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摘 要：增压透平膨胀机是一种高速旋转的热力机械，在空分、天然气加工行业中应用广泛。长期以来，我们的膨胀机叶轮零件，在其最后加工中，都要由钳工修刮叶片来达到设计要求，时期密封性达到最好。本文从增压透平膨胀机的密封性影响因素入手，对迷宫密封、叶轮叶片修形等解决措施进行了深入阐述。
關键词：密封性 叶轮叶片 措施 效果
膨胀机的效率高低取决于膨胀机内的各种损失的大小。由于各种损失的存在，使气体对外做功的能力降低。目前膨胀机普遍采用的密封有两种类型：迷宫式密封和石墨密封（包括石墨碳环密封）。迷宫密封是在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。由于迷宫密封的转子和机壳间存在间隙，无固体接触，毋须润滑，并允许有热膨胀，适应高温、高压、高转速频率的场合，迷宫密封在膨胀机上是用得最广泛的一种密封。
一、影响密封性的因素分析
1.迷宫特性的影响因素
1.1齿的影响。根据国外所进行的试验得出：齿距一定时，齿数越多，泄露量越少。齿距改变时，齿距越大，泄露量会急剧下降，同时还可以减少透气现象的影响。
1.2膨胀室的影响。国外对膨胀室深度的影响进行过试验研究，结论是浅的膨胀室对减少泄露量有利。 根据对膨胀室流动状态的观察，认为浅膨胀室中的旋涡是不稳定的。由于旋涡能很快地把能量耗尽，所以膨胀室的渐近速度减小，起到减小泄露的效果。
1.3副室的影响。所谓 “副室”是指直通型迷宫光滑面上开的附属槽，开槽后迷宫中的流动状态立即发生明显的变化。试验证明，只要副室的位置恰当，泄露量的减少率是相当大的。
迷宫密封泄漏量的计算主要是依据经验公式，而这些公式中流量系数要依据试验获得，。目前有代表性的计算方法为Stodala 公式：
（1）
式中α-流量系数
A-密封间隙面积，m2
p0 、pb-进、出口压力， Pa
v0-进口工质密度，kg/ m3
n-齿数
但式（1）并不能完全反映出影响迷宫密封的性能的因素，总体来说影响迷宫密封的性能的因素有总体的结构型式、涡流空腔形状及尺寸、节流间隙宽度、节流齿厚度及数量、齿顶形状、齿倾角、介质特性、压力温度条件、转轴旋转速度和介质流向等，而且各种影响因素互相关联。下面粗浅谈一下几个因素的单独影响。
间隙对迷宫密封流场的影响
在分析间隙对迷宫密封泄漏量的影响时， 其它条件不变时， 仅考虑间隙值变化对泄漏量的影响。如图（1）
图1 迷宫密封模型
H-齿高，Δ-密封齿厚度，w-腔室宽度 R-转子半径，C-密封间隙
当间隙增加时，泄漏量相应也会增加，泄漏量随间隙的变化趋势如图2 所示。随着间隙的变化而呈线性变化。
2.密封齿厚度对迷宫密封的影响
随着密封齿厚度的增加，流体在流过密封齿间隙时其摩擦损失增大， 使得流体能量损失增加，泄漏量随之减小。泄漏量随密封齿厚度的变化趋势如图2所示。随着密封齿厚度的增加，泄漏量相对减少，泄漏量按线性规律变化。
图2
实际应用中， 密封齿不宜太厚。如果密封齿太厚，会减少空腔数量和空腔宽度。空腔数量和空腔宽度的减少又会使泄漏量增大；而密封齿太厚，在转子与定子发生碰撞时，密封齿对轴的作用力较大，有可能使轴受到损伤。所以在实际应用中应尽量减少密封齿厚度， 这样即使转子与定子发生碰撞， 也只会是密封齿损坏， 对轴的影响较小。
3.空腔深度对迷宫密封的影响
