透平膨脹機(jī)培訓(xùn)資料

透平膨脹機(jī)培訓(xùn)資料一、概述目前低溫技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，從航天到超導(dǎo)，從氣體分離到能量回收等，而低溫能量的獲得主要依靠氣體的膨脹，特別是氣體的等熵絕熱膨脹，透平膨脹機(jī)則是實(shí)現(xiàn)這一膨脹的一種有效設(shè)備，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用到氣體液化分離、能量綜合利用等方面。二、膨脹機(jī)的形式1、活塞式膨脹機(jī)：通稱容積型，其特點(diǎn)是適宜于小流量、高壓力、大膨脹比工況；缺點(diǎn)則是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、易損件多、操作維護(hù)復(fù)雜。2、透平膨脹機(jī)：通稱速度型，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少，因而制造維修工作量小，適宜于大流量、中高壓力而初溫較低。按工作原理分為：1、沖動(dòng)式：膨脹過(guò)程完全在靜止的噴嘴中進(jìn)行；2、反作用式：膨脹過(guò)程不僅在靜止的噴嘴中進(jìn)行，還在葉輪中進(jìn)一步膨脹。按氣流流動(dòng)方向分為：1、徑流式：氣體在垂直與旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)沿半徑方向流動(dòng)；2、軸流式：氣體沿著平行于工作輪旋轉(zhuǎn)軸方向流動(dòng)；3、徑軸流式：氣體由徑向流入工作輪而又軸向流出。軸流式徑流式徑軸式三、透平膨脹機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理（一）基本結(jié)構(gòu)（二）膨脹機(jī)由通流部分、制動(dòng)器及機(jī)身三部分組成膨脹機(jī)通流部分：蝸殼、噴嘴、工作輪、擴(kuò)壓器制動(dòng)器：1、壓縮機(jī)——入口管、葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼2、風(fēng)機(jī)——入口管、葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼3、電機(jī)機(jī)身：支撐合格熱作用（三）工作原理1、氣體在噴嘴中的流動(dòng)設(shè)置噴嘴的目的是使氣流的動(dòng)力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鞯乃俣饶懿⑶沂箽饬鹘禍?，在噴嘴前后存在著壓差，這些壓差推動(dòng)著氣流流動(dòng)。當(dāng)氣流通過(guò)噴嘴時(shí)，由于減壓膨脹而使焓值降低，即使壓力、溫度下降，這些焓降轉(zhuǎn)變成氣流的動(dòng)能，使在噴嘴出口處氣流獲得巨大的速度，因此噴嘴主要解決的問(wèn)題是保持合理的形狀以減小各種損失。噴嘴在結(jié)構(gòu)上可分為三段：即進(jìn)口段、主體段、出口段主體段又可分為2類：漸縮噴嘴（當(dāng)噴嘴出口馬赫數(shù)小于等于1）縮放噴嘴（當(dāng)噴嘴出口馬赫數(shù)大于1）2、氣體在工作輪中的流動(dòng)（反動(dòng)式透平膨脹機(jī)）工作輪的作用：（1）把噴噴嘴出來(lái)的高速氣體的動(dòng)能，通過(guò)工作輪轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并由主軸外輸出做功，以降低內(nèi)能使溫度進(jìn)一步降低。（2）使氣體在工作輪進(jìn)一步膨脹做功，進(jìn)一步降低氣體的焓值和溫度；（3）改變氣體的流動(dòng)方向，使它由徑向轉(zhuǎn)換為軸向流動(dòng)反動(dòng)度：氣體在工作輪中膨脹的程度反動(dòng)度（ρ）=工作輪內(nèi)的等熵焓降（h25）/總的等熵焓降（h0）工作輪結(jié)構(gòu)：目前常用的是帶徑向葉片的半開(kāi)式和閉式葉輪氣流到可分為主體段：使氣流由外圓向中心的徑向流動(dòng)導(dǎo)流段：使氣體轉(zhuǎn)為軸向流動(dòng)（減少流動(dòng)損失，提高效率）3、氣體在擴(kuò)壓器中的流動(dòng)為了使工作輪流道避免減速運(yùn)動(dòng)，以減少流動(dòng)損失（工作輪出口速度可達(dá)50-80米/秒，甚至更大），為了充分利用能量及減少管道流動(dòng)摩擦損失，在工作輪出口外設(shè)置擴(kuò)壓器（與噴嘴作用相反）。