透平膨胀机知识教案.docx

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1、透平膨胀机第一章透平膨胀机组成及本体一、透平概述焰h pl1、分类：螺杆式1活塞式 焰降 p2透平式2、透平式工作原理：2绝热等烯过程燧s膨胀过程温度降低压力降低焰值降低向外输出功压缩过程温度升高压力升高焰值升高利用外来功3、作用：1）获得低温工质：空分别离；气体液化；航空航天；科研2）能量回收：（设备：增压机、电机）化工尾气；石化尾气4、空分中冷量的来源低压流程90%能量由膨胀机提供中压流程80%能量由膨胀机提供高压流程84%能量由膨胀机提供膨胀端：提供能量p/pO : pO/p 膨胀比膨胀比增大，相应A1A2A3,假设膨胀比继续增大，那么A4A3,主体段要进行改变，由收缩形做成收扩形，否那

2、么效率降低。在最大使由斜切口段来完成。采用收缩形喷嘴，在截面积一定的情况下，流量和压力之间的关系当P/P0Px/P0时（在中间线右边），流量与压力有关，流量越高，压力越大当P/POWPx/PO时，（在中间线左边）流量与压力无关在出口压力一定下，流量和截面积、进口压力成正比，和进口温度的平方根成 反比。刚开车时喷嘴开到100%,为了尽快开起来，但膨胀机的效率不是最高，正常 后要调整到70%的最高效率，保证相对速度直角进入叶轮，减少气流的冲击。初压pO和背压pl：在增加膨胀比的时候，不能一味提高初压，降低背压，到 了如上图中间的左边，反倒效率降低儿个概念：过盖度：导流器（喷嘴）叶片高度用bl表示，

3、叶轮叶片高度用b2表示，那么 过盖度=b2-bl间隙：（可调式喷嘴）指叶片与定位盘、滑动盘总的间隙，一般 812 丝，1 丝=0.01mm间隙压力：喷嘴的出口压力导流器材质要求低温，压力影响不大，但要有一定的强度一般采用2Crl3和3 Crl3 （不锈钢）3、膨胀叶轮气体缓慢膨胀，产生焰降,传递膨胀功。1）形式a、开式恶劣工况下，效率低b、半开式 叶片、轮盘组成，效率也比拟低，重量轻，有利于提高转子 的一阶临界转速c、闭式：叶片、轮盘和轮盖组成。效率高。用的最多。有时候考虑临界转速也用半开式2）流道组成：没两片叶轮组成的通道,a、主体段：气体膨胀的主要段。径向，得到高焰降、低温工质 b、导流段

4、：起导流作用，一般不再膨胀。轴向，冲击损失小 二者组成径一轴流式，得到高焰降、高效率。3）进出口速度三角形其中：如图叶轮进口C1:绝对速度al、Bl是cl、31、Hl正向的夹角 a 1B 1=切向速度cl3 13 1=相对速度 U1出口a2 p2c2 a）2u2为了得到相等的u2,必须得到变化的6 2,所以出口叶片是弯的。 轮周功W=（C21-C22） /2+（322-321） /2+ （ U21-U22） /2在向心式，P 1U2,做功大轴流式P 1= P 2离心式u Ku24）流动损失：a、摩擦损失。跟外表光洁度有关b、别离损失：和设计流道的形状有关，和开车时运行的转速有关。C、二次流损失

5、：由于旋转，两个叶片的压力就不一样，就有少量的气体从压力 高向压力低面横向移动，构成二次流损失d、尾迹损失：在相同的r下，即同一层面的速度是不一样的，越靠近叶片的速 度越小，进到扩压器的速度是一样的，所以速度的混合过程就构成了尾迹损失。 和叶片的光洁度有关。5)叶轮的加工:a、精密铸造：外表光洁度比拟差，效率比拟低b、铳制：加上钎焊，国内普遍使用，但钎焊要求高。国外有整体制作的6)对叶轮要单独做动平衡校正：为了减小振动。做超速实验：强度检验4、扩压器扩压角喇叭管式结构C2 C3 P2 P3为了使进入管道速度降下来，降到5lOm/si3-i2 =1/2 (c22-c32)进口到出口，焰值是增加的

