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摘要：本文主要研究了透平膨胀机常见故障及其处理方法。对透平膨胀机常见故障进行了介绍，并结合透平膨胀机的运行原理、机械结构及气体动力学等方面对常见故障进行了仔细分析，并针对每种故障给出了合理的处理方案。
关键词：透平膨胀机;故障;分析;处理
0 引言
目前制冷技术的应用已非常广泛，从航天、航空到低温超导，从气体的低温分离到能量回收，甚至空调、冷冻等，已经深入到国民经济的各个部门，而这些低温冷量的获得主要是依靠气体的膨胀，特别是依靠气体的等熵绝热膨胀，而透平膨胀机是实现这一膨胀过程的一种最有效的设备。透平膨胀机的主要工作原理是利用有一定压力的压缩气体在其膨胀端内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，压缩气体通过绝热膨胀急剧的消耗内能从而使其温度快速下降，从而达到制冷的目的，透平膨胀机的绝热膨胀过程会输出能量，其输出的能量由与其同轴的发电机、增压机或制动风机等进行消耗。透平膨胀机结构如图1所示。
图1 透平膨胀机结构图
在石油化工、炼油、氮制冷系统、天然气、采油等工业领域中，透平膨胀机具有广泛的应用，它是保证整套系统稳定运行的核心设备。
因此保证透平膨胀机安全可靠运行是非常重要的，而及时的判断与解决透平膨胀机的故障，甚至提前预防故障发生，才能保证透平膨胀机的安全可靠运行。本文就透平膨胀机常见的5种故障进行了分析，并给出处理措施。
1 泄露量过大分析与处理
透平膨胀机的气体泄漏包括设备内部泄漏和设备外部泄漏两种。
（1）设备内部泄漏
设备内部泄漏是指其中一部分气体通过导流器后未经膨胀叶轮进行膨胀，而是直接从机壳与膨胀叶轮之间的间隙溢出，与经过膨胀叶轮发生绝热膨胀的制冷气体混合，这些溢流出的气体未经膨胀叶轮的绝热膨胀，温度较高，所以会降低透平膨胀机的制冷效率。膨胀叶轮与机壳间的间隙越大，则设备内部泄漏量越大，透平膨胀机的制冷效率也就越低。因次当透平膨胀机设备内部泄漏量增大时，应重新调整膨胀叶轮叶片与机壳之间的间隙，必须将其间隙值严格控制在规定公差范围内。
（2） 设备外部泄漏
设备外部泄漏是指气体通过主轴与轴密封套之间的间隙向外部发生泄露。泄露的这部分气体不会对透平膨胀机的制冷效率造成影响，但是会造成总制冷量的降低。而且向设备外部泄露的气体的冷量将永远丢失，无法进行回收，因此会严重影响透平膨胀机的总制冷量。主轴与密封套之间的密封质量与密封间隙将直接影响外部泄漏量的大小。当发生外部泄露时，应首先检查密封气流量是否足够，密封气压力是否达到要求，密封气路由是否通畅，若检查密封气没有问题，则必须调整主轴与轴密封套之间的间隙，应控制在规定的公差范围内，必要时应更换新的轴密封。
2 转子不平衡引起的振动故障分析与处理
若透平膨胀机转子不平衡，在运转中将引起振动故障。转子是透平膨胀机中的高速运动部件，其转速最高可达到30000～40000r/min，且转子主轴与轴承之间的间隙非常小，因此若转子平衡不佳，将严重影响透平膨胀机的运行，严重时可引起卡机或设备解体。造成转子的不平衡的原因是其几何中心与质量中心不重合（质心不在旋转轴上），转子不平衡带来的后果是增加附加载荷，其表现为振动随运行时间的延长而逐渐增大。当转子动不平衡时，在高速旋转时将产生离心惯性力，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生噪音，缩短机械寿命，严重时造成破坏性事故。
