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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 另惟动平衡试验，其允许的重心偏移量＜0.3ym2、 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0.05Mpa5、 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ior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°C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。

2)、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50C冷却通常用水或空气为保证冷却效果，通常 多用水冷却4) 、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5) 、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口处，由不锈钢丝网滤芯制成，功能是防止较大的固体颗粒进入油泵而损坏油泵，第二组在油冷却器出口处，是系统的主过滤器 主过滤器为双筒过滤器，二组可以切换使用，它要求的过滤精度 为5ym主要是保护主机的轴承第三组在主机的供油口前主 要为防止主过滤器后的管道及油压容器内的残留的少量机械固体 颗粒进入主机，一般用单筒过滤器6) 、油气分离器；主机的密封气往往与润滑油一起进入油箱，经过油箱的初步分离后，再进入油气分离器后进一步分离，使排出的密 封气中基本上不含润滑油。

7) 、溢流阀；为保护油泵及供油系统的容器的安全，在油泵出口处设置有一溢流阀，当管道因某钟原因而不畅通时，在油泵的供油压 力超过油泵的最高工作压力时，能自动的打开泄油孔，使油压很 快下降，以保护油泵及设备四、 膨胀机的密封供气系统；密封供气系统由进口阀、节流减压阀、密封气 过滤器及分配管组成密封气过滤器是由滤芯及壳体组成由于密封气直接进入主轴密 封轴套处，因而要求密封气内的固体颗粒直径少于5ym五、 膨胀机的仪控保护系统；为了膨胀机的安全运行，膨胀机机组设置了一系列安全保护系统，首先 机组要求在膨胀机入口处设置有紧急切断阀，并由仪控系统来控制紧急 切断阀，也可以用手动按钮来控制并要求该阀在给予切断信号后，在6 秒钟内关闭，以保护膨胀机不被损坏膨胀机组要求在下列工况下进行报警及切断停车项目 正常 参数 膨胀机转速 设计转速 前轴承温度 <70°C后轴承温度 <70C膨胀机供油压力 >0.8Mpa报警参数1.1 X设计转速>70C>70C<0.4Mpa切断停车参数1.15 x设计转速>75C>75C<0.2Mpa(当油箱压力为0.0Mp啲条例下，否则应加上油箱压力)停电切断停车六、 膨胀机主机的操作及注意事项；1、膨胀机的正常开车6.1.1启动供油系统，保证供油压力在1.2-1.5Mpa(G)之间，供油温度在35C左右(不低于20C),必要时可调节油冷却器的水量及油冷却器的旁通 阀，油箱的油面应保持在液面计的 2/3 处，油过滤器两端的差压不得大于0.25Mpa,并检查各油压表是否正常，油路是否畅通。

6.1.2 检查膨胀机入口调节阀应处于全闭状态，增压机旁路调节阀应处 于全开状态6.1.3 打开膨胀机、增压机端进出口管道旁通阀开启膨胀机出口阀及 增压机进出口阀.6.1.4 缓缓开启膨胀机进口处调节阀，第一次开度约为10~20%，仔细观 察主机启动情况，当转速达到50%的设计转速时，保持10~30分钟观察各仪 表，判断运转是否正常，如有异常情况即关闭入口调节阀作紧急停车，待排 除故障后再进行启动，然后缓慢升速到 75%的设计转速,保持 1 小时，一切 正常后再缓慢升速,并逐步升速到设计转速，以后逐步关闭增压机及膨胀机 的旁通阀，并调节喷嘴开度以维持适当的进口压力及转速注意 ;第一次开 车应严格按此程序进行,以后日常开车可以直接缓慢地升速到规定转速.2、 正常运转6.2.1 正常运转的操作条件;轴承温度 <70 °C密封气压力 高于喷咀后压力 0.05Mpa供油压力 1.2~1.5Mpa(G)6.2.2膨胀机工况的调节6.2.2.1 膨胀机入口压力、气量的调节 当膨胀机入口压力及流量波动较大时，可以调节可调喷咀执行机构手柄来调 节可调喷嘴的开度，达到所需要的压力及流量，正常情况下应尽量减少喷嘴 的调节。

当手柄以逆时针方向转动时喷咀开大，气量增加、进口压力下降 反之气量减少、膨胀机入口压力上升膨胀机入口压力、气量的调节主要是 为了在现有的工况下最大地提高产量，因而调节时应尽可能保证较大的膨胀 比，膨胀比越大，焓降也越大，产生的冷量也越大，产量也越高但是如果 为了提高膨胀机的入口压力，增大膨胀比而将喷咀关得过少，那麽会使膨胀 机远离其设计工况，使膨胀机的效率大幅度下降，这样反而会减少膨胀机的 产冷量，而使装置的产量下降所以膨胀机工况的调节必须视各装置的各个 时期的具体情况而定6.2.2.2主机转速的调节 维持机组适当的转速是提高膨胀机效率及延长主机寿命的重要途径，转速的 调节可通过下列三种途径来实现调节喷嘴开度以改变机组的膨胀比及效率，从而改变转速；调节增压机旁通阀的开度改变增压机气量以调节转速；特别是当装置的 处理量增大时,这时由于膨胀机的总功率增大 ,膨胀机要吸收这些功率 ,就会 使转。