（四）透平膨脹機(jī)在焓—熵（i-s）圖上的工作過(guò)程與效率0：蝸殼進(jìn)口點(diǎn)1s：等熵噴嘴出口點(diǎn)0：蝸殼進(jìn)口點(diǎn)1s：等熵噴嘴出口點(diǎn)（等熵葉輪進(jìn)口）1：實(shí)際噴嘴出口點(diǎn)（實(shí)際葉輪進(jìn)口）2s：進(jìn)口狀態(tài)等熵膨脹到P2時(shí)的點(diǎn)2s’：進(jìn)口狀態(tài)等熵膨脹到P3時(shí)的點(diǎn)2s”：葉輪理想出口點(diǎn)3：葉輪實(shí)際出口點(diǎn)4：擴(kuò)壓器出口點(diǎn)在i-s圖上的膨脹過(guò)程ηs=/h0=（i0-i4）/(i0-i2s)(ρ=h2s/hs)四、透平膨脹機(jī)的組成主機(jī)、密封器系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)（一）主機(jī)：主機(jī)由蝸殼、轉(zhuǎn)子、噴嘴、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承、密封、機(jī)身1、蝸殼：它是為了使氣流順利地改變方向并均勻分配給噴嘴，原則上保證氣流在出口內(nèi)圓上成軸對(duì)稱流動(dòng)。材料為鋁合金、銅合金及不銹鋼。2、噴嘴：透平能量轉(zhuǎn)換的主要部件，近年來(lái)均采用葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng)的可調(diào)噴嘴，以調(diào)節(jié)流道的通流面積，從而調(diào)節(jié)氣量。材料為3Cr13。3、轉(zhuǎn)子：由主軸、膨脹機(jī)工作輪、增壓機(jī)工作輪及軸封組成。通常采用的雙懸臂轉(zhuǎn)子，即兩個(gè)工作輪外伸在兩個(gè)軸承之外，轉(zhuǎn)子是透平的核心部件，除要求有良好的空氣動(dòng)力性能外，由于它是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件，還要求有較高的動(dòng)平衡精度及要求自振頻率（臨界轉(zhuǎn)速）遠(yuǎn)離其工作轉(zhuǎn)速。4、軸封：避免膨脹段的冷氣體向常溫段的軸封泄漏，不僅造成冷損而且會(huì)使軸承的潤(rùn)滑油凍結(jié)而造成損壞，因而采用軸封加以阻止。軸封的形式為迷宮密封，一種非接觸式的動(dòng)態(tài)密封。5、壓縮機(jī)工作輪：回收膨脹機(jī)發(fā)出的功，僅是一個(gè)制動(dòng)器。6、主軸：傳遞功率的零件，一段在常溫，另一端在低溫下工作，要求由足夠的剛性，強(qiáng)度。材料是不銹鋼及合金鋼。7、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的角度，以改變噴嘴流道的面積而設(shè)定，通常有手動(dòng)及遙控兩種。8、軸承：支撐主軸并保證主軸順利穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，為了保證主軸的軸向定位并承受一定的軸向力，除徑向軸承外，還設(shè)有推力軸承，常用的有油及氣體軸承。油軸承：承載能力大，可靠性好，軸承線速度可達(dá)70米/秒。油軸承具有承載能力必須具備三個(gè)條件：存在油楔，具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，油具有一定的粘性。氣體軸承：小型高速轉(zhuǎn)子9、機(jī)身：水平剖分式及整體式（二）密封器系統(tǒng)由于透平膨脹機(jī)側(cè)通常工作在低溫狀況之下，而其軸承機(jī)身又處在常溫環(huán)境之中，為了減少高壓低溫氣體通過(guò)迷宮密封的泄漏而降低冷量損失，防止軸承潤(rùn)滑油凍結(jié)造成整個(gè)機(jī)組失效，在機(jī)組中采用常溫的密封氣體通入密封中段，以阻止低溫氣體向軸承段泄漏，保證機(jī)組的安全。（三）潤(rùn)滑油系統(tǒng)油田氣透平膨脹機(jī)一般工作在壓力高、轉(zhuǎn)速高的環(huán)境下，因此對(duì)軸承的潤(rùn)滑供油系統(tǒng)有比較高的要求，主要是供油壓力、油量、清潔度及油氣分離等。供油系統(tǒng)主要有下列幾個(gè)部分組成：1、油箱：采用密封的壓力油箱，有利于進(jìn)入油箱氣體的回收利用，防止可燃?xì)怏w的外漏。2、油泵：連續(xù)提供應(yīng)具有一定壓力、油量的潤(rùn)滑油。