6、，压力略有升高，温度稍微升高气体在扩压过程中存在燧增qks外表有一个摩擦损失 qk焰制值的增力口 Ai=qks+Aqkqks+ A qk+1/2 c3 2称为余速损失扩压角一般在6 -85、通流局部小结:组件出口 初始参数参数组件压力P0温度TO焰值iO冷端蜗壳P1=POT1=TOil=iO导流器P2P1T2T1i2il膨胀叶轮P3P2T3T2i3P3T4T3i4i3机膨胀比：”P0/P4整机温降T0-T4,最大在膨胀叶轮机焰降：i0-i4二、机体局部1、机身：起支撑的作用2、轴承3、密封1、机身：一般铸铁件，形式有剖分式和整体式，整体式比拟简单，所以一 般用整体式的；两端固定有轴承和密封机身

7、上设置的孔：1）机身上有轴承进油孔（两个）2）轴承测温孔（两个）。分两种：预埋式和插入式。大型用预埋式（报警温度在 70度，测量比插入式（报警温度70度，因为不够灵敏和准确）准确。3）密封气进口（两个）。4）密封气出口（两个）。不是所有膨胀机都有。因为低压，密封气随油在油气分 离器处放空；中压膨胀机就必须有，因为密封气压力比拟高，量也比拟大，从油 气别离器不能及时放空，还会将油带到大气。5）测速孔（1个）6）间隙压力导出孔（1个，在冷端）：设置轮背后密封的就可以不设。2、轴承：多是滑动轴承，通过线接触的是滑动轴承（一）轴承分两类：径向轴承和推力轴承（平衡轴向力）径向轴承分类：1）圆柱轴承：径向

8、轴承孔是圆的2）椭圆轴承：径向面是椭圆。与轴承形成楔形，有利于形成油膜3）错位轴承：两个半圆沿直径错开了间隙。比椭圆形成楔形更好，油膜强度更 大，适用于条件恶劣4）可倾瓦轴承：由多个瓦块组成的圆，瓦快之间有间隙，不能动5）多油叶轴承：同上，但瓦块可以动最常用是4）和5）推力轴承分类1）斜平面轴承：分成多个瓦块，都有一个斜面和平面。98%以上都用此类。2）可倾瓦轴承：瓦块可以动目前一般把径向轴承和推力轴承做到一起，称为止推-径向轴承，一般每个 膨胀机都有一对。但也有差异。径向轴承结构：巴式合金轴承体较软金属不锈钢或铜供油槽推力轴承：上边的圆形分成八块瓦块，里边有8个注油孔气体轴承：轴承气上边打满

9、小孔，孔径：0.35mm,如果有四个,每一个上边16个孔，那么16*4=64磁悬浮轴承：0摩擦，通过电流大小控制。（二）轴承间隙：分为径向间隙（控制到812丝，0.01mm为1丝）和轴向间隙（低压：12-15 丝；中压：14-18丝）间隙小，造成轴承温度高；间隙大，难以形成油膜，油膜振荡。什么原因造成轴承温度升高或降低？3、密封：在机体上用到的主要是轴封。顺便讲轮盖密封和轮背密封（不属于机体）。1）轴封：铜铅基合金密封气进气口位置在叶轮和轴承之间。由两个元件共同构成在冷端密封气的压力大于间隙压力和油压轴和密封的间隙5-8丝，根据装配水平，可以控制在3丝以内。轴封作用：（1）、（在冷端）阻止冷气

10、体沿轴向窜动，冻坏轴承；（2）、阻止油向工质气体泄露造成气体带油。在增压端压力大于密封气压力，那么有局部气体顺轴进入油内，是无法防止的，开 车时密封气就不起作用，但最好不要关，在停车时就可以起到作用。冷端温度比增压端温度低是正常，但低于0度就要调整间隙。2）、轮盖密封：用于闭式叶轮轮盖密封与叶轮的间隙是20-30丝。3）、轮背密封：作用：（1）防止喷嘴后气体泄露，使气体不能沿轴向窜动进入轴承；（2）对平衡轴向推力有影响；（3）可以有效降低密封气的压力。间隙在20-30丝左右。4制动端用的最多增压机制动，增压机就是一个简单的一级压缩机W膨胀=W轴承+W制动增压机端有一回流阀，又叫防喘振阀。喘振产

