衡量透平膨胀机热力学性能的一个十分重要的参数。等熵效率一般应该由制造厂家提供。由于使用透平膨胀机的主要优点是既可回收能量，又可获得制冷效果，故其转速要调整到使膨胀机具有最佳效率。对于向心径-轴流反作用式透平膨胀机，其等熵效率约在70%～85%，而增压机的效率约为65%～80%。

实际上，影响透平膨胀机实际制冷量的因素除了内部损失外，还存在外泄漏、外漏冷等外部损失和机械损失。当透平膨胀机密封结构良好并有密封气体时，外泄漏量不大。外漏冷在机壳隔热良好时也可忽略不计。机械损失并不影响透平膨胀机的实际制冷量，但却影响其输出的有效轴功率或制动功率。在考虑机械损失后，透平膨胀机的有效轴功率职为

We=mηe△hs (5-3)

ηe=ηsηm (5—4)

式中We——透平膨胀机的有效轴功率，kJ/h；

ηe——透平膨胀机的有效效率，以分数表示；

ηm——透平膨胀机的机械效率，以分数表示，一般取0.95～0.98。

有效轴功率是选择制冷用透平膨胀机制动器功率大小的主要依据之一。

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透平膨胀机

1. 概述目前低温技术应用非常广泛，从航天到超导，从气体分离到能量回收等，而低温能量的获得主要依靠气体的膨胀，特别是气体的等熵绝热膨胀，透平膨胀机则是实现这一膨胀的一种有效设备，现已广泛地应用到气体液化分离、能量综合利用等方面。2. 膨胀机的型式2.1 活塞式膨胀机：通称容积型，其特点是适宜于小流量、高压力、大膨胀比工况；缺点则是结构复杂、体积大、易损件多、操作维护复杂。2.2 透平膨胀机：通称速度型，其特点是转速高、体积小、重量轻、结构简单、易损件少，因而制造维修工作量小，适宜于大流量、中高压力而初温较低。3. 按工作原理分为：3.1 冲动式：膨胀过程完全在静止的喷嘴中进行；3.2 反作用式：膨胀过程不仅在静止的喷嘴中进行，还在叶轮中进一步膨胀。4. 按气流流动方向分为：4.1 径流式：气体在垂直与旋转轴的平面内沿半径方向流动；2.2 轴流式：气体沿着平行于工作轮旋转轴方向流动；4.3 径轴流式：气体由径向流入工作轮而又轴向流出。

轴流式 径流式 径轴式

3. 透平膨胀机基本结构及工作原理3.1 基本结构膨胀机由通流部分、制动器及机身三部分组成：（1）膨胀机通流部分：蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器。（2）制动器：压缩机、风机或电机。（3）机身：支撑和隔热作用。3.2 工作原理3.2.1 气体在喷嘴中的流动设置喷嘴的目的是使气流的动力能转变为气流的速度能并且使气流降温，在喷嘴前后存在着压差，这些压差推动着气流流动。当气流通过喷嘴时，由于减压膨胀而使焓值降低，即使压力、温度下降，这些焓降转变成气流的动能，使在喷嘴出口处气流获得巨大的速度，因此喷嘴主要解决的问题是保持合理的形状以减小各种损失。喷嘴在结构上可分为三段：即进口段、主体段、出口段。主体段又可分为2类：渐缩喷嘴（当喷嘴出口马赫数小于等于1）缩放喷嘴（当喷嘴出口马赫数大于1）3.2.2

透平膨胀机 2

透平膨胀机 2

透平膨胀机，是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。

原理

其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。我们平常用气筒打气会发现筒身发热,那是因为活塞压缩气体气体放热,如果反之其原理就类似于膨胀机了(更确切的说是活塞式膨胀机).透平膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或制动风机消耗。

扩展资料：

膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得冷量的机械。 [1] 膨胀机常用于深低温设备中。膨胀机按运动形式和结构分为活塞膨胀机和透平膨胀机两类。活塞膨胀机主要适用于高压力比和小流量的中小型高、中压深低温设备。