3、油冷卻器：冷卻通過(guò)軸承后溫度上升的油。4、油過(guò)濾器：過(guò)濾油中固體微粒，保證潤(rùn)滑油的清潔度。5、油壓容器：其貯漬蓄能作用，保證因停電等突然故障能有一分鐘的供油量，保證機(jī)組安全。6、油氣分離器：分離進(jìn)入油箱的潤(rùn)滑油中的氣體。7、溢流閥：調(diào)節(jié)供油壓力。五、透平膨脹機(jī)的調(diào)節(jié)透平膨脹機(jī)提供了低溫裝置所需的主要冷量，為了維持裝置的冷量平衡及適應(yīng)裝置工況的改變，要求對(duì)膨脹工況能進(jìn)行調(diào)節(jié)，特別是天然氣透平膨脹機(jī)，更要求機(jī)組能適應(yīng)氣源及裝置的工況變化。膨脹機(jī)的制冷量Q決定下列因素：Q=GH3ηsG：通過(guò)膨脹機(jī)的氣量Hs：通過(guò)膨脹機(jī)的工質(zhì)的等熵焓降Hs：膨脹機(jī)的等熵效率1、透平膨脹機(jī)的特性曲線為了充分利用壓力能來(lái)最大限度地提供冷量，提高整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)性，要求透平膨脹機(jī)有較高的效率，并使透平膨脹機(jī)在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，在透平膨脹機(jī)運(yùn)行中影響效率最大的一個(gè)因素是特性比U1/C0，U1為工作輪外圓處的線速度，C0為在理想狀態(tài)下，通過(guò)透平級(jí)工質(zhì)的理論等熵焓降Hs全部轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的動(dòng)能時(shí)獲得的理論速度，由η-U1/C0曲線可知，必須維持一定的特性比，才能保證機(jī)器的運(yùn)行效率最高。特性比對(duì)效率的影響示意圖2、透平膨脹機(jī)的調(diào)節(jié)由于各種原因會(huì)使裝置工況發(fā)生變化，從而波及膨脹機(jī)工況變化，使膨脹機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)偏離設(shè)計(jì)工況，造成損失的增加，效率的降低，因此為了提高裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)設(shè)法調(diào)節(jié)膨脹機(jī)的運(yùn)行工況。由于Hs是由裝置進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)決定的，在一般情況下不希望改變進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但對(duì)于油田氣工作的天然氣透平膨脹機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其特殊環(huán)境與要求，調(diào)節(jié)的主要目的最大限度地提高制冷量。介紹幾種天然氣透平膨脹機(jī)的調(diào)節(jié)方法：（1）改變機(jī)組進(jìn)出口壓力，以改變整個(gè)機(jī)組的膨脹比，在工況允許的條件下節(jié)流或提高壓力的方法來(lái)改變機(jī)組的進(jìn)出口壓力，使機(jī)組在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）改變可調(diào)噴嘴的開(kāi)度與角度，改變機(jī)組氣體的通過(guò)量。（3）采用增壓壓縮機(jī)旁路來(lái)改變機(jī)組轉(zhuǎn)速，使機(jī)組在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，這方法是在增壓機(jī)進(jìn)出口增加旁通回路，改變旁通回路的氣量及制動(dòng)功率來(lái)改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速。