透平膨脹機(jī)的組成、結(jié)構(gòu)與常見故障分析

概述

兩個(gè)概念

（1）焓：

：內(nèi)能是動(dòng)能和位能之和，動(dòng)能：分子運(yùn)動(dòng)位能：工質(zhì)分子間的相互作用力

P：工質(zhì)壓力

V：質(zhì)量體積

PV：表示工質(zhì)做功的能力

工質(zhì)從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)：。

（2）熵：衡量兩種狀態(tài)可逆程度（理解性）

熵不變化：可逆程度100%

熵增加：越大，可逆程度越低

對膨脹機(jī)來說熵增小，則說明膨脹機(jī)的膨脹效率高

熵只有不變或增加，不會(huì)變小，即熵增原理

透平：靠旋轉(zhuǎn)作功的一類機(jī)械

工作原理

絕熱等熵過程

工質(zhì)從

①低溫工質(zhì)溫度下降50~70℃，焓降：

②對外作功：轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，增壓機(jī)或風(fēng)機(jī)的動(dòng)能

膨脹過程與壓縮過程

兩個(gè)過程是互逆過程

膨脹過程：

工質(zhì)：壓力降低，焓值降低，溫度降低，對外輸出功

壓縮過程：

工質(zhì)：壓力增加，焓值增加，溫度升高，需要外功

4、應(yīng)用領(lǐng)域

兩種作用的利用：①低溫工質(zhì)：空氣分離，液化裝置，航空領(lǐng)域

②回收功：（增壓輪，電機(jī)發(fā)電）高爐氣（煤氣透平發(fā)電），石化

制冷循環(huán)：兩個(gè)等壓換熱過程，一個(gè)等溫壓縮過程，一個(gè)等熵膨脹過程如下圖：

1~2：等溫壓縮

2~3：等壓換熱

3~4：等溫膨脹

4~1：等壓換熱

如右圖：

2~6，3~5是等焓線

透平膨脹機(jī)在空分中的應(yīng)用：

空分中冷量主要來自膨脹機(jī)，其他冷量來自節(jié)流

低壓流程：90%以上的冷量來自膨脹機(jī)

中壓流程：80%以上的冷量來自膨脹機(jī)

高壓流程：84%以上的冷量來自膨脹機(jī)

透平膨脹機(jī)的特點(diǎn)：

①轉(zhuǎn)速高：3~4萬轉(zhuǎn)/分，有的氣體軸承膨脹機(jī)可達(dá)70萬轉(zhuǎn)/分

②體積小：表面積小

③效率高：國產(chǎn)：85%~87%，國外：90%以上

④無機(jī)械接觸：一般軸外徑小于軸承內(nèi)徑10~15微米。

油軸承：油站：提供油潤滑油強(qiáng)制循環(huán)帶走摩擦熱及細(xì)小金屬屑

氣體軸承：在軸承上打一些孔，通上氮?dú)饣蚩諝?/p>

摩擦力小，但氣膜承載能力小，穩(wěn)定性差，加工要求特別高

磁懸浮軸承：

5、活塞式膨脹機(jī)

流程：高壓氣體——汽缸——膨脹作功——活塞——輸出功

適合特點(diǎn)：①高壓小流量

②作功不連續(xù)

③阻力損失大

④機(jī)械摩擦效率低

⑤活塞環(huán)更換頻繁

6、透平膨脹機(jī)分類

①按工作原理分：

②按制動(dòng)方式分：

風(fēng)機(jī)制動(dòng)：氣量不大的場合使用

油制動(dòng)器制動(dòng)：通過改變油壓、油量

增壓機(jī)制動(dòng)：

電機(jī)制動(dòng)：

7、透平膨脹機(jī)組

（1）透平膨脹機(jī)體（一臺）

（2）冷箱：膨脹機(jī)本體自帶的小冷箱

（3）油站：

（4）膨脹機(jī)前的過濾器：

（5）增壓機(jī)前的過濾器：（若制動(dòng)風(fēng)機(jī)制動(dòng)，風(fēng)機(jī)有消音器）

8、透平膨脹機(jī)流程

（1）工質(zhì)氣體氣路：膨脹端：進(jìn)口管細(xì)，出口管粗

增壓端：進(jìn)口管粗，出口管細(xì)

（2）油管路：油分離器：

蓄能器：內(nèi)部有一氣束

（3）密封管路：密封加密封氣

密封氣沿軸表面可形成氣封

密封氣壓力高于油壓和高于膨脹端進(jìn)氣壓力

中高壓膨脹機(jī)中：密封氣直接排入大氣

低壓膨脹機(jī)中：密封氣進(jìn)入回流系統(tǒng)，通過油煙機(jī)外排

9、透平膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)

