透平膨胀机

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；（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； 1、​ 概述 1、​ 两个概念 （1）焓： ：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：示工质做功的能力； 工质从一种状态到另一种状态： 。 （2）熵：衡量两种状态可逆程度（理解性）； 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 ， ①低温工质温度下降50~70℃，焓降： ②对外作功： 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： 实际气体状态方程： ①过程方程： a.​ 理想气体的绝热等熵过程： 即 K是气体常数， 气体定压比热容； 气体定容比热容； b.​ 实际气体的绝热等熵过程： c.​ 实际气体的绝热非等熵过程： ：速度系数； ②流量的连续性方程： ：质量流量； ：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： 向心叶轮： 离心叶轮： 轴流式： 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； 对膨胀机通流部分进行 序号 参数 出口 组件 压力 温度 焓值 速度 备注 1 冷端蜗壳 2 导流器 能量转化为气体速度能 3 膨胀叶轮 能量转化传递给主轴到增压端 4 扩压器 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： ； b.温降： ； c.焓降： ； 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 任何状态下的该式均成立，但只有在参数下运行，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： ； 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 4、工作转速<0.75 或》1.25 ； 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： ； （2）悬臂端的长短：长 ， ； （3）轴上零件的重量：重量大， ；重量小， ； 7、主轴的结构 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；