空腔深度越大，紊流程度下降，泄漏量越大。迷宫密封计算泄漏量随密封空腔深度的变化趋势如图3 所示。
图3
4.叶轮对密封性的影响
对于膨胀叶轮，修刮叶片其出口叶背段；对于压缩机叶轮，修刮叶片进口非工作表面段。一般修刮量都比较大，小则1mm，大则3～5不等，对于膨胀机叶轮，修形后可以减少轮背摩擦损失和尾迹损失，据资料上估算约1.5～2%。对于压缩机叶轮，修形后可以减少叶片进口阻塞系数及进口扰流损失，据资料上估算约1～2%。
从很多测绘叶轮来看：对于直径为Φ150的叶轮，无论是膨胀叶轮还是压缩机叶轮，其修形长度都在15～25mm左右，叶片边缘厚度小于0.5mm。
从叶轮设计角度来看，修形后流道宽度增大，相对来说，可以增加叶片数量，改善气体流动性能。
从加工角度来看，修形后，流道宽度变宽，容易增大加工使用的刀具，也可以更灵活的控制刀具加工时的切削方向和走刀角度。
为了提高和改善叶轮叶片边缘的加工质量，使叶片边缘顺滑，提高叶轮零件的加工效率，对加工程序进行优化是必要的。
因此，对叶轮加工程序的改进与优化，达到提高其加工质量、不需要手工修整或仅需要很少的修整的目的。
二、解决措施和优化手段
1.间隙宽度对泄漏量的影响体现在通过改变空腔进出口面积来改变泄漏量。所以泄漏量随间隙宽度呈线性变化。在实际运用中，在保证安全的情况下尽量减小间隙宽度。
2.随着密封齿厚度的增加， 泄漏量相对减少，泄漏量是按线性变化的。
3.在一定条件下， 空腔深度越大， 紊流程度下降，泄漏量越大。
4.软件功能的合理组合与使用
必须很好地熟悉NREC软件，对其高级功能很好灵活的使用。如果各高级功能组合不当，生成的加工程序可能产生错误，也可能降低程序质量。
2.加工程序的优化
加工程序的优化的目的是提高零件的加工效率并提高零件的加工质量。
加工程序的优化主要途径主要有走刀轨迹的优化和进给速度两方面的优化，这里只针对进给速度的优化进行说明。走刀轨迹的优化也有很多技术性的问题需要探讨，准备另行文专门研究。
叶轮加工时，加工程序应当粗精加工分开，并通过对加工程序的进给速度的控制来达到加工的高效与高质量的合理统一。
刀具在叶片边缘走刀时，速度变化太大，对机床运动加速度要求很高，很容易产生刀具过切叶片，并容易在叶片表面上产生刀具颤动痕迹，造成叶片尺寸精度降底，叶片表面质量下降；特别是在叶片精加工时对进给速度的控制相当重要。在五轴高速铣机床（如米克朗机床）上加工叶轮更要考虑进给速度问题。当叶片边缘修形后，叶片变薄，更为明显。
因此，在叶片边缘附近，加工程序的进给速度应当合理调整，对其进行多级加减速控制，这样可以很好地克服上述问题。如图所示。
加工程序的优化的主要途径是通过对生成的加工程序进行速度调整，但是这也是非常谨慎的工作。目前对加工程序的优化主要是通过专业软件进行，如Vericut软件。通过反复的研究，在NREC软件里也很好地实现了对其生成的加工程序的优化处理。
生成的程序在米克朗高速铣机床上和我们普通的五轴机床上使用，使用效果都很良好。
三、修形与加工程序优化后的效果评价
使用修形优化后的程序加工的叶轮已有很多，从使用程序修形后，膨胀机性能都很好的满足了设计要求，如PT550等。
使用修形优化后的程序加工的叶轮，从叶轮的叶片表面质量和叶轮各叶片的均匀一致性来看，手工修刮是无法比较的。
另外，钳工的劳动强度大大减小，很大的提高了工作效率和降低了劳动强度。
参考文献
[1]姚海，吴荣仁；空气制冷机中小流量透平膨胀机的试验研究[J]；低温工程；1998年05期.
