浅谈增压透平膨胀机
高莉娜（四川简阳瑞特机械设备有限公司）
摘要：本文介绍了增压透平膨胀机的基本原理、结构、分类和设计方法。
关键词：增压透平膨胀机 原理 分类 设计方法
一、前言
透平膨胀机是低温法空分设备及气体分离和液化装置的重要部机之一。膨胀机的变革、发展和进步必然会促使低温法空气分离、气体分离和液化装置等成套装置的变革、发展和进步。透平膨胀机利用工质流动时速度的变化进行能量转化，因此也称为速度型膨胀机，有时也称为涡轮膨胀机。它具有高转速、低温、压差大等工作特点，优点是体积小、重量轻、效率高、噪音小、节能省电、操作方便、运转时间长、无油污染等，因而得到广泛应用。
在制动方式方面，除过去采用的电机制动、风机制动外，现成功开发了增压机制动。采用这种制动方式的透平膨胀机性能可靠、运行平稳，得到广大用户的一致好评。
二、增压透平膨胀机原理和结构
增压透平膨胀机主要由膨胀机通流部分、增压机部分和机体三部分组成。膨胀机通流部分是获得低温的主要部件，包括蜗壳、喷嘴、膨胀轮和扩压器；增压部分是透平膨胀机功率消耗元件；机体起着传递、支撑和隔热的作用。由膨胀轮、增压轮和主轴等旋转零件组成的部件称为转子。膨胀轮和增压轮悬挂在主轴两端，为双悬臂式转子。
透平膨胀机将来自上游的高压气体膨胀为低压气流，连续不断地将动能转化为机械能。高速气流使叶轮旋转，再通过由轴承支撑的转轴将机械能传递给压缩机制动消耗。工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮输出外功，从而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。

1扩压器、2透平蜗壳、3膨胀轮、4可调喷嘴、5机体、6增压轮、7增压机蜗壳
图1油轴承增压透平膨胀机
三、增压透平膨胀机的分类及说明
增压透平膨胀机根据轴承型式分为气体轴承增压透平膨胀机、油轴承增压透平膨胀机、磁悬浮轴承增压透平膨胀机三类。
气体轴承增压透平膨胀机工作原理是将气体作为润滑剂，在轴和轴承之间构成气膜，使活动面与静止面避免直接地接触。用压缩工质在膨胀机内绝热膨胀直接产生冷量获得低温，补偿装置中的各种冷量损失。气体轴承具有无污染、摩擦损失低、适应温度范围广、运转平稳、使用时间长等诸多优点，能大大提高透平膨胀机的经济性、运转可靠性及结构工艺性。故在氢、氦低温透平膨胀机中获得广泛应用，在小型空分装置中也得到推广。
油轴承增压透平膨胀机的结构见图1，主要由供油系统、密封气系统、增压透平膨胀机主机和仪控系统四部分组成。油轴承承载力（200×104Pa）要比气体轴承（（1.0~50）×104Pa）高很多，一般用于大、中型增压透平膨胀机中。
磁悬浮轴承增压透平膨胀机转子由两端的径向磁悬浮轴承和中间的止推磁悬浮轴承所支撑。为了防止磁轴承失去磁性时刮伤迷宫密封以及在主电源和返回式电池电源都失电时能保护设备，在轴的两端还安装了抗摩擦轴承。这些轴承从膨胀端和压缩端漏入中间室的气体冷却。冷却了磁轴承后的气体再用管路送回主供气压缩机或者循环压缩机。因此，在这个过程循环中没有气体损失。
磁悬浮轴承增压透平膨胀机与油轴承增压透平膨胀机的区别：
1） 磁悬浮轴承增压透平膨胀机不需要润滑，没有油泵、油过滤器、油冷却器、自力式压力调节阀、温控阀等组成的供油系统，对过程气体没有任何污染，因此对后继设备（如换热器等）无任何威胁。
2） 磁悬浮轴承增压透平膨胀机与油轴承增压透平膨胀机相比，降低了轴承耗功，改善循环效率。
