第5章 膨胀机 - 图文(3)

然这种径-轴的转换是逐渐的和连续的。所以这种组合叶轮具有焓降大损失小的特点。

工作轮不但接受从喷嘴出来气流的动能，而且气体还在工作轮中继续膨胀作功，进一步降低比焓和温度。冲动式和反动式的区别就在于工作轮中气体继续膨胀的程度。在冲动式工作轮中，膨胀几乎全部在喷嘴中完成，机械功几乎全部由喷嘴出来的气流动能转换而得。对于反动式工作轮来说，除去一部分比焓降在喷嘴中完成外，还有一部分则在工作轮中继续膨胀。这样，膨胀机总的比焓降就分成两部分，它们的大小通常用反动度ρ来表达。它是工作轮中的等熵比焓降△hs2与膨胀机总的等熵比焓降△hs之比

???hs2 （5.2-18） ?hs 在相同的进出口参数条件下，冲动式透平膨胀机出喷嘴的气流速度要比反动式的大，从工作轮排出的气流速度也比反动式的大，造成很大的流动损失，降低了它的效率。

目前国内外大中型透平膨胀机几乎都采用径-轴流反动式工作轮，反动度一般在0.4~0.54之间。通常使用的是90°进气的工作轮（进口安装角为90°），允许存在一定的冲角，然而过大的冲角将在叶轮进口形成附加的冲击损失，使效率降低。 2） 速度系数

和喷嘴相同，在工作轮中也存在着流动损失，这一损失用工作轮中的速度系数ψ来表述，即：

??w2 （5.2-19） w2s其中，w2s 为按等熵比焓降△h2s求得的理论出口相对速度；w2为实际出口相对速度。同样，它也是一个综合性的经验损失系数，它与叶轮的结构尺寸、叶片造型、加工质量以及气流参数等有关。对大中型透平膨胀机来说，速度系数φ一般在0.85～0.95之间。 3） 速度三角形

从喷嘴出来的气体以绝对速度c1进入工作轮，方向角为α1，但同时工作轮又以等角速度ω在旋转，实际上气体是以相对运动进入工作轮的。我们把进口绝对速度c1、相对速度w1和牵连速度u1(进口处的圆周速度)按矢量相加就可以得到一个三角形；同理，工作轮出口也可以得到一个三角形，它们称为工作轮进、出口速度三角形，见图5.2.3-7。速度三角形便于分析研究气体在工作轮进出口处的状态、流动、损失情况等等。

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图5.2.3-7 工作轮进、出口速度三角形

5.2.3.4气体在扩压器中的流动

为了使工作轮的设计具有较高的效率，现代透平膨胀机的叶轮出口，排出的气流绝对速度可达45～70m／s，甚至更高，若这样高的速度直接排到管道中，将会引起很大的摩擦损失，因而增大了冷损，为此，通常在叶轮出口设置一个专门的排气扩压管，如图5.2.3-8所示。用来把气流速

度降低到能接受的数值，约5～10m／s。 图5.2.3-8 扩压器

扩压管的扩压比与扩张角θ及管长有关，θ角不宜过大，否则将引起较大的扩压损失，但也不宜大小，过小将增加扩压管长度，因而增加摩擦损失，通常取θ＝6°～12°。

通流部分是透平膨胀机最重要的部分，它与膨胀机的效率、产量的调节、变工况特性等有直接的关系。随着透平膨胀机的进一步发展，它的效率水平也越来越高，现在人们不但在工作轮和喷嘴等主要元件上进行充分的研究和试验，在其它诸如蜗壳、出口扩压器、蜗壳和喷嘴间的流动、喷嘴和工作轮间的流动等上面也投入了更多的精力进行研究，以至把全部通流部分串在一起进行整体的分析计算，以进一步提高整机的效率水平。 5.2.4透平膨胀机的损失和效率

