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摘 要：透平膨胀机是一种低温制冷设备，通过带压气体吹动转子对外膨胀做功从而实现制冷，广泛应用于气体制冷、液化和分离行业;采用了气体润滑轴承技术，保证透平转子在气体膜的支撑下运转，无摩擦磨损，从而实现了透平膨胀机的长时间稳定运行。
关键词：膨胀机;控制流程;气体制动
1 透平膨胀机的应用
透平膨胀机是实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械，目前，从空调设备、低温环境模拟、空气或多介质气体的液化分离都有透平膨胀机的应用。在能源的综合利用方面，透平膨胀机作为回收能量的机械也得到了广泛的应用，比如高炉气透平膨胀机、天然气透平膨胀机、石油裂解气透平膨胀机、化工尾气透平膨胀机、烟气透平膨胀机、LNG透平膨胀机、排热回收透平膨胀家等。
对于应用天然气作为燃料且需求量很大的国家，利用液化天然气的冷箱是非常重要的，可以利用冷热进行发电，按照利用的方法有直接膨胀、直接膨胀家朗肯循环以及混合冷剂等三种，不管采用哪一种方法，都采用透平膨胀机作为能量回收设备。
2 透平膨胀机的分类
根据工质在工作轮中的流道方向可以有径流式、径-轴流式、轴流式之分，按照工质从外围向中心或中心向外围的流动方向，径流式和径-轴流式又有向心式和离心式区别。按照工质的膨胀过程所处的状态，又有气相膨胀机和两相膨胀机之分，而两相膨胀机又分气液两相、全液两相以及超临界状态膨胀的区别。
根据一台膨胀机中包含的级数多少分为单机透平膨胀机和多级透平膨胀机，为了简化结构，减少气流损失，径流透平膨胀机一般采用单级或有几台单级组成的多级膨胀型式。
目前，在低温技术应用最为广泛的是带有半开式工作轮的单机径向轴反动式透平膨胀机，它的级比焓降大，允许转速高，结构简单，热效率高。
3 结构介绍
主要由轴、工作轮和制动轮、蜗壳以及喷嘴和其他附件组成;工作轮固定在轴的下部，制动轮固定在轴的上部;转动部件用高精度动平衡机做动平衡，带压气体通过喷嘴环流经喷嘴进入工作轮推动转子做功;膨胀功被制动轮在高于室温的工况下吸收，在透平膨胀机中为了使工作轮能有效的获得尽可能大的动量矩，喷嘴总是需要一定的倾斜角，这样从结构上看，喷嘴必然要有三部分组成：进口段、主体段和出口段，进口段是把从蜗壳出来的气体导入喷嘴主体，因此希望叶片进口端有较大的圆弧角，以适应导入气流方向的变化。
蜗壳两端分别有膨胀机工作轮和制动轮，中间连接为刚性轴承，它有工作轮、壓机轮、导流锥、螺钉组成;前后轴承均为径向联合推力轴承转轴，由气体支撑作为润滑;在靠近两叶轮的轴上各有一套迷宫密封装置，产生气膜，减少轴承和转子在高速旋转下的磨损。结构图如下：
1.蜗壳 2.制动轮 3.止推轴承 4.轴 5.径向轴承 6.主机体7.迷宫密封 8.膨胀轮 9.喷嘴环 10.冷机体11.轴承进气嘴12.密封进气嘴13.四氟密封环14.绝热套
4 控制说明
1. 气动进气控制阀：通过对转速的监测来调节透平进气压力。
2. 进气温度计：显示透平进气口气体的温度。
3. 进气压力表：显示透平进气口的压力值。
4. 膨胀轮：材料为铝合金，是膨胀做工的主要部件。
5. 排气压力表：显示透平出口压力数值。
6. 排气温度计：显示透平出口温度数值。
7. 排气阀：膨胀气体将流经该阀。在透平运行前打开该阀，在透平停止运转后将该阀关闭。
8. 冷箱：所有工作在低温下工作的管道和设备均安装在冷箱当中，一般用珠光砂作为绝热材料。
9. 气体轴承：这是膨胀机重要的部分，轴承供气压力应当高于0.6 Mpa（表压），低于0.8 MPa （表压）。该压力在轴承供气压力表上显示。