3） 磁悬浮轴承增压透平膨胀机启动方便，容易保管维护，可靠性好。
4） 磁悬浮轴承增压透平膨胀机在控制方面较复杂。在国内，绝大多膨胀机厂家均无实力展开规模性生产。
5） 用于空分装置的磁悬浮轴承增压透平膨胀机造价比油轴承增压透平膨胀机高，在LNG装置中磁悬浮轴承增压透平膨胀机造价则比油轴承增压透平膨胀机低。

图2 磁悬浮轴承增压透平膨胀机
四、增压透平膨胀机设计方法
在满足工艺过程要求的条件下，增压透平膨胀机应达到安全和经济的目标。增压透平膨胀机的设计主要分为透平膨胀机热力计算、气动计算、变工况特性计算、结构计算和增压机的相似模化计算。
热力计算的目的是为了确定各个特征点上的热力参数，并最终确定膨胀机通流部分主要零件的基本尺寸。由于开始时缺乏足够的依据和数据资料，一般先要进行预计算和方案比较。众多的未知参数会引起计算的复杂化，甚至不可能获得合理的结果。因此通常都是先按一元流动来处理。部分参数预先加以取定，在计算过程中随时注意所得到的结果和原故取值之间有无显著的区别，如果存在差别，则应予以重新估取，反复迭代。
在热力计算的基础上确定的基本尺寸，并不一定是合理的。特别是按一元流动方法求得的流道形状不一定都符合实际的流动要求。因此应作进一步的气动计算。通过气动计算检查流道是否合理，校验所估取的各种损失系数尤其是速度系数是否与估取值相符。并且进而提出改进措施，修改设计。
在获得较为满意的气动性能后，为了满足使用的要求，还应进行变工况特性计算，以了解该透平膨胀机在变工况时的性能。如果不能满足设计要求，同样需要修改设计。
在性能上可以令人满意后，接下去便可以进行结构设计。这时同样带有一定的经验性质。例如主轴各段直径及长度、工作轮轮盘厚度、叶片厚度、壳体厚度等一般都参照经验范围或母型机估取。然后，再对主零件进行强度、刚度、振动等方面的校核计算。在透平膨胀机中，特别需要加以注意的是工作轮的强度、轴承的性能和转子-轴承系统的临界转速与稳定性问题。这种校核计算的结果有时会使原有的尺寸作适当改变，因为在结构的校核计算中通不过机器在实践中是行不通的。
根据掌握的多个性能优良的三元流增压机模型机，在较宽的马赫数范围内知道它们的性能曲线，利用相似模化方法设计简单性能可靠。
透平膨胀机热力计算、气动计算、变工况特性计算、结构计算和增压机的相似模化计算可手工、PROII软件、CFD气动分析软件、ANSYS软件等完成。增压透平膨胀机设计、制造、检验和验收应按照JB/T6894-2000《增压透平膨胀机 技术条件》 JB/T5904.1-1999《低压透平膨胀机 技术条件》 JB/T5904.2-1999《低压透平膨胀机 制造技术要求》 等标准进行。
五、总结
国内增压透平膨胀机的设计、开发和生产，主要是依附于成套空分设备和其他气体设备的发展，与国外产品存在一定的技术差距，主要体现在：带液透平膨胀机的开发应用；效率、增压比和轴承损失等方面；全液体透平膨胀机、磁悬浮轴承透平膨胀机方面。仍需投入大量资源、努力吸收国外先进技术，加强软、硬件建设，依靠高素质的技术队伍和雄厚的技术实力，采用国际通用的技术规范进行设计、制造和检验透平膨胀机产品，走专业化生产设计道路；不断开发出性能优良的增压透平膨胀机产品，促进国内成套空分设备和气体产业的发展，缩短其与国际先进水平的差距。
参考文献：
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