据统计，有50%以上的机械振动故障是由不平衡力引起的，因此在装配前对转子进行平衡试验是非常有必要的，平衡试验包括动平衡和静平衡试验。
转子静不平衡表现在一个旋转体的质量轴线与旋转轴线不重合，但平行于旋转轴线，因此不平衡将发生在单个平面上，不平衡所产生的离心力作用在两端的支撑上时相等且同向的。转子通过静平衡试验达到静平衡后，转子的重心尽可能和旋转中心相重合，分布于转子上的各个质量的离心力的向量总和等于零，静平衡也叫单面平衡。
转子动不平衡表现在其质量轴线与旋转轴线不重合，而且既不平行也不相交，因此不平衡将发生在两个平面上，可以认为动力不平衡时静力不平衡与偶不平衡的组合，不平衡所产生的离心力作用于两端支撑，既不相等且角向量也不相同。转子通过动平衡试验达到动平衡后，转子的旋转轴成为主惯性轴，离心力的向量和与静力矩的向量和均等于零。
通过静平衡试验与动平衡试验使转子达到平衡后，将消除设备的振动故障。
3 轴承故障分析与处理
转子旋转过程中，其轴颈与轴瓦之间由于轴承的偏心值，使一定的油量流入瓦间形成契型油膜，并形成一定的压力将轴托起，使得其不与轴承直接接触，从而形成良好的润滑旋转状态。若没有形成良好的油膜，轴承与轴颈将直接接触，转子高速旋转时将发生剧烈摩擦，甚至发生轴承抱死的卡机现象。透平膨胀机出现轴承卡机现象前往往会出现转速不稳定、振动加大、轴承温度超高现象，或发出尖锐异常响声。
而引起透平膨胀机轴承发生磨损的可能原因及解决方法如下：
（1）润滑油供应不足或油路不清洁。润滑油供应不足或油路不清洁将引起轴承与轴颈之间无法形成良好的油膜，故而导致轴承磨损。因此发生此故障时，应对油泵、油管路、油过滤器进行检查，保证油路的充足供应、畅通及清洁。
（2）转子不平衡。转子不平衡时将增加附加载荷，轴振动随运行时间的延长而逐渐增大，当振动超过一定值时，将引起轴頸与轴承发生干摩擦，引起轴承磨损，此时应按照第2节中介绍的方法对转子进行平衡试验。
（3）膨胀端轴承温度过低。当膨胀端轴承温度过低时，会使轴承间隙太小而影响正常运行，严重时还会引起润滑油固化，导致轴承与轴径无法形成润滑。造成膨胀端轴承温度过低的原因主要是膨胀端轴密封间隙过大，从而导致冷气泄露至轴承处，致使膨胀端轴承温度过低。解决此问题的方法是更换新的轴密封。 4 运转超速分析与处理
（1）启动时超速
可能造成透平膨胀机启动超速故障的原因有两个：一方面是开启喷嘴时过猛，流量过大;另一方面，也是最容易被忽视的，就是增压端出口至增压端进口的回流阀没有全开。因为当全开回流阀时，系统阻力处于最小状态，在调节喷嘴时才不会导致超速。因此在启动透平膨胀机时，一方面要缓慢打开透平膨胀机的喷嘴，另一方面要全开回流阀以防超转。
（2）运转时超速
透平膨胀机在运转时超速，可能原因包括：增压机进气流量过大、喷嘴调节与回流阀调节配合不当。
当增压机进气流量过大时，也同时会导致膨胀端的进气流量过大，从而导致膨胀端输出功过大导致转子超速。
在调节透平膨胀机转速的过程中，若回流阀开度过小，同时加大喷嘴开度，将导致透平膨胀机超速，因此在调节透平膨胀机转速的过程中，应将回流阀全开，缓慢调节喷嘴开度，当喷嘴开至最大开度，还需增大转速时，再缓慢关闭回流阀，这样才能保证透平膨胀机不发生超速现象。