在透平膨胀机中标志能量转换过程完善程度的指标就是效率，习惯上使用等熵效率。对于空分用的制冷透平来说，它是评价透平膨胀机热力性能的最主要指标。它表述为透平膨胀机进、出口实际比焓降△h与相同条件下可能实现的最大比焓降（既等熵比焓降△hs）之比（见图5.2.4-1）。

?s??h （5.2-20）

?hs有效率就必然存在损失，透平膨胀机的损失基本可分为两大类，既内部损失和外部损失；内部损失影响透平膨胀机的等熵效率；外部损失只对膨胀功的回

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收和利用率有影响而与透平膨胀机的等熵效率无关。内部损失又可分为流道损失和非流道损失。在气流流经的通道中，由于因气流与壁面、气流与气流之间摩擦和冲击而引起的损失等称流道损失，比如气流在喷嘴、工作轮和扩压器中的损失、喷嘴后气流对工作轮的冲击损失、喷嘴与叶轮之间的流动损失等等。而工作轮与静止件之间的气体摩擦、气体内泄漏等损失称为非流道损失。综合地来说，影响透平膨胀机等熵效率的主要损失有五种：

1）喷嘴损失：膨胀气体流经喷嘴时，产生流道表面的阻力、局部涡流和气流冲击等损失。它与气体流动速度、喷嘴叶片叶型、叶片高度，叶片表面粗糙度及叶片出口边缘（尾部）厚度等因素有关。

2）工作轮损失：气体在叶轮流动中的流动损失。当气体流经叶轮流道时，由于叶片型线、表面粗糙度等因素引起的摩擦损失，气体流动时的涡流和冲击损失等。 3）余速损失：现代透平膨胀机中，气体多以较高的气流速度排出叶轮后进入扩压器，经扩压器进一步来降低介质的速度（压力和温度有所升高，见图5.2.2-3）,使达到允许值。实际上, 气体在扩压器中的流动是一种压缩过程，需要消耗部分能量。对透平膨胀机来说同样减少了有效能量。这两部分能量的损失称为余速损失。

4）轮背摩擦鼓风损失：叶轮摩擦鼓风损失是由叶轮轮背、轮盖和静止元件之间间隙中的气体而产生的。紧靠轮背、轮盖的那部分气体附着在叶轮上，以和轮背、轮盖相同的圆周速度运动，而紧靠壳体的那部分气体则和壳体一样，是静止不动的，在这个间隙中就形成了一个速度梯度。这一速度梯度是由于气体的粘性引起的，因而要消耗一定的摩擦功。这部分摩擦功又转换成热量，通过叶轮把热量传给气体，提高了工作气体出工作轮时的比焓值，因而降低了制冷量。

5）泄漏损失：泄漏损失包括内泄漏损失和外泄漏损失两种。对闭式叶轮，在轮盖处采用迷宫密封，有一小股工作轮前未经膨胀的气流，经密封器与叶轮间的缝隙漏出，它与经工作轮膨胀后的低比焓气体在叶轮出口处汇合，从而使叶轮出口处气体的比焓升高，降低了膨胀机的制冷量，这种损失称为内泄漏损失；在半开式工作轮中由于没有轮盖，无法设置密封器，这时希望尽量减少叶片和固定件的间隙。外泄漏损失，是由工作轮前的一小股气流，经轮盘外测与壳体之间的缝隙，沿轴漏向外界泄漏，它不会影响膨胀后气体的比焓，仅仅是减少了有效膨胀气体量，影响了膨胀机总的制冷量。

当然，对于透平膨胀机来说还有一些其它的损失影响等熵效率，比如上面提到的一些流动损失损失，装置的热损失等等，但在设计良好的情况下它们对效率及制冷量影响都比较小。

由上节可知，透平膨胀机的通流部分由蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器等部分组成，工质在通流部分的实际流动是非常复杂的，为便于说明,各过程在比焓-熵

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图中简化为直线，并假定蜗壳中无能量转换，损失不计，喷嘴与工作轮、工作轮与扩压器之间的各损失不计，图如图5.2.4-1表述了工质在透平膨胀机通流部分中的膨胀过程。