11、生的条件：（1）小气量；（2）高压比（增压比太高）；（3）高转速；（与上 一条往往不能分开）。Q0回流全开，Ql=Q0+ Qf ,即增加了气量气量的增加也就遏制了高压比和高转速，所以可以有效防止喘振。防喘振开车后，防喘振阀是关着的。QQ1Q0三、转子转子的构成：主轴、膨胀叶轮、固定膨胀叶轮的螺帽和键、增压叶轮、固定增压 叶轮的螺帽和键。轴封轴承转子测转速1、临界转速：有一阶临界转速、二阶等等，一般研究的是一阶和二阶临界转速一般要小于0.75大于1.25倍的临界转速，离得越近，振动就越大2、轴及轴上零件对转子临界转速的影响：1）轴的直径：直径粗，一阶临界转速就高；细就低2）悬臂端的长短：长，转子

12、的临界转速就越低；短就高3）轴上零件重量：大，临界转速低；轻就高3、刚性轴：运行转速低于转子本身一阶临界转速柔性轴：高于一阶低于二阶的临界转速就是柔性轴用柔性轴，在开车启动时要迅速越过一阶转速，否那么机器振动很大。要了解 所用机器是刚性还是柔性轴四、油站：1、油箱：油量8-10v0 （v0是油泵每分钟油量）2、油泵：电机驱动3、油压容器（蓄能器）：高位油箱4、油冷却器：管壳式换热器5、油过滤器：6、电加热器：放在油箱的底部。膨胀机油箱温度要保证15以上。7、油气别离器：油压容器机器调温回油油过滤器油冷调油压调油压电加热器 五、膨胀机平安装置：进口设置紧急切断阀1、电器联锁系统：油压过低时2、报

13、警系统：a、供油压力下降；b、冷却水量下降；c、轴承温度升高；d、转 速升高自动停车系统：1、电源出现故障，要求紧急切断阀迅速关闭2、油压下降到最低值：自动关闭紧急切断阀3、轴承温度过高：4、转速过高：六、空分中冷量的调节（就是膨胀机的调节）QO=qmhsr|sQ0：冷量；qm：膨胀气量；hs：单位工质等熠比焰降；ns：膨胀机效率 提高qm和hs会提高装置的能耗，所以最好提高ns。ui是特性比nUl= JiDn/60 V2hs工况复杂的选择效率特性曲线变化平缓的效率低的原因：1、特性比偏离最正确值。可能转速低造成的制动功大和膨胀功小就会造成转速低2、附加损失大。包括：1）内泄露损失2）附加冲击

14、损失和过盖度损失。设计转速 Ul=ul/cs（相对速度应该垂直进入叶轮，否那么就回造成冲击产生热量，造成冷量损失，过盖度损失就是气体不能顺畅进入叶轮造成的损失）3）外泄露损失。七、膨胀机的调节方式改变气量或者单位工质的比焰降来调节1）、质的调节（改变工质的比焰降）：即改变进口的温度、压力等参数。如节流增压端：时膨胀焰降更大W膨胀=W轴+W增压机p2 pl气体制冷循环：T两个等压换热过程2-3, 4-1 2一个等温压缩过程1-2 3 1一个等嫡膨胀过程3-4等温节流：（il-i6） + （i3-i4）6=制冷循环能量45透平膨胀机特点:1）、转速高30000转/min至U 70万转/min2）、

15、体积小：外表积小3）、效率高4）、无机械接触，密封性能可靠轴承类型1）、油轴承带油站，提供润滑油 a、形成油膜b、通过油循环（带走摩擦热） 2）、气体轴承（气膜形成摩擦系数f小），高速轻载。3）、磁悬浮轴承活塞式膨胀机比拟:高压气体气缸膨胀作功活塞输出功1）高压小流量2）作功不连续3）阻力损失大4）机械摩擦大5）活塞环密封大流量作功连续阻力损失小摩擦损失小密封系统完善。性能可靠透平膨胀机分类：1）按工作原理分：冲动式和反动式 反动度P二hs2/hs hs=hsl+hs22）、量的调节：改变qm。如可调喷嘴 常用调节方法：1）、机前节流调节（质的调节）。结构简单，调节方便，在小型膨胀机用的多，