5 振动过大分析与处理
造成透平膨胀机振动过大的原因较多，但主要有以下几个方面：
（1）叶轮松动，叶片磨损或是叶轮内有杂质凝结。叶轮松动，叶片磨损或是叶轮内有杂质凝结，都将导致转子不平衡，从而导致振动加大，若发生此类故障，应重新安装或更换叶轮，并检查前段压缩空气精密过滤器是否发生泄露。
（2）透平膨胀机膨胀端出口阀关得过小或增压机进口管路及过滤器受阻， 透平膨胀机工作点进入喘振区，造成透平膨胀机工作不稳定而产生振动。过发生此故障，应对增压端进气阀门、进气精密过滤器、回流阀及膨胀端出口阀门进行检查，防止透平膨胀机进入喘振区域。
（3）膨胀叶轮出现结冰现象，导致叶轮损坏，从而引起透平膨胀机振动。若发生此故障，应检查前段压缩空气干燥净化装置是否发生故障，干燥净化装置净化后的压缩空气是否达到规定的露点温度。
（4）轴承损坏造成透平膨胀机不能正常运转而产生振动。发生此故障应按照本文地3节介绍的方法进行处理。
6 结束语
了解并掌握了透平膨胀机运行过程中产生故障的原因及其故障处理方法，才能保证透平膨胀机的安全可靠运行。
参考文献：
[1]黄科，杨雪婷.空气分离原理?设备与操作[M].四川空分设备有限责任公司.2008.
[2]陈允恺.小型空气分离设备基本知识[M].北京：机械工业出版社.1996.
[3]杨 军.透平膨胀机几种常见故障的分析与处[J].辽宁化工.2005（ 10）.
[4]王心刚.透平膨胀机的工作原理及操作规程[J].机械与自动化. 2014（ 9）.
作者简介：简介： 金超（1987--），出身年月日：1987.8.18?同身份证号：612321198708185515?男，籍贯：陕西汉中，民族：汉族，职称：工程师，单位名称：中国航发湖南动力机械研究所?学历：硕士，研究方向：气源技术
关键词：透平膨胀机;故障;分析;处理
0 引言
目前制冷技术的应用已非常广泛，从航天、航空到低温超导，从气体的低温分离到能量回收，甚至空调、冷冻等，已经深入到国民经济的各个部门，而这些低温冷量的获得主要是依靠气体的膨胀，特别是依靠气体的等熵绝热膨胀，而透平膨胀机是实现这一膨胀过程的一种最有效的设备。透平膨胀机的主要工作原理是利用有一定压力的压缩气体在其膨胀端内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，压缩气体通过绝热膨胀急剧的消耗内能从而使其温度快速下降，从而达到制冷的目的，透平膨胀机的绝热膨胀过程会输出能量，其输出的能量由与其同轴的发电机、增压机或制动风机等进行消耗。透平膨胀机结构如图1所示。
图1 透平膨胀机结构图
在石油化工、炼油、氮制冷系统、天然气、采油等工业领域中，透平膨胀机具有广泛的应用，它是保证整套系统稳定运行的核心设备。
因此保证透平膨胀机安全可靠运行是非常重要的，而及时的判断与解决透平膨胀机的故障，甚至提前预防故障发生，才能保证透平膨胀机的安全可靠运行。本文就透平膨胀机常见的5种故障进行了分析，并给出处理措施。
1 泄露量过大分析与处理
透平膨胀机的气体泄漏包括设备内部泄漏和设备外部泄漏两种。
（1）设备内部泄漏