[2]赵晨；杨金福；韩东江；陈昌婷；齐伟军；；增压透平膨胀制冷机转速性能试验研究[J]；工程热物理学报；2013年07期.
關键词：密封性 叶轮叶片 措施 效果
膨胀机的效率高低取决于膨胀机内的各种损失的大小。由于各种损失的存在，使气体对外做功的能力降低。目前膨胀机普遍采用的密封有两种类型：迷宫式密封和石墨密封（包括石墨碳环密封）。迷宫密封是在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。由于迷宫密封的转子和机壳间存在间隙，无固体接触，毋须润滑，并允许有热膨胀，适应高温、高压、高转速频率的场合，迷宫密封在膨胀机上是用得最广泛的一种密封。
一、影响密封性的因素分析
1.迷宫特性的影响因素
1.1齿的影响。根据国外所进行的试验得出：齿距一定时，齿数越多，泄露量越少。齿距改变时，齿距越大，泄露量会急剧下降，同时还可以减少透气现象的影响。
1.2膨胀室的影响。国外对膨胀室深度的影响进行过试验研究，结论是浅的膨胀室对减少泄露量有利。 根据对膨胀室流动状态的观察，认为浅膨胀室中的旋涡是不稳定的。由于旋涡能很快地把能量耗尽，所以膨胀室的渐近速度减小，起到减小泄露的效果。
1.3副室的影响。所谓 “副室”是指直通型迷宫光滑面上开的附属槽，开槽后迷宫中的流动状态立即发生明显的变化。试验证明，只要副室的位置恰当，泄露量的减少率是相当大的。
迷宫密封泄漏量的计算主要是依据经验公式，而这些公式中流量系数要依据试验获得，。目前有代表性的计算方法为Stodala 公式：
（1）
式中α-流量系数
A-密封间隙面积，m2
p0 、pb-进、出口压力， Pa
v0-进口工质密度，kg/ m3
n-齿数
但式（1）并不能完全反映出影响迷宫密封的性能的因素，总体来说影响迷宫密封的性能的因素有总体的结构型式、涡流空腔形状及尺寸、节流间隙宽度、节流齿厚度及数量、齿顶形状、齿倾角、介质特性、压力温度条件、转轴旋转速度和介质流向等，而且各种影响因素互相关联。下面粗浅谈一下几个因素的单独影响。
间隙对迷宫密封流场的影响
在分析间隙对迷宫密封泄漏量的影响时， 其它条件不变时， 仅考虑间隙值变化对泄漏量的影响。如图（1）
图1 迷宫密封模型
H-齿高，Δ-密封齿厚度，w-腔室宽度 R-转子半径，C-密封间隙
当间隙增加时，泄漏量相应也会增加，泄漏量随间隙的变化趋势如图2 所示。随着间隙的变化而呈线性变化。
2.密封齿厚度对迷宫密封的影响
随着密封齿厚度的增加，流体在流过密封齿间隙时其摩擦损失增大， 使得流体能量损失增加，泄漏量随之减小。泄漏量随密封齿厚度的变化趋势如图2所示。随着密封齿厚度的增加，泄漏量相对减少，泄漏量按线性规律变化。
图2
实际应用中， 密封齿不宜太厚。如果密封齿太厚，会减少空腔数量和空腔宽度。空腔数量和空腔宽度的减少又会使泄漏量增大；而密封齿太厚，在转子与定子发生碰撞时，密封齿对轴的作用力较大，有可能使轴受到损伤。所以在实际应用中应尽量减少密封齿厚度， 这样即使转子与定子发生碰撞， 也只会是密封齿损坏， 对轴的影响较小。
3.空腔深度对迷宫密封的影响
空腔深度越大，紊流程度下降，泄漏量越大。迷宫密封计算泄漏量随密封空腔深度的变化趋势如图3 所示。
图3
4.叶轮对密封性的影响
