透平膨胀机

透平膨胀机

1、空分设备配套膨胀机的基本要求及工作原理

绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程。而作为用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的膨胀机，则是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。

膨胀机可分为活塞式和透平式两大类。一般来说，活塞式膨胀机多用于中高压、小流量领域。而低中压、流量相对较大的领域则多用于透平膨胀机。

随着透平技术的进一步发展，中高压、小流量的大膨胀比的透平膨胀机在各领域也有越来越多的应用。与活塞膨胀机相对比，透平膨胀机具有占地面积小(体积小)，结构简单，气流无脉动，振动小，无机械磨损部件，连续工作周期长，操作维护方便，工质不污染，调节性能好和效率高等特点。

对空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补流，产品产量的有效调节等都使得为其提供充足冷量的膨胀机显得尤为重要，可以说它是空分设备的心脏部件之一。随着科学技术的不断进步，现代空分设备对膨胀机提出了更高的要求，更高的整机效率，更好的稳定剂调节性能，更安全级可靠的保护系统，更长的运行周期及使用寿命等等。特别是随着内压缩流程空分设备和液体、液化设备等广泛使用，中压甚至更高等级透平膨胀机使用的越来越多。这类产品膨胀机出口气体常带一部分液体，有的具有很大的膨胀比。

活塞膨胀机是利用工质在可变容积中进行膨胀输出外功，也称为

容积型膨胀机。工质在冷钢内推动活塞输出外功，同时本身内能降低。

透平膨胀机是利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量转换，也称为速度型膨胀机。工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。 2、透平膨胀机的分类

工质在工作轮中膨胀的程度，称为反动度。具有一定反动度的透平膨胀机就称为反动式透平膨胀机。如果反动度很小甚至接近于零，工作轮基本上由喷嘴出口的气体推动而转动，并对外做功，这种透平膨胀机被称为冲动式透平膨胀机。

根据工质在工作轮中流动的方向，透平膨胀机可分为径流式，径—轴式和轴流式；如图：

如果工作轮叶片两侧有轮盘和轮盖，则称为“闭式工作轮”没有轮盖只有轮盘的则称为半开式工作轮。轮盖和轮盘都没有的(轮盘只有中心部分)则称开式工作轮。

根据一台膨胀机中含的级数多少，可分为单级透平膨胀机和多级透平膨胀机。为了简化结构，减少流动损失，径—轴流式透平膨胀机

一般都采用单级或由几台单级组成的多级膨胀机。

按照工质在膨胀过程所处的状态，膨胀机可分为气相透平膨胀机和两相透平膨胀机。

按照透平膨胀机的制动方式，可分为风机制动透平膨胀机、增加制动透平膨胀机、电极制动透平膨胀机和油制动透平膨胀机。

根据透平膨胀机轴承的不同形式，可分为油轴承透平膨胀机、气体轴承透平膨胀机和磁轴承透平膨胀机等等。

现代空分设备上普遍采用的是向心径—轴流反动式透平膨胀机，它具有级的比焓降大，允许转速高，结构简单和效率高等特点。 3、透平膨胀机的基本方程和工作原理。

① 基本方程

实际气体流动的理论基础主要是由状态方程、连续性方程、动量方程和能量守恒方程建立起来的。 a. 状态方程

对于空分设备来说，透平膨胀机是一种低温机械，膨胀机的出口状态通常接近冷凝温度，有时出口气体已带有部分液体。这样在计算时就必须考虑到实际气体的影响。

实际气体的状态方程形式有很多的，大多数都很复杂，不便于工程上的计算。相对来说，在空分设备用透平膨胀机的计算中，利用压缩性系数Z来对理想气体状态方程进行修正是最方便的，精确也满足要求。