16、但改变了比焙降，损失比拟大2）、局部进气调节（量的调节）。在经济上比拟划算，好操作，但结构复杂，少 用3）、转动叶片调节（量的调节）。受到气流角度的限制和导流器和叶轮有间隙的 变化，造成冲击损失，效率降低。但技术成熟，用的比拟普遍，要尽量将叶片角 度开到设计范围内（70%左右）。4）、改变导流器的叶片高度。应用效果好，但制造非常麻烦，所以也少用。 调节方法要和制动方式相适合：质的调节：一般用风机制动，维持最正确特性比，油制动器也适用，但范围有限; 量的调节：不改变焰降，用增压机制动或电机制动。八.操作1.PLPK-1162/37.8*4.83型 P-卧式 K-处理气体种类1162-设计处理量标

17、态,m3/min 37.8 进 口压力（表压 kgf/cm2）,4.83 出 口压力（表压 kgf/cm2）.2、设计参数增压端697002.6933.9240三8118200增压端697002.6933.9240三8118200膨胀端流量（m3/h）69700进口压力 MPa （A）3.88排气压力MPa （A）0.583进口温度-113绝热效率三85.5转速 r/min182003、仪表控制参数单位操作值报警值联锁停车值备注轴承油压MPa (G)0.5W0.4W0.35轴承温度95295三110属于预埋式 转速R/min20000三20000三21000密封气压力MPa (G)膨胀端密封气

18、压差MPa （G）0.10.05轴承进口油温30-45转子振动值口 m35三35三504、开车准备工作1）、检查膨胀机组内部，并保证清洁、清洗油路系统管道；2）、给油箱注入L-TS32 （GB11120-89）号气轮机油，并到达正常油面;3）、检查各进口管道过滤器安装是否正确，内部清洁；4）、检杳油过滤器；5）、检杳各仪、电控线路与装置联接；6）、检查各阀门是否在正常开关位置；7）、检查密封气管路；8）、检查紧急切断阀动作灵活性；9）、检查喷嘴拉杆的行程； 10）、对油路系统进行循环清洗;5、开车A、开车前检查：1）油箱油面指示（80%）； 2）加温气体（吹除阀）阀关闭；3）紧急切断阀关闭；4

19、）膨胀端进出口阀关闭；5）油箱温度不低于15； 6）轴承温度215C； 7）润滑系统工作正常；8）增压机回流阀全开；B、启动膨胀机1）、接通密封气气源2）、接通仪、电控的电源3）、启动油泵4）、向油冷却器通入冷却水5）、开膨胀机出、进口阀6）、开增压机的出、进口阀7）、紧急切断阀缓慢翻开40-50%8）、缓慢翻开可调喷嘴，膨胀机到达较小转速，逐渐开大，全开后，再将紧急切 断阀全开，并关小增压端回流阀，到达额定转速。（低压常用）另一种开法：可以先将可调喷嘴开20%,缓慢开紧急切断阀，让膨胀机转起来, 缓慢将紧急切断阀全开后，再将喷嘴全部翻开（中压用比拟好）6、常见问题轴承温度低1、轴承间隙太大2

20、、间隙压力高于密封气压力出现问题事故原因处理方法机器运转时振动值较大a、转子的动平衡精度低：转子动平衡不良；转子上零件安装错位转子零件磨损;b、工作转速接近转子临界转速 c、轴承间隙大，引起油膜振荡 d、膨胀机内带液 e、制动风机或增压机喘振 f、机组基础不牢间隙压力偏离设计值低CO2、H2O附着在导流器叶片上，造成阻塞增加压力，增大气量或停车处理间隙压力偏离设计值低a、CO2、H20对叶轮进口堵塞情况轻增大气量，严重停车加温处理b、对中性差拆开重新对中导流器叶片、叶轮叶片磨损a、进口气体含有机械杂质，固体颗粒检查机前过滤器b、启动阶段析出CO2、H2O,加速流道磨损 c、机内带液，加剧磨损油