六、動(dòng)壓軸承的工作原理天然氣透平膨脹機(jī)常采用動(dòng)壓油軸承，為了便于檢修和操作，這里簡(jiǎn)單的介紹其工作原理：1、油楔承載原理如圖所示，兩板傾斜放置，當(dāng)上平板以速度U向圖示方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于油的粘度使靠近運(yùn)動(dòng)平板處的油層具有速度U，而靠近靜止平板處的油層其速度為0，如果在A，B兩截面上油的速度按直線分布，則流入A截面的油量為QA=Uha/2，流出B截面的油量為QB=Uhb/2，顯然QA＞QB，但油是不可壓縮的，流入的油量必須等于流出的油量這叫做連續(xù)性原理，當(dāng)流入的油量大于流出的油量時(shí)，間隙中油的壓力就會(huì)增大，而且大于外面的壓力，它使流入的油受到壓力的作用而減慢速度，而流出的油受壓力的推動(dòng)，速度將加快，此時(shí)速度的分布便成拋物線分布，見(jiàn)圖，以維持流入與流出的流量的平衡，這種沿油流方向厚度逐漸減少的油膜成為收斂油膜，簡(jiǎn)稱油楔，油楔中存在油的動(dòng)壓力，因而可以承受外界載荷，若載荷加大，平板間隙將減小，此時(shí)進(jìn)出口的間隙比增大，流入、流出的油量差將會(huì)增加，為滿足流量的連續(xù)性，油層中的壓力將會(huì)進(jìn)一步上升，承載能力將提高，由以上可見(jiàn)產(chǎn)生油的動(dòng)壓力有3個(gè)條件：（1）要油油楔存在；（2）要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且使油由大口流向小口；（3）油要有一定的粘型。油楔承載原理圖2、徑向滑動(dòng)軸承的收斂油膜徑向滑動(dòng)軸承具備上述三個(gè)條件，軸承在未工作前軸勁是靜止的，它處在軸承最下方位置（如圖），由于軸半徑總是小于孔半徑，所以在軸心和軸承中心連線的兩側(cè)，軸和孔表面自然形成一個(gè)楔型間隙，因軸有一定的轉(zhuǎn)向，因而只有一側(cè)為收斂間隙，而另一側(cè)是發(fā)散的，當(dāng)軸以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在收斂油膜中間就會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，將軸浮起并能承受一定的載荷W，載荷越大油楔的最小間隙（稱最小油膜厚度）越小，但最小油膜厚度必須大于軸和孔的兩表面不平度之和。靜止位置收斂油膜徑向軸承的楔型間隙示意圖

七、迷宮迷封的基本原理與結(jié)構(gòu)透平膨脹機(jī)中為了防止氣體泄漏，常采用迷宮形式的密封，它是一種非接觸式動(dòng)態(tài)密封，工作原理如圖所示。在轉(zhuǎn)子上和殼體靜止部件上裝置帶有齒片的密封套，與齒片相配合的是鋸齒型環(huán)槽或平直的套管。墊片把整個(gè)長(zhǎng)度分成若干個(gè)環(huán)形室，而各環(huán)形室間的齒頂與槽形成的狹縫相通，吊于密封前后的壓力差的作用，使氣流從高壓P1向低壓P2流動(dòng)，同時(shí)壓力逐漸降低。當(dāng)氣流通過(guò)狹縫時(shí)，其壓力能轉(zhuǎn)換為速度能，這樣通過(guò)迷宮使氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成熱能，從而達(dá)到降壓與密封的目的，實(shí)際上迷宮密封的每個(gè)狹縫與環(huán)室就是一個(gè)節(jié)流元件，因而它是一個(gè)多次節(jié)流的過(guò)程。迷宮密封的主要結(jié)構(gòu)尺寸為齒數(shù)區(qū)，環(huán)形縫隙的平均直徑Ds，縫隙尺寸S。由于迷宮密封本身是一種非接觸式的動(dòng)密封，它是依靠氣體在狹縫中節(jié)流而因此在迷宮密封中一定有氣體的流動(dòng)，即有一定數(shù)量的密封器的泄漏是正常的。八、PLPK-525/3.4-4.75型增壓透平膨脹機(jī)組使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)本機(jī)組工質(zhì)先經(jīng)增壓機(jī)增壓，冷卻后再進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹降溫產(chǎn)生空分裝置所需的冷量，與此同時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械功又為增壓機(jī)所吸收。本機(jī)組所用的工質(zhì)應(yīng)為經(jīng)凈化處理后的干燥、純凈（不含水分、粉塵、金屬雜質(zhì)等）的空氣。工質(zhì)：空氣氣量：Nm3/h（℃，0.101325MPa）31500進(jìn)口壓力：MPa（A）2.69出口壓力：MPa（A）3.9進(jìn)口溫度：K313工質(zhì)：空氣氣量：Nm3/h（℃，0.101325MPa）31500進(jìn)口壓力：MPa（A）3.8出口壓力：MPa（A）0.575進(jìn)口溫度