（1）流通部分：冷端蝸殼，導(dǎo)流器（噴嘴），膨脹葉輪，擴(kuò)壓器

（2）機(jī)體部分：機(jī)身，軸承，密封

（3）制動(dòng)器：蝸殼，葉輪，擴(kuò)壓器

轉(zhuǎn)子：

10、透平膨脹機(jī)的基本理論

理想氣體狀態(tài)方程：

實(shí)際氣體狀態(tài)方程：

①過程方程：

理想氣體的絕熱等熵過程：

即

K是氣體常數(shù)，

氣體定壓比熱容氣體定容比熱容

實(shí)際氣體的絕熱等熵過程：

實(shí)際氣體的絕熱非等熵過程：

：速度系數(shù)

②流量的連續(xù)性方程：

：質(zhì)量流量

：氣體密度

C：氣體速度

A：截面面積，與C相垂直的截面面積

11、膨脹機(jī)本體的結(jié)構(gòu)

（1）流通部分：蝸棵殼（冷端）、導(dǎo)流器、葉輪、擴(kuò)壓器

A．冷端蝸殼：均勻布?xì)猓鞘箽怏w均勻分布到導(dǎo)流器周圍。

按作用分類：①導(dǎo)向蝸殼：無能量轉(zhuǎn)換（常用）

②無葉噴嘴：有能量轉(zhuǎn)換，即有焓降

按截面性質(zhì)分類：圓形、矩形、梯形

蝸殼材料：鑄銅、鑄鋁、鑄鋼

一般在1.5倍工作壓力下做強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（用水等液體）在1.1倍的工作壓力下做氣密性實(shí)驗(yàn)（用氣體）

B．導(dǎo)流器：氣體膨脹，壓力能轉(zhuǎn)換為速度能，產(chǎn)生焓降要使氣體以一定角度進(jìn)入工作輪

形式可分位a.固定式：導(dǎo)流器葉輪是固定的

b.可調(diào)式：固定盤、葉片、滑動(dòng)盤。

可調(diào)式導(dǎo)流器的組成：

a。導(dǎo)流葉片：一般8片：葉片安裝在固定盤與滑動(dòng)盤之間

b．固定盤：

c．滑動(dòng)盤：

滑動(dòng)盤另一面有銷柱，銷柱與一拉桿連接，拉桿與一氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥連接每兩個(gè)葉片形成的通道成為噴嘴

噴嘴分為：①進(jìn)口段：加工制作要圓滑

②氣體段：主要制冷膨脹段，有收縮型、收擴(kuò)型

③傾斜段：

C．?dāng)U壓器：出膨脹葉輪的速度高（50m/s），速度能空分上無法利用，且摩擦損失大，以熱能傳給低溫氣體，使低溫氣體發(fā)生溫升，還是對空分不利的。采用擴(kuò)壓器就是將軍、的氣體速度到5~10m/s，經(jīng)擴(kuò)壓器后的氣體溫度略有升高，壓力也略有升高，焓值略有升高。

D．膨脹葉輪：

1、膨脹葉輪分類：

a.開式：只有葉片，輪骨，無輪盤，適應(yīng)惡劣環(huán)境，效率低

b.半開式：有輪盤和葉片+輪骨：有利于提高輪子的臨界轉(zhuǎn)速

c.閉式：有輪盤，葉片+輪+輪骨效率高

臨界轉(zhuǎn)速提高的好處：給工作轉(zhuǎn)速提供了更為寬的工作范圍，工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速越接近，越易產(chǎn)生工震。

2、作用：氣動(dòng)工作輪中，繼續(xù)膨脹，同時(shí)把膨脹功傳遞給主軸，降低

3、葉輪流道的組成

a.主體段：氣體膨脹的主要部分

b.導(dǎo)流段

兩段構(gòu)成了徑-軸流式葉輪。

4、葉輪進(jìn)出口速度三角形

5、輪周功：

向心葉輪：

離心葉輪：

軸流式：

因此，通常選用向心葉輪

6、葉輪中的流動(dòng)損失

摩擦損失：與氣體速度、葉輪流道表面加工粒度等有關(guān)

分離損失：主要與流道的形狀有關(guān)

