第5章 膨胀机 - 图文(8)

用。工作轮的材质一般为铸铝（如ZL201、ZL402等）或锻铝（如LD2、LD5等），半开式叶轮可以采用铸铝精密铸造或锻铝铣制来制造，闭式叶轮也可以采用精密铸造或铣制来制造，但工艺上比半开式叶轮要复杂许多。闭式叶轮可以整体铣制，也有先铣制成半开式叶轮再采用钎焊等方法把轮盖焊上去的。

对于增压机制动的膨胀机来说，增压机就相当于一台单级离心压缩机，它的动力来源于膨胀机。它们在结构上是同轴关系，转速相等。作为一个有机的整体，两者间的性能匹配十分重要。可以用功转换率这个概念来衡量增压透平膨胀机的整机性能： ?g?NE??N??b （5.2-24） NE式中： ?g 功转换率

NE 膨胀功（膨胀机叶轮输出功） (Kw) ?N 膨胀机机械损耗 (Kw)

?b 增压机绝热效率

功转换率越高说明膨胀机的整机性能水平越高，NE实际上就是膨胀机的制冷量Q。从式（5.2-24）可以看出，膨胀机的效率越高，NE就越大，功转换率就越高；增压机的效率η

b

越高, η

g

也就越高。可以看出，增压机叶轮与膨胀

机叶轮同样重要，其气动性能的好坏直接影响着透平膨胀机整机的性能水平。它的结构形式、加工特点和材料选用与膨胀机叶轮是相同的。

膨胀机中，目前国内外厂商多按三元流要求来设计叶轮及通流部件，以求进一步改善整机运行性能。

由于膨胀机中叶轮多用铝材制成，为了提高流道表面的硬度，增加它的耐磨和耐腐性，在加工后须再进行阳极氧化处理，使表面生成坚固的保护层。

主轴和叶轮的连接，各厂商都有所不同，如图5.2.7-12所示为采用端面齿连接的结构，分别在叶轮和主轴上加工出沿周向均布的齿牙，齿牙的分布精度很高，齿面有一定的斜度，安装后起着定心定位和传递扭矩的作用。这种连接 方法结构紧凑，拆卸方便，重复安装精度高，但齿牙的加工精度要求较高。图5.2.7-10所示的连接为带锥形的三角轴连接结构，该种连接同时兼顾了对中功

能和传递扭矩的功能，具有良好的重复 图5.2.7-12端面齿连接方式

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精度和对中性。除了以上两种连接方式，常用的还有，端面多柱销连接方式：

沿周向均布若干圆柱销，定位同时传递扭矩；圆柱加键的连接方式：圆柱定 位，键传递扭矩；圆锥连接方式：圆锥定位，靠螺钉预紧产生的摩擦力来递扭矩等等。

实际工作中转子有可能从静止状态瞬间达到1~2万转/分钟，也可能从几万转/分钟瞬间就停了下来，这有可能造成转子螺钉的松落，造成事故，为此转子结构设计还应考虑叶轮的防松措施。

为保证良好的密封间隙和运转时的稳定性，转子组装完毕后，还应进行严格的动平衡，动平衡精度要求可按JB/T5904.2标准中G1级执行。要注意的是，由于透平膨胀机多是套筒式安装的，也就是说动平衡后转子必须拆掉才能装入机器，所以转子动平衡的重复精度一定要好，这样才能保证机器的良好运行。 4）轴承：透平膨胀机中常用的都是整体式的滑动油轴承，目前使用较多的有椭圆轴承、三油楔轴承、四油楔轴承和可倾瓦轴承。图5.2.7-13给出了径向和止推轴承一体的油楔轴承结构，它们有良好的动态性能，且结构相对简单，被广泛使用。它们的止推轴承由油槽分为若干块小轴瓦，每块轴瓦都由带一定斜度的斜面和止推平面组成，一般不允许修刮，只要安装正确并提供清 洁而充足的润滑油，它们就能保证转子的良好运转而不致

磨损。图5.2.7-14给出的是一种径 图5.2.7-13多油楔轴承 向和推力一体的可倾瓦组合轴承结 a)三油叶轴承 b) 四油叶轴承 构，这种轴承具有良好的动态性能，运行稳定性较好。轴承的排油经油管回入油箱循环使用，轴承温度用一般铂电阻温度计测量。

图5.2.7-14可倾瓦轴承

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对于一些高速轻载的小型透平膨胀机，更多的都采用气体润滑轴承。由于气体的粘度很小，故而气体轴承的承载能力一般只有油轴承的百分之一左右。但由于它没有油汽等的污染，所以其环保特点是勿庸质疑的。气体轴承分静压轴承和动压轴承，各有优缺点，目前在小型透平膨胀机中均有采用，但使用较多的还是气体静压轴承。静压轴承需要外界不断地供气，即要消耗部分能量，它的承载能力根据供气压力的不同而变化；而气体动压轴承工作时则无需外

界提供压力气，在运行时靠自身的结构自动形成 图5.2.7-15气体静压轴承 气膜，结构相对复杂一些。图5.2.7-15介绍了一种静压气体轴承的结构，径向采用1/4双排节流小 孔，止推采用沿周向均布的单排节流孔。