21、压下降1、齿轮油泵间隙过大调整间隙到(0.06-0.01)2、油不清洁、造成油过滤器堵塞及时清洗滤芯，必要时更换3、油箱油量缺乏添加油4、压力指示不准校正轴承温度过高1、装配时轴承间隙太小重新调整间隙2、油压太低、油量缺乏3、润滑油变质，不清洁更换油4、转子动平衡精度低5、油冷回流阀没关调整回流阀6、油冷却器水量缺乏透平膨胀机复习题1、按制动方式分透平膨胀机，可主要分为那些类型？它们有那些异同点？按制动方式分：风机制动，油制动器制动，电机制动，增压机制动共有特点是：都消耗膨胀功，如果不消耗，转速会越来越高，形成飞车风机制动，油制动器制动只能维持转速，而不能回收功量电机制动，增压机制动 既能维持

22、转速，又能回收功量2、透平膨胀机中喷嘴的主要形式有那些？各自是怎样进行流量调节的？固定式；可调式前者流道不能改变，后者可通过转动叶片摆动，可改变喷嘴流道截面，从而改变流量（拉杆行程大小反映喷嘴开度多少）3、透平膨胀机的油站主要由那些单体设备组成，其中油压容器（蓄能器）的作 用是什么？油泵、油过滤器、油压容器（蓄能器）、油别离器、油冷却器、电加热器、油箱 蓄能器作用：在油泵突然停运时，能保持约5分钟的润滑油量4、为增大等牖膨胀的温降和单位制冷量可分别采取那些手段？机前调节，局部进气调节，转动叶片调节，改变喷嘴叶片高度，质的调节（适用风机制动） 量的调节（一般适用电机制动，增压机制动）5、轴封及密

23、封气在透平膨胀机运行中的作用？减少低温气体泄漏，减少冷损，同时防止润滑油渗入密封处。6、透平膨胀机流通局部由那些部件组成？参数P、T在各部件有那些变化？冷端涡壳、导流器膨胀叶轮扩压器组件出口 初始参数参数组件压力P0温度TO焰值iO冷端蜗壳P1=POT1=TOil=iO导流器P2P1T2T1i2il膨胀叶轮P3P2T3T2i3P3T4T3i4i37、常规的增压机中，增压比为多少？它的大小和膨胀机那些参数有关?1.31.5 （出DP与进DP之比）与增压端的进气量、进气温度有关8、操作中透平膨胀机机前温度太低带来那些危害？容易造成机内带液，造成振动值大，对叶片损伤，喷嘴压力升高9、透平膨胀机运转过

24、程中振动值偏大的原因？1转子动平衡精度：a转子动平衡不良，b转子上零件安装错位 c转子上零件磨损2工作转速接近临界转速3轴承间隙过大，造成油膜振荡；4膨胀机内带液5制动风机或增压机出现喘振；6机组基础不牢或地脚螺栓松动11、实际运行中导流器叶片、叶轮磨损的原因？1进口气体含机械杂质或固体颗粒（检查进口过滤器、其目数多少）2启动阶段析出C02、H20,加速流道磨损3材料耐磨性差4机内带液（出口温度不要太低）14、轴承温度低的原因1轴封间隙太大2间隙压力大于密封气压力3停车状态下，进口阀关闭不严（静止时间隙最大，无密封气时）15、一般的油轴承膨胀机组由哪些设备组成6）透平膨胀机本体7）水冷箱8）油

25、站9）膨胀机前过滤器10）增压机前过滤器（风机一消音器）6）油、气管路16、在增压透平膨胀机开车时，如何防止超速？防超速的原理是什么？保证增压机气量是防止超速的主要方法，具体到操作上就是回流阀（防喘振阀） 翻开，增加气量。原理：根据W膨胀=W轴承+W制动，由于气量小，造成高压比和高转速，所以回流阀翻开后，增压机气量就变成了原来气量与回流量之和，也就遏制了高压比 和高转速，所以可以有效防止喘振.17、当轴承温度过高（低）时，如何解决轴承温度高的原因：1、装配时轴承间隙太小2、油压太低、油量缺乏3、润滑油 变质，不清洁4、转子动平衡精度低5、油冷回流阀没关6、油冷却器水量缺乏 解决方法：对应原因调