设备内部泄漏是指其中一部分气体通过导流器后未经膨胀叶轮进行膨胀，而是直接从机壳与膨胀叶轮之间的间隙溢出，与经过膨胀叶轮发生绝热膨胀的制冷气体混合，这些溢流出的气体未经膨胀叶轮的绝热膨胀，温度较高，所以会降低透平膨胀机的制冷效率。膨胀叶轮与机壳间的间隙越大，则设备内部泄漏量越大，透平膨胀机的制冷效率也就越低。因次当透平膨胀机设备内部泄漏量增大时，应重新调整膨胀叶轮叶片与机壳之间的间隙，必须将其间隙值严格控制在规定公差范围内。
（2） 设备外部泄漏
设备外部泄漏是指气体通过主轴与轴密封套之间的间隙向外部发生泄露。泄露的这部分气体不会对透平膨胀机的制冷效率造成影响，但是会造成总制冷量的降低。而且向设备外部泄露的气体的冷量将永远丢失，无法进行回收，因此会严重影响透平膨胀机的总制冷量。主轴与密封套之间的密封质量与密封间隙将直接影响外部泄漏量的大小。当发生外部泄露时，应首先检查密封气流量是否足够，密封气压力是否达到要求，密封气路由是否通畅，若检查密封气没有问题，则必须调整主轴与轴密封套之间的间隙，应控制在规定的公差范围内，必要时应更换新的轴密封。
2 转子不平衡引起的振动故障分析与处理
若透平膨胀机转子不平衡，在运转中将引起振动故障。转子是透平膨胀机中的高速运动部件，其转速最高可达到30000～40000r/min，且转子主轴与轴承之间的间隙非常小，因此若转子平衡不佳，将严重影响透平膨胀机的运行，严重时可引起卡机或设备解体。造成转子的不平衡的原因是其几何中心与质量中心不重合（质心不在旋转轴上），转子不平衡带来的后果是增加附加载荷，其表现为振动随运行时间的延长而逐渐增大。当转子动不平衡时，在高速旋转时将产生离心惯性力，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生噪音，缩短机械寿命，严重时造成破坏性事故。
据统计，有50%以上的机械振动故障是由不平衡力引起的，因此在装配前对转子进行平衡试验是非常有必要的，平衡试验包括动平衡和静平衡试验。
转子静不平衡表现在一个旋转体的质量轴线与旋转轴线不重合，但平行于旋转轴线，因此不平衡将发生在单个平面上，不平衡所产生的离心力作用在两端的支撑上时相等且同向的。转子通过静平衡试验达到静平衡后，转子的重心尽可能和旋转中心相重合，分布于转子上的各个质量的离心力的向量总和等于零，静平衡也叫单面平衡。
转子动不平衡表现在其质量轴线与旋转轴线不重合，而且既不平行也不相交，因此不平衡将发生在两个平面上，可以认为动力不平衡时静力不平衡与偶不平衡的组合，不平衡所产生的离心力作用于两端支撑，既不相等且角向量也不相同。转子通过动平衡试验达到动平衡后，转子的旋转轴成为主惯性轴，离心力的向量和与静力矩的向量和均等于零。
通过静平衡试验与动平衡试验使转子达到平衡后，将消除设备的振动故障。
3 轴承故障分析与处理
转子旋转过程中，其轴颈与轴瓦之间由于轴承的偏心值，使一定的油量流入瓦间形成契型油膜，并形成一定的压力将轴托起，使得其不与轴承直接接触，从而形成良好的润滑旋转状态。若没有形成良好的油膜，轴承与轴颈将直接接触，转子高速旋转时将发生剧烈摩擦，甚至发生轴承抱死的卡机现象。透平膨胀机出现轴承卡机现象前往往会出现转速不稳定、振动加大、轴承温度超高现象，或发出尖锐异常响声。
而引起透平膨胀机轴承发生磨损的可能原因及解决方法如下：
（1）润滑油供应不足或油路不清洁。润滑油供应不足或油路不清洁将引起轴承与轴颈之间无法形成良好的油膜，故而导致轴承磨损。因此发生此故障时，应对油泵、油管路、油过滤器进行检查，保证油路的充足供应、畅通及清洁。