10. 轴承供气压力表：显示轴承的供气压力，可在压力偏离合理范围时提供报警。
11. 轴承过滤器：可防止直径在2微米以上的灰尘或固体颗粒进入轴承。
12. 轴承进气阀：口径在15毫米左右，透平运转或吹除之前应首先开启此阀。
13. 吹除进气阀：口径在φ12mm，防止透平的冻结。
14. 吹除排气阀：与吹除进气阀相通;
15. 测速探头：该探头获取转子的转动信号，并将其传送到透平控制面板上显示。
16. 制动轮：透平所做的功由该制动轮消耗。该制动轮材料为铝合金，标号为LC9。
17. 制动进气消音过滤器：气体进入制动轮之前，首先经由此消音器和过滤器降低噪音和过滤（过滤精度50 微米）。
18. 制动进气阀：制动气入口调节作用。
19. 制动排气阀：制动气出口调节，防止转子超速。
20. 制动排气消音器：降低从制动轮中排出气流的噪音。
21. 透平转速计或转速控制仪：计量转速及报警提示和数据传输功能。
22. 膨胀机进气管：输送做供气体。
23. 透平排气管：膨胀后的气体，从透平膨胀机出来进入该管道。
24. 气动阀供气：通过气动阀上的压力调节器和过滤器，一小部分带压气体供应给气动阀并将压力保持在大约 0.14 Mpa （表压）。
25. 室温供气管：为气体轴承、气动控制阀和吹除进气阀供给带压气体。
26. 吹除进气压力表：最大允许的吹除进气压力为0.105 Mpa。
27. 透平进气过滤器：过滤精度为50微米，它装有一些数量分子筛，能够在低温下吸附二氧化碳。
5、总述
为了配合低温装置发展的需要，有关单位也开展了膨胀机试验研究工作，例如喷嘴宽度调节方法、气液两相膨胀机研究、临界转速控制程序等，在膨胀机结构细节进行了优化，制造工艺方面先后进行了工作轮精密浇筑成型、闭式工作轮的轮盖钎接工艺、工作轮的电火花加工成型工艺，气体轴承的挤压成型工艺等新工艺试验，但是，与国际先进水平相比，我国的膨胀机制造水平还是存在一定差距，自动控制和调节配套能力满足不了工艺发展需要，三元流设计制造也存在一定困难，随着中国工业体系的不断完善，相信，这一差距会逐渐缩小。
关键词：膨胀机;控制流程;气体制动
1 透平膨胀机的应用
透平膨胀机是实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械，目前，从空调设备、低温环境模拟、空气或多介质气体的液化分离都有透平膨胀机的应用。在能源的综合利用方面，透平膨胀机作为回收能量的机械也得到了广泛的应用，比如高炉气透平膨胀机、天然气透平膨胀机、石油裂解气透平膨胀机、化工尾气透平膨胀机、烟气透平膨胀机、LNG透平膨胀机、排热回收透平膨胀家等。
对于应用天然气作为燃料且需求量很大的国家，利用液化天然气的冷箱是非常重要的，可以利用冷热进行发电，按照利用的方法有直接膨胀、直接膨胀家朗肯循环以及混合冷剂等三种，不管采用哪一种方法，都采用透平膨胀机作为能量回收设备。
2 透平膨胀机的分类
根据工质在工作轮中的流道方向可以有径流式、径-轴流式、轴流式之分，按照工质从外围向中心或中心向外围的流动方向，径流式和径-轴流式又有向心式和离心式区别。按照工质的膨胀过程所处的状态，又有气相膨胀机和两相膨胀机之分，而两相膨胀机又分气液两相、全液两相以及超临界状态膨胀的区别。
根据一台膨胀机中包含的级数多少分为单机透平膨胀机和多级透平膨胀机，为了简化结构，减少气流损失，径流透平膨胀机一般采用单级或有几台单级组成的多级膨胀型式。
目前，在低温技术应用最为广泛的是带有半开式工作轮的单机径向轴反动式透平膨胀机，它的级比焓降大，允许转速高，结构简单，热效率高。
3 结构介绍