26、整间隙；更换润滑油；调整回流阀；加大水量；寻找设备 制造原因等。轴承温度低原因：1、轴承间隙太大2、间隙压力高于密封气压力解决方法：调整间隙和间隙压力18、透平膨胀机运转过程中，造成喷嘴压力偏高（低）的原因有哪些：怎样处理？1）、偏低原因：空气中C02、H2O （TI成冰）附着导流器叶片外表，容易堵 塞，造成通道减小气体不畅通，造成喷嘴后压力偏低。可以加大气量吹，或提高 喷嘴温度2）、偏高原因：空气中CO2、H2O附着叶轮外表易冻住叶轮，使气体外漏, 造成喷嘴后压力偏高叶轮堵塞：a加大气量，提高机前温度b停机，加温吹除19、中压透平膨胀机中，设置轮背压有何意义作用：（1）防止喷嘴后气体泄露，使

27、气体不能沿轴向窜动进入轴承；（2）对平衡轴向推力有影响；（3）可以有效降低密封气的压力。进口 冷蜗壳导流器hsl膨胀叶轮hs2扩压器 出口气流速度大，效率低。P小出口P=0纯冲动式膨胀机P0.1反动式膨胀机0 P c2u 1 u 2G) 1|12 |il(i2 |i 1=(12四、能量方程W=(C21-C22) /2+(322-321) /2+ ( U21-U22) /2利用余弦定理w21=c21+(121-2d(11 cosalw22=c22+|i22-2c2(i2cosa2cl cosal=W=例1:有一与外界绝热喷嘴，工质为空气，进口 p0=0.55MPa, T0=128K,出口 Pl=

28、0.286MPa,设喷嘴内速度系数6 =0.96 ,求喷嘴出口温度Tl = ?解：利用过程方程PVn=consen=K/例2：一透平膨胀机工作轮进口气流速度cl=197.2m/s,圆围速度ul=190m/s,a 1=16,出口气流速度 c2=55.6, u2=95.4m/s, a 2=90。进气量 qm=2.52Kg/s, 求叶轮功及总轮周功率。解：由能量方程得：第三章膨胀机的结构（重点掌握）一、通流局部冷端蜗壳导流器（统称喷嘴）膨胀叶轮扩压器1、冷端蜗壳：主要起均匀布气的作用导向蜗壳，无能量转换无叶喷嘴，有能量转换（有这种蜗壳的就不用导流器）按形状分类（蜗壳截面形状）：1）梯形蜗壳2）矩形蜗

29、壳3）圆形蜗壳蜗壳的形成：R cuR R0R*cu=常数R是任意一点半径，R是外圆半径，R是基圆半径，基点到任意一点角为。q/0=qv/2 兀圆截面之间的关系：R =R +2 （ 0/c+J2R 0/c）其中c为常数0 n/2 ji /4 n/8 P 对应蜗壳材料要求：耐低温.、耐高压一般采用Hsi80-3, Hfe59-1-1 （以上两种为铸铜，中压环境）ZL102, ZL104 （铸 铝，低压环境）ZGlCrl8Ni9 （铸不锈钢，高压环境）气密性检查：1.5倍工作压力下做水压实验，在1.1倍工作压力下，做气压实验2、导流器作用：膨胀产生焙降，把气体的内能转变为气流的动能形式：固定式；可调

30、式(普遍使用)可调式导流器的工作原理：主要元件1)固定盘、2)导流叶片、3)滑动盘固定盘是一个圆环，上边分布许多孔叶片上有两个销子分别在两边，一个放在固定盘上的孔里边，滑动盘上的槽放 在另一个销子上边滑动盘均匀分布许多槽，与叶片对应每导流叶片之间有喷嘴，喷嘴有：1)进气段2)主体段：可做成收缩形(膨胀机较小)和收扩形(膨胀机较大)3)斜切口段：对进气角度发生影响，如果太大，对叶轮冲击影响膨胀机效率 工质在喷嘴中的流动：速度 c 与压力 p 之间的关系：1/2 (c21-c20) =k/ (k-1) *pO/P 0*l- (pl/pO)(k-l)/kcO=O pO/pO用用ZRT来表示那么c= V2k/ (k-1) ZRT1- (pl/pO) (k-1) /kqm= P cA联立两式得qm/A=P V2k/ (k-1) ZRT1- (pl/pO) (k-1) /kqm/A 增大A3(气流速度)c 3(相对速度) A A4增R (叶轮旋转速度)大 A2A1