PV=ZRT

P—绝对压力，Pa V—气体比体积，m3/kg R—气体常数，J/(kg·k) T—气体温度，k b. 连续性方程

在透平膨胀机流道中，一般流道过程可简化为一元稳定管流。在一元稳定流动时，如果在流体经过的任意两截面间即没有流体加入，也没有流体排出，则在流道管内的每一个与流速方向垂直的截面上单位时间内流过的流体质量始终不变。

m=ρ1c1f1=ρ2c2f2 =常数 m——质量流量(膨胀气量)kg/s ρ——气体密度kg/m3

c1、c2——气体在两个状态下的速度，m/s f——垂直于c的流道截面积，㎡

从式中很容易看出，当流体体积、流量vc=mρ1一定时，流道面积和气体速度成反比关系。 c. 动量方程

在透平膨胀机的固定流道(比如喷嘴和扩压器)中，对于一元稳定流动，如式中所表示的动量方程得到广泛的应用。

1/2(C22-C12)=k/(k-1)ZRT[1-(P2/P1)n/n-1] 上式适用于摩擦的不可逆绝热流程。

对于某一旋转速度工作的膨胀机工作轮来说，可以导出一元稳定

流动时的动量方程式：

h1-h2=(w22-w12)/2+(u12-u22)/2

式中：h1-h2—工质在两个状态下的比焓J/kg w1，w2——工质在两个状态下的相对速度m/s u1,u2——工质在两个状态下的牵连速度(圆周速度)m/s 上式是计算透平膨胀机工作轮中流体流动的重要公式，它适用于一元稳定流动绝热非等熵热力过程。在工作轮的进出口相对速度w1和w2相同条件下，可以看出不同形式工作轮的工作情况。

不同形式工作轮的工作情况

叶轮形式 向心径流式工作轮 轴流式工作轮 离心径流工作轮 (u12-u22)/2 ＞0 ≈0 ＜0 由此可见，向心径流式工作轮具有最大的比焓降和温降。 d. 能量守恒方程

根据能量守恒定律，当工质在绝热膨胀过程中，与外界既无热量交换，又无动能传递，则膨胀过程始终的单位质量是不变的，即：

h1+C12/2=h2+C22/2=常数

式中C12/2，C22/2——工质在两个状态下的动能，J/kg

在透平膨胀机中，喷嘴和扩压器是固定元件，其内工质流速度的增加和减少是由工质的比焓变化来实现的。所以在理想情况下，工质在喷嘴和扩压器中的流动过程就属于这类流动。

4、工作原理：

透平膨胀机是一种高速旋转的热力机械，它是利用工质流动时速度的变化来进行能量转换的，因此也称为速度型的膨胀机。它由膨胀机通流部分，制动器及机体三部分组成。

工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀机获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。透平膨胀机主机剖面示意如图：

膨胀机工质由进气管进入蜗壳，被均匀的分配进入喷嘴，经过喷嘴膨胀，降低了压力和温度后进入工作轮，在工作轮中工质进一步膨胀做功然后经由扩压器排入膨胀机的出口管道，而膨胀功则由工作轮相连的主轴向外输出。由膨胀机主轴输出的能量可被用于驱动1台压缩机或1台发电机，如果输出的能量较小，则可用风机或由制动器来平衡能量，以使透平膨胀机有一个稳定的运行条件。

各参数在膨胀机通流部分的变化趋势，如图示：

5、膨胀机的通流部分

膨胀机通过流体部分是指膨胀机在整个膨胀过程中所流经的部分，如图所示，是工质进行能量转换的主要部件。膨胀工质在通流部分膨胀降温，同时将内能转换成外功输出。

① 气体在蜗壳中的流动

进入蜗壳的介质速度较小，且蜗壳一般设计成无能量转换型，只是将流体均匀地分配并导入喷嘴环，起导向作用。故保证蜗壳内出口介质的轴对称流动是蜗壳形式的基本设计条件。圆形和矩形截面蜗壳使用的比较多，其他形式还有梯形、三角形截面等。 ② 气体在喷嘴中的流动

喷嘴是由1组喷嘴叶片均匀分布而成的1组叶珊。在透平膨胀机中为了使工作轮能有效的获得尽可能大的动量矩，喷嘴总是按圆周分布，并且有一定的倾斜角。气体在喷嘴中完成的能量传换约占总量的50%左右，它是透平膨胀机的主要部件之一。