主要由轴、工作轮和制动轮、蜗壳以及喷嘴和其他附件组成;工作轮固定在轴的下部，制动轮固定在轴的上部;转动部件用高精度动平衡机做动平衡，带压气体通过喷嘴环流经喷嘴进入工作轮推动转子做功;膨胀功被制动轮在高于室温的工况下吸收，在透平膨胀机中为了使工作轮能有效的获得尽可能大的动量矩，喷嘴总是需要一定的倾斜角，这样从结构上看，喷嘴必然要有三部分组成：进口段、主体段和出口段，进口段是把从蜗壳出来的气体导入喷嘴主体，因此希望叶片进口端有较大的圆弧角，以适应导入气流方向的变化。
蜗壳两端分别有膨胀机工作轮和制动轮，中间连接为刚性轴承，它有工作轮、壓机轮、导流锥、螺钉组成;前后轴承均为径向联合推力轴承转轴，由气体支撑作为润滑;在靠近两叶轮的轴上各有一套迷宫密封装置，产生气膜，减少轴承和转子在高速旋转下的磨损。结构图如下：
1.蜗壳 2.制动轮 3.止推轴承 4.轴 5.径向轴承 6.主机体7.迷宫密封 8.膨胀轮 9.喷嘴环 10.冷机体11.轴承进气嘴12.密封进气嘴13.四氟密封环14.绝热套
4 控制说明
1. 气动进气控制阀：通过对转速的监测来调节透平进气压力。
2. 进气温度计：显示透平进气口气体的温度。
3. 进气压力表：显示透平进气口的压力值。
4. 膨胀轮：材料为铝合金，是膨胀做工的主要部件。
5. 排气压力表：显示透平出口压力数值。
6. 排气温度计：显示透平出口温度数值。
7. 排气阀：膨胀气体将流经该阀。在透平运行前打开该阀，在透平停止运转后将该阀关闭。
8. 冷箱：所有工作在低温下工作的管道和设备均安装在冷箱当中，一般用珠光砂作为绝热材料。
9. 气体轴承：这是膨胀机重要的部分，轴承供气压力应当高于0.6 Mpa（表压），低于0.8 MPa （表压）。该压力在轴承供气压力表上显示。
10. 轴承供气压力表：显示轴承的供气压力，可在压力偏离合理范围时提供报警。
11. 轴承过滤器：可防止直径在2微米以上的灰尘或固体颗粒进入轴承。
12. 轴承进气阀：口径在15毫米左右，透平运转或吹除之前应首先开启此阀。
13. 吹除进气阀：口径在φ12mm，防止透平的冻结。
14. 吹除排气阀：与吹除进气阀相通;
15. 测速探头：该探头获取转子的转动信号，并将其传送到透平控制面板上显示。
16. 制动轮：透平所做的功由该制动轮消耗。该制动轮材料为铝合金，标号为LC9。
17. 制动进气消音过滤器：气体进入制动轮之前，首先经由此消音器和过滤器降低噪音和过滤（过滤精度50 微米）。
18. 制动进气阀：制动气入口调节作用。
19. 制动排气阀：制动气出口调节，防止转子超速。
20. 制动排气消音器：降低从制动轮中排出气流的噪音。
21. 透平转速计或转速控制仪：计量转速及报警提示和数据传输功能。
22. 膨胀机进气管：输送做供气体。
23. 透平排气管：膨胀后的气体，从透平膨胀机出来进入该管道。
24. 气动阀供气：通过气动阀上的压力调节器和过滤器，一小部分带压气体供应给气动阀并将压力保持在大约 0.14 Mpa （表压）。
25. 室温供气管：为气体轴承、气动控制阀和吹除进气阀供给带压气体。
26. 吹除进气压力表：最大允许的吹除进气压力为0.105 Mpa。
27. 透平进气过滤器：过滤精度为50微米，它装有一些数量分子筛，能够在低温下吸附二氧化碳。
5、总述
为了配合低温装置发展的需要，有关单位也开展了膨胀机试验研究工作，例如喷嘴宽度调节方法、气液两相膨胀机研究、临界转速控制程序等，在膨胀机结构细节进行了优化，制造工艺方面先后进行了工作轮精密浇筑成型、闭式工作轮的轮盖钎接工艺、工作轮的电火花加工成型工艺，气体轴承的挤压成型工艺等新工艺试验，但是，与国际先进水平相比，我国的膨胀机制造水平还是存在一定差距，自动控制和调节配套能力满足不了工艺发展需要，三元流设计制造也存在一定困难，随着中国工业体系的不断完善，相信，这一差距会逐渐缩小。