活塞膨胀机：活塞式膨胀机是通过气体膨胀推动活塞向外界输出功以产生制冷量的机器。工质在气缸内推动活塞输出外功，同时本身内能降低。因此，膨胀机也是一种气体发动机，所不同的是以使气体冷却获得冷量为主，利用机械功是次要的。一般来说，活塞膨胀机多适用于中、高压小流量领域。活塞式膨胀机广泛应用于空分装置及液化装置，尤其是在高压、小体积流量条件下。1934年前苏联的卡皮查提出用活塞式膨胀机替代液氢进行预冷实现氦气液化，真正实现则

是到了20世纪50年代，美国的Collins做出了带活塞式膨胀机预冷的氦液化器，但该产品在低温下活塞和气缸容易卡住，难以稳定工作。针对这个问题，1962年，中国科学院物理研究所低温物理研究室（中国科学院理化技术研究所前身）周远提出采用室温密封长活塞结构替代原卡皮查结构的方案，并于1964年研制成功，实现了带活塞式膨胀机预冷氦液化器的稳定运行，1965年获得生产推广。

透平膨胀机制冷原理

透平膨胀机制冷原理

透平膨胀机制冷原理

透平膨胀机是一种利用气体的膨胀来实现制冷的装置。其工作原理基于热力学第一定律和第二定律。

首先，透平膨胀机通过压缩机将制冷工质(一般为制冷剂)压缩成高温高压气体。然后，将高温高压气体输入到膨胀机中。

膨胀机内部有一个透平叶轮，当高温高压气体通过叶轮时，气体的内能被转换为动能，从而推动叶轮转动。透平叶轮与发电机或压缩机直接相连，通过叶轮的转动产生机械功或电功，实现能量转换。

在透平叶轮的作用下，高温高压气体膨胀为低温低压气体。由于能量守恒定律，气体的内能减少，同时温度也降低。膨胀后的气体一般以液体或气体形式排出，作为焚烧废气或继续进行能量转换的过程。

总体来说，透平膨胀机制冷原理是通过将高温高压气体经过透平叶轮膨胀，将气体的内能转换为动能的同时降低温度，从而实现制冷的目的。

增压透平膨胀机工作原理

增压透平膨胀机工作原理

增压透平膨胀机工作原理

当流体进入透平机械时，由于进口导叶的导向作用，流体被引导进入膨胀腔，同时增压透平膨胀机内部的叶片也开始旋转。当叶片开始旋转时，膨胀腔内的流体被叶片抛离，并随着叶片的旋转逐渐加速。

在增压透平膨胀机的工作过程中，流体的压力和温度将随着流体的加速逐渐升高。当流体通过膨胀腔的出口导叶时，其压力和温度达到最高点。

膨胀腔内的流体由于叶片的推动而不断加速，当流体通过出口导叶时，其速度超过了流体的声速，产生了超声速流动。此时，流体经过出口导叶的扩张管道，压力逐渐降低，流体的动能被转化为机械能，从而实现了对流体的增压。

首先，由于进口导叶的导向作用，流体被引导进入膨胀腔。进口导叶的角度可以根据需要进行调整，以确保流体能够顺利进入膨胀腔。

其次，膨胀腔内的叶片开始旋转，将流体抛离，并随着叶片的旋转逐渐加速。叶片的形状和数量可以根据需要进行设计，以达到最佳的工作效果。

其三，流体在膨胀腔内被加速，其压力和温度逐渐升高。这是因为膨胀腔内的叶片产生的离心力的作用，使流体加速并增加了流体的动能。

最后，流体经过出口导叶的扩张管道时，其速度超过了声速，并逐渐减小了压力。这是因为出口导叶的形状和角度的设计，使流体扩张并将其动能转化为机械能，实现了对流体的增压。

总之，增压透平膨胀机通过旋转叶片和适当的导向装置，将流体的动能转化为机械能，实现对流体的增压。其工作原理主要包括流体进入、叶片旋转、加速和扩张等过程。这种设备广泛应用于能源、化工、航天等领域，对于提高流体压力和温度具有重要意义。