图5.2.4-1工质在焓-熵图上的膨胀过程

等压线P0和等温线T0确定了点0为膨胀机的进口状态（在上述假定下也就是喷嘴的进口状态），P2为膨胀机要求的出口压力。理想状态下，工质在喷嘴中等熵膨胀至状态点1s、在工作轮中等熵膨胀至状态点3s′（一般来说，膨胀机要求的出口状态指的是扩压器后的状态，因此工作轮后的压力P3低于膨胀机出口压力P2。）,再在扩压器中等熵扩压至状态点2s。但实际上，在喷嘴中的膨胀过程，由于损失的存在使比焓增加，实际膨胀至状态点1（P1、T1）。工作轮中理想状态下工质应由点1等熵膨胀至状态点3s″,由于工作轮中的流道损失及非流道损失的存在使比焓增加，实际上膨胀至状态点3。在扩压器中，同样由于损失的存在，使工质在理想状态下能等熵膨胀至状态点2′而实际上只能膨胀至状态点2。

5.2.5透平膨胀机的制动 5.2.5.1制冷量与输出功

透平膨胀机的制冷量

由（5.2-20）式及图5.2.4-1可得膨胀机的制冷量

Q?m??h?m??hs??s （5.2-21）

按上式计算的制冷量没有考虑外泄漏的冷量损失，一般来说这两项损失比较

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小，是可以忽略不计的。

透平膨胀机轴端输出的功率

Pe?m??hs??s??m （5.2-22）

式中： ?m 机械效率

前面说过, 由膨胀机主轴输出的能量一定要被制动器吸收掉，式（5.2-22）是选择和设计制动器的主要依据之一,在透平膨胀机轴端输出功要求被利用时,上式还是评价透平膨胀机整体性能优劣的重要指标之一。 5.2.5.2透平膨胀机的制动

对于空分来说，透平膨胀机在降低温度获得冷量的同时，它的主轴输出的转换能量必须要被消耗掉或者加以利用，以使透平膨胀机有一个可以调节的稳定运行环境，这就是所谓的制动器（见图5.2.2-2），制动器把透平膨胀机发出的功率消耗掉或将其转换为其它形式的能量输出，从而使膨胀机转子维持在所要求的转速上，通过对制动器制动能力的控制调节可以在一定范围内满足透平膨胀机各种工况的调节要求。

为了提高装置的运转经济性，较大型的透平膨胀机中制动器所接受的功率常常需要加以利用，对于功率回收型的透平膨胀机，更是如此。功率消耗型的制动器则常用在功率较小的透平膨胀机中，以简化工艺流程。按照功率的利用与否，制动器可以分成两大类：功率回收型的制动器与功率消耗型的制动器。前者如异步交流发电机、透平增压机（即透平压缩机）等；后者如风机、油制动器等。在现代大中型空分装置中应用最广的是透平增压机、风机以及异步交流发电机。几种制动方式简要说明如下：

1）制动风机：一般用于中小型或者有特殊要求的透平膨胀机中，在空分装置中，为了不影响工艺流程的稳定工作，一般风机都直接从大气吸入空气，空气提高压力后直接排入大气；有时为了减小风机轮的尺寸，可以采用封闭循环的制动方式。风机制动器系统设计和制造都比较简单，操作调节方便。它只着眼于结构和强度反面，效率是不重要的。

2）透平增压机制动：在现代大中型空分装置中，增压透平膨胀机应用十分广泛，增压后的气体往往都直接用于工艺流程中。透平增压机实际上就是一台单级透平压缩机，它的设计要求高，在保证透平膨胀机工况性能的基础上，要求增压机有尽可能高的效率，以及有很好的变工况调节性能。

由于膨胀机叶轮和增压机叶轮是装在同一根转轴上的，具有相同的转速。在设计时为保证良好的整机性能，两者的功率平衡、力的平衡、性能和调节工况的匹配等十分关键。

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