二次流損失：氣體因速度的不均勻，會(huì)發(fā)生與主流式氣體相垂直的由低壓到高壓想交流的氣流

尾跡損失：

7、葉輪的加工

a.鑄造：粗糙，效率低

b.銑制：用數(shù)控機(jī)床，主軸聯(lián)動(dòng)，光潔度好，效率高，輪盤與葉輪一起銑制成型，然后將輪蓋與其它釬焊

c.整體銑制：不僅效率高，而且強(qiáng)度高（國內(nèi)沒有）

8、超速實(shí)驗(yàn)：檢查焊縫的強(qiáng)度

9、單體動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

二、機(jī)身

1、機(jī)身：鑄件：主要起定位支撐的作用：

◇軸承進(jìn)油孔：打通，與內(nèi)部相通

◇軸承測溫孔：

一般成45°夾角，測溫度靠軸承止推面，測溫孔不打通

測溫元件用鉑熱電阻或預(yù)埋式：

鉑熱電阻：允許溫度70℃

預(yù)埋式：精確，允許100℃注意：設(shè)備檢修時(shí)要注意更換形式

◇密封氣進(jìn)口2個(gè)

◇密封氣出口2個(gè)：

A．低壓可以不設(shè)密封氣出口，使其進(jìn)入油箱，通過油氣分離器外排

B．中壓若不設(shè)置密封氣出口，因其氣量較大，在通過油氣分離器因分離不完全會(huì)帶走大量的油，使得油耗增加，因此要設(shè)出口

◇測速探頭插孔：1個(gè)

◇間隙壓力導(dǎo)出孔：1個(gè)與密封氣壓力稍稍大于間隙壓力

◇測振孔：大型膨脹機(jī)上使用：2個(gè)膨脹機(jī)上孔很多，檢修、安裝時(shí)千萬不要接錯(cuò)，要確定好

2、軸承

用滑動(dòng)軸承較多，一般是線接觸

徑向軸承

止推軸承：承受轉(zhuǎn)子軸向力

一般將兩者作成整體，為止推徑向軸承

分類：徑向軸承：按內(nèi)孔形式：

a．圓柱軸承：徑向面是圓柱的

b．橢圓軸承徑向是橢圓的，使油膜成契行

c．錯(cuò)位軸承：由兩個(gè)半圓組成，單獨(dú)合成整圓，安裝時(shí)是錯(cuò)位的

d．可傾瓦軸承：

e．多油葉軸承：三油葉軸承

止推軸承的分類：

a．斜平面軸承

b．可傾瓦軸承：用的很少

按軸承結(jié)構(gòu)形式不同可分為：整體式：盡可能選用整體式的

剖分式：

3、密封

（1）軸封：密封和主軸共同構(gòu)成的軸封

鋸齒型鉛基合金密封

密封原理：軸旋轉(zhuǎn)起來，鋸齒嵌入鉛基合金，鉛基合金較軟，會(huì)填入軸上的凹槽，起密封作用，當(dāng)此密封效果減弱時(shí)，還通過密封氣密封，是雙保險(xiǎn)

安裝時(shí)：鋸齒型鉛基合金間隙為5~8微米，技術(shù)水平高的可打3微米

（2）輪蓋密封：輪蓋與密封共組成輪蓋密封：

密封原理：漏氣進(jìn)入蜜蜂，進(jìn)行膨脹降壓，逐級下降，最后接近為零

（3）輪背密封：葉輪輪背和靜密封共同構(gòu)成

靜密封：有銅環(huán)+鉛基合金組成

密封機(jī)理：與軸封相似

輪背密封可以減輕軸封的壓力輪背、鋸齒與靜密封間隙為10~15微米

作用：a.防止噴嘴后氣體泄露，使氣體不能沿軸向竄動(dòng)，進(jìn)入軸承，避免凍壞軸承

b.對平衡軸向推力有一定影響

c.可有效的降低密封氣的壓力

運(yùn)行過程中要盡可能的增加增壓端的壓力，在不發(fā)生喘震的情況下，有利于減少膨脹機(jī)的軸向推力，對膨脹機(jī)運(yùn)行有利

三、制動(dòng)端

任何狀態(tài)下的該式均成立，但只有在設(shè)計(jì)參數(shù)下運(yùn)行，該等式的效率最高

增壓透平膨脹機(jī)

對增壓透平膨脹機(jī)來說，發(fā)生喘振的條件：

①進(jìn)入增壓機(jī)的流量小

②高壓比：特別大

③高轉(zhuǎn)速

膨脹機(jī)的喘震是指增壓端，膨脹端不存在喘震條件，正常運(yùn)行時(shí)，回流閥是全關(guān)的

四、轉(zhuǎn)子

1、轉(zhuǎn)子包括以下部件：

主軸、膨脹輪、增壓輪、

2、主軸材料：

3、臨界轉(zhuǎn)速：分幾階，對工作有用一般是一階、二階

對一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的零件或組成件均具有其固有的臨界轉(zhuǎn)速，在臨界轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，振動(dòng)大。