从结构上看喷嘴由三部分组成：进口段、主体段和出口段。. 进口段是把从蜗壳出来的气体导入喷嘴主体，在进口段去留速度

较小，能量转换很少。

主体段是气体膨胀的主要部分，根据膨胀比的大小可以使收缩型通道，也可以是缩—放型通道。

出口段是由出口正截面，单侧的叶型面和出口圆弧面组成的一个近似三角形的部分。实质上它是一段不完善的喷嘴流道，常称为斜切口。斜切口的形状将影响从喷嘴主体段出来气流的大小和方向。 a. 速度系数

气体在喷嘴内的实际流动过程不是等熵过程，流动损失是不可避免的，不仅有气体和壁面的摩擦，还有气流内部相互间的摩擦，这就引起了气流内部的能量交换。

气流的实际出口速度C1理想的出口温度C1s,动能转换成热量而使焓降减少。对于透平膨胀机来说，实际焓降的减少就意味着制冷量的减少。这一损失通常用速度系数φ来反应。

即φ=C1/C1s,

速度系数φ是一个综合性的经验损失系数，它的影响因素很多，如喷嘴的结构尺寸，叶片形状，加工质量和气流参数等。对于现代大中型透平膨胀机来说，透平系数φ一般在0.92-0.98之间。 b. 喉部和临界截面

曲连续性方程的动量方程可以得到一元稳定等熵流动方程式;

K-1??mP非K?P???P?K? ??2??1-????fZ0RT0K-1?P0??P0???2K

对于某一工质，在稳定流动时，m,Po,Zo,To,R都是常数，式中表述了流道面积f与膨胀过程中压力P的关系。流量密度m/f和压力比P/Po的变化关系如图：

m/f (m/f)max

P*/Po 1 P/Po 流量密度和压力比关系

从式中看，当P/Po=0和P/Po=1时，m/f=0；当0＜P/Pa＜1时，m/f总大于0.很明显在这当中存在1个值P/Po=P*/Po使所对应的流量密度达到最大值 (m/f)max。也就是说，当m不变时，流道截面积f达到最小值。

通常把喷嘴流道的最小截面称为喉部截面，而把当地气流速度等于该地音速的那个截面积称为临界截面。有计算可知，在不考虑损失等熵流动时，出现最大流量密度时的截面(喉部截面)与临界截面相重合。但流动过程存在摩擦，使喉部截面上的气流实际速度小于当地音速，即该截面与临界截面不重合。也就是说存有摩擦的绝热流动中，膨胀比减小了，且临界截面出现在喉部截面之后。 c. 斜切口膨胀

所谓斜切口是指喷嘴叶片由于斜放置，而在出口部存在着一段不完善的喷嘴流道。它对于气流的大小和方向有着重要的影响，必须加以考虑。

气体在喷嘴的斜切口发生的附加膨胀如图，虽然斜切口一边有限流壁面，而另一边是敞开的。当喷嘴前后压力比大于临界压力比时，气体在斜切口不发生附加膨胀。但喷嘴压力小于临界压力比时，则在收缩型喷嘴的斜切口中，气流还将出现附加膨胀而加速，气流朝敞开边偏离ε角。这时喷嘴斜边口出口气角α1，等于喷嘴流道中中心线切斜角α11与偏离角ε之和即：

α1=α11+ε d. 在变负荷下的工作

在空分设备实际运行中，很少有膨胀机运行在设计工况下，产量有时经常需要调节。在空分设备启动过程也是如此，膨胀机往往在偏离设计工况下运行。

分析由b式中可以看出，流量与喷嘴出口截面积及进口压力成正比，与进口温度的平方根成反比。而空分设备运行中透平膨胀机的进口压力往往变化不大，所以只有增大喷嘴出口截面积和降低进口温度来增加流量。在低温装置启动过程中，膨胀机进口气温度高于设计工况，因此在启动过程中透平膨胀机的流量比设计工况要小，这延长了整个装置的启动时间。而进口温度只能随装置温度慢慢下降。为了弥补这一缺陷，使低温装置较快的达到设计工况，只有采取增大喷嘴出口面积来提高流量，从而增加制冷量的措施。

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