图5.2.7-16则提供了一种动压气体轴承的结构，径向三块轴瓦是可以摆动的（图示a），它与柔性体之间用球铰链连接，止推动压轴承则采用对数螺旋槽

式结构（图示b）, 图5.2.7-16气体动压轴承 共有15个槽。

另外，电磁轴承在膨胀机领域也得到应用，但由于它一次性的投资比较大，控制要求比较高，所以使用不是很广泛，在油田天然气膨胀机上使用较多。 5）密封：密封一般分为内密封和轴密封。内密封为设在膨胀机内部的防止或减少介质在流动过程中产生内泄漏的密封，如图5.2.7-17 b所示为某台膨胀机的内部结构图，2和3处易造成喷嘴进出口间的短路，使蜗壳后介质不经喷嘴膨胀而直接进入工作轮，为此必须设置喷嘴压紧机构使喷嘴端面没有间隙，同时要保证喷嘴动静滑块之间有良好的密封；图1处容易造成工作轮进出口间的短路，使喷嘴后介质直接进入工作轮后的扩压器，对于闭式工作轮，常在叶轮顶部设置阶梯式的迷宫密封（如图b）或端面迷宫密封（如图a）来保证尽可能小的泄漏量；而对于半开式工作轮来说，则应在保证安全运行的情况下使叶轮叶片顶

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部动静件之间的间隙尽可能小。

图5.2.7-17泄漏与密封

在工作轮背面，低温带压气体会沿轴间向外泄漏，减少了膨胀机的制冷量，另外，由于冷量的外泄还会导致轴承润滑油的固化，造成事故，因此需要设置可靠的轴密封。目前透平膨胀机的轴封普遍采用刚性式迷宫密封，以保证很小的间隙值。图5.2.7-18是几种轴封形式的示意图。 图a所示为在转轴上加工（也可镶轴套）出密封齿，而在静止的密封器体内镶有电化石墨或巴氏合金，

图5.2.7-18轴封形式

加工保证它们具有很小的间隙值或略有过盈，运行时经跑合而在密封器体内刻出密封槽，从而获得很小的密封间隙。图b为光轴而在密封器体内用电化石墨或胶木等制成若干条密封齿和槽，保证较小的间隙。图c所示，密封器体内加工出密封齿，轴上镶套并做出密封槽，它们都做成圆锥形的，通过密封器轴向位置的调整可以获得最佳的间隙值。通过轴封的泄漏是轴封上流和下流压力，间隙值和轴封长度的函数，而轴封上流压力取决于间隙压力。因此，为了更好地控制气体的泄漏和防止润滑油渗入到工作介质内，必须向轴封中通入干燥密封气体，其压力要根据间隙压力(工作轮背气体的压力)的大小来控制。一般设置一差压自动控制阀，调整时应控制密封气压力与间隙压力之差为一较小值，以防止冷气体的泄漏并不至将密封气本身的热量带入透平。

6）扩压器：一般扩压器都采用结构比较简单的圆锥管状扩压管。为了减少损失(见5.2.3.4所述)有时需要采用较长的扩压管，常分成两段，机体内设置一段，

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出口管口上设置一段。

7）制动器：透平膨胀机中制动器分为功率回收型的和功率消耗型的，空分中增压机制动、电机制动都属于功率回收型的制动器；而风机制动、油制动则属于功率消耗型的制动器，参见5.2.5.2节。 增压机制动器

增压机一般由进气接管、 增压叶轮、扩压器和蜗壳等组成(见图5.2.7-1)，增压轮和膨胀机叶轮装在同一主轴上构成转子，其所需功率由膨胀机提供，气体轴向吸入在增压轮内加速，压力增高，使得气体流经扩压形流道后，将动能转变为势能，随后气体汇集出增压机蜗壳。

为获得高效率，在增压机叶轮轮盖上设置了叶轮密封，同时在增压机叶轮背面也设置了密宫式轴封，并通入一定压力的密封气体，以确保润滑油不渗漏进工艺气中。 风机制动器

风机的结构和与增压机相差不多，只是它对性能方面的要求不是很高，通流部分的设计不象增压机那样讲究。 电机制动

对于电机制动透平膨胀机来说，膨胀机转子的另一端连接一个齿套（见图5.2.7-10b），用以和减速箱连接(见图5.2.7-2)，电机制动透平膨胀机的减速箱有采用平行轴齿轮的、有使用行星齿轮减速的等等，图5.2.7-19~20介绍了这两种

图5.2.7-19行星齿轮减速箱 图5.2.7-20平行轴减速齿轮

减速箱的结构。在空分中，一般发电机的功率按膨胀机最大设计负荷的1.2~1.3倍来选择。 油制动

对于油制动透平膨胀机来说，可在轴承箱上制成多个油槽，和油槽相配的是转子的一段光轴，每个或每几个油槽都可单独进入或者调节润滑油。相当于多个可选择使用或停用的轴承，如图5.2.7-3所示。

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