一階臨界轉(zhuǎn)速為

4、工作轉(zhuǎn)速<0.75或》1.25

5、鋼性軸：工作轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速

柔性軸：工作轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速

6、軸及軸上零件對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響

（1）軸的直徑D：

（2）懸臂端的長短：長，

（3）軸上零件的重量：重量大，重量小，

7、主軸的結(jié)構(gòu)

裝葉輪、裝軸承、軸上止推面，三個(gè)的加工粒度要求高，它關(guān)系到軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡加工后要對軸進(jìn)行探傷檢查

五、油站

1、油箱：容積的大小一般是8~10倍的油泵的體積流量

2、油泵：（電機(jī)驅(qū)動(dòng)）

3、蓄能器：事故停車時(shí)，短期內(nèi)為機(jī)器供油

4、油冷卻器：一般管殼式的，水走管程，油走殼程

5、油過濾器：過濾粒度10微米

6、電加熱器：一般油溫低于15℃不允許運(yùn)行

7、油氣分離器：

六、安全裝置

緊急切斷閥（所有保護(hù)信號全部用于控制緊急切斷閥）

開車前：油壓過低，連鎖緊急切斷閥是不能打開的

報(bào)警系統(tǒng)：軸承溫度、供油壓力、轉(zhuǎn)速

停車系統(tǒng)

連鎖停車的順序：

全開增壓機(jī)回流閥

3s內(nèi)關(guān)進(jìn)口緊急切斷閥

七、膨脹機(jī)的操作

開車前的準(zhǔn)備

檢查膨脹機(jī)組內(nèi)部，并保證清潔，清洗郵路管線系統(tǒng)管道

給油箱注入GB11120-89規(guī)定的L-TSA32號汽輪機(jī)油，并達(dá)到正常油面

檢查膨脹端，增壓端各進(jìn)口管過濾器正確安裝，內(nèi)部清潔

檢查油過濾器是否清潔

檢查各級儀、電線路裝置連接是否正確

檢查各閥是否正確開關(guān)位置

檢查密封氣管路安裝正確，尤其是單向閥門方向及其形式

檢查緊急切斷閥是否靈活

檢查噴嘴拉桿的行程

對油路系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)清晰（膨脹機(jī)處短接）

1、開車前檢查

a．油箱油面指示量：80%以上

b．加溫氣體閥關(guān)閉

c．緊急切斷閥關(guān)閉

d．膨脹機(jī)進(jìn)出口閥關(guān)閉

e．油箱油溫15℃，否則要接通電加熱器

f．軸承溫度：15℃，否則要升溫：采取油循環(huán)用加溫吹除系統(tǒng)整機(jī)加溫

g．潤滑油系統(tǒng)工作正確

h．增壓端回流閥全開

2、開車

a．接通密封氣源

b．接通儀、電、控電源

c．啟動(dòng)油泵，調(diào)整油壓：

回流閥：主要通過量調(diào)節(jié)

節(jié)流閥：主要通過油壓調(diào)節(jié)

d．給油冷卻器通冷卻水：（可根據(jù)實(shí)際情況順序做調(diào)整）

e．開膨脹即出口、進(jìn)口閥（順序反易沖壞波紋管：出口波紋管承壓能力有限）

f．開增壓機(jī)出口閥、進(jìn)口閥

g．緩慢打開緊急切斷閥

h．緩慢打開可調(diào)噴嘴的調(diào)節(jié)閥，同時(shí)逐漸關(guān)小增壓端的回流閥

過程中密切注意軸承溫度、轉(zhuǎn)子振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、各點(diǎn)溫度、壓力等

3、停車

a．全關(guān)增壓機(jī)回流閥

b．關(guān)閉噴嘴葉片

c．關(guān)緊急切斷閥

d．關(guān)膨脹端、增壓端的進(jìn)口閥、出口閥

4、停車后的處理

a．保持密封氣、潤滑油供應(yīng)，保持儀、電、控為工作狀態(tài)

b．關(guān)進(jìn)出口閥，打開噴嘴調(diào)節(jié)閥，和緊急切斷閥

c．打開加溫吹除閥

d．進(jìn)行加溫反吹

e．當(dāng)露點(diǎn)低于負(fù)40度時(shí)可以關(guān)閉反吹

f．停止?jié)櫥凸?yīng)

g．15分鐘后停密封氣