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透平膨胀机培训资料

一、 膨胀机的工作原理 工作原理

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心脏。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。透平膨胀机输出的能量由同轴的增压机、发电机回收或制动风机、油等消耗。

膨胀机主要是被用来生产冷量造成低温，其工作的对象主要是气体。当气体具有一定的压力和温度时。就具有一定的能量，即由压力而体现的势能与由温度所体现的动能。这两种能量总称为内能，而膨胀机主要的作用是利用气体通过膨胀机的过程中的内能降低并对外输出功。并由于气体内能的降低并对外输出功使气体的压力和温度大幅度降低从而达到制冷与降温的目的。

膨胀机主要的工作是在喷咀及叶轮中完成。喷咀是一种由多个精心设计的叶片所组成的喷射通道（即喷咀流道）。当高压的气体通过喷咀流道时，由于喷射作用使气体的速度迅速上升并可达到音速。而气体的压力和温度则很快下降。从而达到降温的目的。

叶轮则是接受从喷咀出来的高速气体，由于喷咀出来的气体其速度达到或超过音速，而且温度已经大幅度降低，当高速气体冲击叶轮的叶片时，使叶轮高速转动。叶轮是一个由多个叶片所组成轮子，气体从半径方向流入，而从与主轴轴线平行方向流出，称为径轴流叶轮。叶轮中每两个叶片围成一个通道。叶轮的通道是经过精心的设计，而且是渐渐扩大的。当高速、低温的气体通过叶轮通道时，由于高速转动。使气体的速度很快下降，同时气体在不断变大的通道中流动时压力也进一步下降，因为压力与速度下降使气体的内能的降低，这样气体温度进一步大幅度降低。从而达到降温与制冷的目的。由于膨胀机轮子的飞速转动，带动了与膨胀机轮子在同一轴上另一端的增压机叶轮的转动，增压机叶轮的转动压缩了通过增压机叶轮气体，增压机叶轮不仅压缩了气体，利用了膨胀发出的功率，而且也控制了膨胀机的转速。

由于膨胀机中气体通过的时间极短，来不及与周围环境交换热量所以可以认为它是在接近绝热等熵的条件下工作的。因而具有很高的绝热效率。

二、 膨胀机主机的结构与主要另部件 膨胀机是一种高速转动的机械，为了保证它的效率与可靠性，必须特别注重其叶轮、喷

咀、轴承、密封的设计与制造。图一是一台膨胀机主机的基本结构的剖面图。主机主要由膨胀机蜗壳、机身、增压机蜗壳、转子、可调喷咀、轴承、及密封件等组成。下面分别介绍这些另部件的工作原理，基本结构及要求。

1、 转子；转子是膨胀机的最重要部件。它直接关系到膨胀机的制冷效果、运转的稳定性、可靠性及使用寿命。转子是由膨胀机叶轮，增压机叶轮、密封轴套、螺帽及主轴组成。见图二。由于转子是在高速下运转，所以其高速下的稳定性是十分重要的，除了要提高其整个转子的抗振动性能外，还应对转子上的叶轮、主轴及转子的整体分别作动平衡试验，其允许的重心偏移量≤0.3μm.。

2、 可调喷咀；可调喷咀是由几个可以转动的喷咀叶片、装有叶片转动轴销的定位盘、活动盘、盖板等另件组成。由于叶片可以围绕定位盘的轴销转动，因而其由两叶片围成的喷咀流道面积的大小可以调节（见图三）。从而达到改变气量的目的。但是由于喷咀另件都是由不锈钢制成，相对活动过多容易造成磨损、拉毛而咬合。所以喷咀不适宜经常调节。

3、 轴承；膨胀机的转子是由轴承来支承的，为了使转子能长期稳定可靠地运转，轴承是个十分重要的另件。膨胀机的轴承多数采用动压油轴承，其结构及轴承与主轴之间的间隙大小对运转的稳定性及寿命有十分重要的关系，因而不能任意改变。