对于膨胀叶轮，修刮叶片其出口叶背段；对于压缩机叶轮，修刮叶片进口非工作表面段。一般修刮量都比较大，小则1mm，大则3～5不等，对于膨胀机叶轮，修形后可以减少轮背摩擦损失和尾迹损失，据资料上估算约1.5～2%。对于压缩机叶轮，修形后可以减少叶片进口阻塞系数及进口扰流损失，据资料上估算约1～2%。
从很多测绘叶轮来看：对于直径为Φ150的叶轮，无论是膨胀叶轮还是压缩机叶轮，其修形长度都在15～25mm左右，叶片边缘厚度小于0.5mm。
从叶轮设计角度来看，修形后流道宽度增大，相对来说，可以增加叶片数量，改善气体流动性能。
从加工角度来看，修形后，流道宽度变宽，容易增大加工使用的刀具，也可以更灵活的控制刀具加工时的切削方向和走刀角度。
为了提高和改善叶轮叶片边缘的加工质量，使叶片边缘顺滑，提高叶轮零件的加工效率，对加工程序进行优化是必要的。
因此，对叶轮加工程序的改进与优化，达到提高其加工质量、不需要手工修整或仅需要很少的修整的目的。
二、解决措施和优化手段
1.间隙宽度对泄漏量的影响体现在通过改变空腔进出口面积来改变泄漏量。所以泄漏量随间隙宽度呈线性变化。在实际运用中，在保证安全的情况下尽量减小间隙宽度。
2.随着密封齿厚度的增加， 泄漏量相对减少，泄漏量是按线性变化的。
3.在一定条件下， 空腔深度越大， 紊流程度下降，泄漏量越大。
4.软件功能的合理组合与使用
必须很好地熟悉NREC软件，对其高级功能很好灵活的使用。如果各高级功能组合不当，生成的加工程序可能产生错误，也可能降低程序质量。
2.加工程序的优化
加工程序的优化的目的是提高零件的加工效率并提高零件的加工质量。
加工程序的优化主要途径主要有走刀轨迹的优化和进给速度两方面的优化，这里只针对进给速度的优化进行说明。走刀轨迹的优化也有很多技术性的问题需要探讨，准备另行文专门研究。
叶轮加工时，加工程序应当粗精加工分开，并通过对加工程序的进给速度的控制来达到加工的高效与高质量的合理统一。
刀具在叶片边缘走刀时，速度变化太大，对机床运动加速度要求很高，很容易产生刀具过切叶片，并容易在叶片表面上产生刀具颤动痕迹，造成叶片尺寸精度降底，叶片表面质量下降；特别是在叶片精加工时对进给速度的控制相当重要。在五轴高速铣机床（如米克朗机床）上加工叶轮更要考虑进给速度问题。当叶片边缘修形后，叶片变薄，更为明显。
因此，在叶片边缘附近，加工程序的进给速度应当合理调整，对其进行多级加减速控制，这样可以很好地克服上述问题。如图所示。
加工程序的优化的主要途径是通过对生成的加工程序进行速度调整，但是这也是非常谨慎的工作。目前对加工程序的优化主要是通过专业软件进行，如Vericut软件。通过反复的研究，在NREC软件里也很好地实现了对其生成的加工程序的优化处理。
生成的程序在米克朗高速铣机床上和我们普通的五轴机床上使用，使用效果都很良好。
三、修形与加工程序优化后的效果评价
使用修形优化后的程序加工的叶轮已有很多，从使用程序修形后，膨胀机性能都很好的满足了设计要求，如PT550等。
使用修形优化后的程序加工的叶轮，从叶轮的叶片表面质量和叶轮各叶片的均匀一致性来看，手工修刮是无法比较的。
另外，钳工的劳动强度大大减小，很大的提高了工作效率和降低了劳动强度。
参考文献
[1]姚海，吴荣仁；空气制冷机中小流量透平膨胀机的试验研究[J]；低温工程；1998年05期.
[2]赵晨；杨金福；韩东江；陈昌婷；齐伟军；；增压透平膨胀制冷机转速性能试验研究[J]；工程热物理学报；2013年07期.