（2）转子不平衡。转子不平衡时将增加附加载荷，轴振动随运行时间的延长而逐渐增大，当振动超过一定值时，将引起轴頸与轴承发生干摩擦，引起轴承磨损，此时应按照第2节中介绍的方法对转子进行平衡试验。
（3）膨胀端轴承温度过低。当膨胀端轴承温度过低时，会使轴承间隙太小而影响正常运行，严重时还会引起润滑油固化，导致轴承与轴径无法形成润滑。造成膨胀端轴承温度过低的原因主要是膨胀端轴密封间隙过大，从而导致冷气泄露至轴承处，致使膨胀端轴承温度过低。解决此问题的方法是更换新的轴密封。 4 运转超速分析与处理
（1）启动时超速
可能造成透平膨胀机启动超速故障的原因有两个：一方面是开启喷嘴时过猛，流量过大;另一方面，也是最容易被忽视的，就是增压端出口至增压端进口的回流阀没有全开。因为当全开回流阀时，系统阻力处于最小状态，在调节喷嘴时才不会导致超速。因此在启动透平膨胀机时，一方面要缓慢打开透平膨胀机的喷嘴，另一方面要全开回流阀以防超转。
（2）运转时超速
透平膨胀机在运转时超速，可能原因包括：增压机进气流量过大、喷嘴调节与回流阀调节配合不当。
当增压机进气流量过大时，也同时会导致膨胀端的进气流量过大，从而导致膨胀端输出功过大导致转子超速。
在调节透平膨胀机转速的过程中，若回流阀开度过小，同时加大喷嘴开度，将导致透平膨胀机超速，因此在调节透平膨胀机转速的过程中，应将回流阀全开，缓慢调节喷嘴开度，当喷嘴开至最大开度，还需增大转速时，再缓慢关闭回流阀，这样才能保证透平膨胀机不发生超速现象。
5 振动过大分析与处理
造成透平膨胀机振动过大的原因较多，但主要有以下几个方面：
（1）叶轮松动，叶片磨损或是叶轮内有杂质凝结。叶轮松动，叶片磨损或是叶轮内有杂质凝结，都将导致转子不平衡，从而导致振动加大，若发生此类故障，应重新安装或更换叶轮，并检查前段压缩空气精密过滤器是否发生泄露。
（2）透平膨胀机膨胀端出口阀关得过小或增压机进口管路及过滤器受阻， 透平膨胀机工作点进入喘振区，造成透平膨胀机工作不稳定而产生振动。过发生此故障，应对增压端进气阀门、进气精密过滤器、回流阀及膨胀端出口阀门进行检查，防止透平膨胀机进入喘振区域。
（3）膨胀叶轮出现结冰现象，导致叶轮损坏，从而引起透平膨胀机振动。若发生此故障，应检查前段压缩空气干燥净化装置是否发生故障，干燥净化装置净化后的压缩空气是否达到规定的露点温度。
（4）轴承损坏造成透平膨胀机不能正常运转而产生振动。发生此故障应按照本文地3节介绍的方法进行处理。
6 结束语
了解并掌握了透平膨胀机运行过程中产生故障的原因及其故障处理方法，才能保证透平膨胀机的安全可靠运行。
参考文献：
[1]黄科，杨雪婷.空气分离原理?设备与操作[M].四川空分设备有限责任公司.2008.
[2]陈允恺.小型空气分离设备基本知识[M].北京：机械工业出版社.1996.
[3]杨 军.透平膨胀机几种常见故障的分析与处[J].辽宁化工.2005（ 10）.
[4]王心刚.透平膨胀机的工作原理及操作规程[J].机械与自动化. 2014（ 9）.
作者简介：简介： 金超（1987--），出身年月日：1987.8.18?同身份证号：612321198708185515?男，籍贯：陕西汉中，民族：汉族，职称：工程师，单位名称：中国航发湖南动力机械研究所?学历：硕士，研究方向：气源技术