动压油轴承是一种非接触式的液体润滑轴承，它是依靠转子转动时的动压作用，使转子浮动在轴承上面，它依靠润滑油来维持轴与轴承之间的间隙。使轴与轴承不会由于接触而磨损，而且润滑油还冷却轴承，带走主轴因高速转动时与润滑油的磨擦而产生的热量。所以向轴承供给一定量的清洁的润滑油也是轴承正常工作的非常重要的工作。 4、 密封件；（这里主要是指主轴与机身之间的动密封）膨胀机是在高速低温的环境下工作的，如何阻止因低温气体进入轴承而使轴承润滑油冻结，及阻止因润滑油进入低温端因冻结而造成运行不正常及堵塞。所以膨胀机的密封也是很重要的工作。膨胀机的密封通常采用迷宫密封，即在主轴上或转子的轴套上设置居剌形的密封剌，而在机身上装有相对较软的用石墨或铅基合金制成的密封件。迷宫密封是一种动密封，它依靠密封剌与密封件间的0.01～0.05mm的间隙，使气体产生节流作用并造成压力的降低。达到密封的效果。所以迷宫密封一定有少量的气体的漏泄，为了减少气体的漏泄量，除了加强密封外，还应该尽可能降低密封气的入口压力，一般情况下，要求密封气的入口压力仅高于喷咀后压力约为0.05Mpa。

5、 机身；机身组成了膨胀机的外壳，并提供轴承、密封件、隔板、隔热板等等另件的安装场所。

6、 膨胀机蜗壳；膨胀机蜗壳主要是膨胀机工作气体的进出口通道，并使

膨胀气体均匀地分配给喷咀的各个通道。同时当低温气体流出膨胀机叶轮时通过一个扩张的锥管使气体的流速进一步下降，从而使压力有所上升。 7、 增压机蜗壳；增压机蜗壳主要是增压机工作气体的进出口通道。蜗壳在增压机叶轮的出口处设置有无叶扩压器，使增压后的气体减速，从而使增压后气体的压力进一步上升。 三、 膨胀机的供油系统；

1、 供油系统的要求；供油系统主要为膨胀机轴承提供一定数量的清洁的，又有一定温度要求的润滑油。由于膨胀机轴承的间隙仅为几十微米，而轴承对温度又有一定的要求，当温度过高时，润滑油会变稀，使轴承工作恶化甚至损坏。而温度过低时，润滑油会变稠，使转子转动阻力增加，轴承的功率损耗增加，不利膨胀机的工作，当温度低于10℃还会因润滑油流动困难而使机器损坏。因此要求供油温度在30--50℃之间。由于轴承的间隙仅为几十微米，所以要求润滑油内所含的固体粒子直径应当少于5微米。为了使轴承能正常工作还必须保证有一定的供油压力及供油量。一般的供油压力应大于0.5Mpa,供油量为20～60升/秒。 2、 供油系统的组成及工作；供油系统由油泵、油箱、油冷却器、油压容器、油过滤器、油气分离器、溢流阀、单向阀，测量仪表及其它的管道、阀门等组成。

⑴、 油泵；目前多数采用三螺杆泵，要求供油压力为2.5Mpa, 供油

量为60升/秒。三螺杆泵主要的优点是运行燥音少，密封好，基本上不漏油。 ⑵、 油箱；油箱不仅要求贮存油泵5分钟以上的油量，还兼作第一级

油器分离器。它还必须承受一定的压力。中低压膨胀机的油箱通常的工作压力低于0.6Mpa,容积为800升左右。 ⑶、 油冷却器；出机组的润滑油必须进过冷却，以保证进机组的润滑

油温度低于50℃。冷却通常用水或空气。为保证冷却效果，通常多用水冷却。 ⑷、 油压容器；油压容器为封闭的压力容器，其下部设置有进出口。

主要是为保证油泵突然停电或者迂到其它故障而不能继续供油时，依靠油压容器内贮存的压力油，继续供给主机一到二分钟的润滑油，以保证主机的安全。 ⑸、 油过滤器；设置油过滤器是为了过滤润滑油中的固体颗粒。以防

止这些颗粒进入油泵及主机的轴承，以保护油泵及轴承的安全运行，本系统共设置有三组油过滤器。第一组在油箱出口与油泵入