透平膨胀机
基础理论简介
一、概述
目前低温技术应用非常广泛，从航天到超导，从气体分离到能量回收等，而低温能量的获得主要靠气体的膨胀，特别是气体的等熵绝热膨胀，透平膨胀机则是实现这一膨胀的有效设备，现已广泛用到气体液化分离、能量综合利用等方面。

二、膨胀机的形式
1、活塞式膨胀机：通称容积型，其特点是适宜于小流量、高
压力、大膨胀比工况；缺点是复杂、体积大、易损件多、
操作维护复杂。

2、透平膨胀机：通称速度型，其特点是转速高、体积小、重
量轻、结构简单、易损件少、因而制造维修工作量小，适
宜于大流量、中高压力而初温较低。

按工作原理分：
1）冲动式：膨胀过程几乎完全在静止的喷嘴中进行；
2）反作用式：膨胀过程不仅在静止的喷嘴中进行，还在叶轮中进一步膨胀。

按气流流流动方向分：
1）径流式：气体在垂直于旋转轴的平面内沿半径方向流动；
2）轴流式：气体沿着平行于工作轮旋转轴方向流动；
3）径轴流式：气体由径向流入工作轮而由轴向流出。

三、透平膨胀机基本结构及工作原理
1、基本结构
膨胀机由通流部分、制动器及机身三部分组成
膨胀机通流部分：蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器
制动器：1）压缩机——入口管、叶轮、扩压器、蜗壳
2）风机——入口管、叶轮、扩压器、蜗壳
3）电机或油制动器
机身：支撑和隔热作用
2、工作原理
1）气体在喷嘴中流动
设置喷嘴的目的是使气流的动力能转变为气流的速度
能并且使气流降温，在喷嘴前后存在着压差，这些压
差推动着气流流动。

当气流通过喷嘴时由于减压膨胀
而使焓值降低，即使压力、温度下降，这些焓降转变
成气流的动能，使在喷嘴出口处气流获得巨大的速度，
因此喷嘴主要解决的问题是保持合理的形状以减小各
种损失。

喷嘴在结构上可分为三段：即进口段、主体段、出口段
主体段又可分为2类：渐缩喷嘴（当喷嘴出口马赫数小于等于1）
缩放喷嘴（当喷嘴出口马赫数
大于1）
2）气体在工作轮中的流动（反动式透平膨胀机）
工作轮的作用：
（1）把喷嘴出来的高速气体的动能，通过工作轮转化为
机械能并由主轴外输出做功，以降低内能使温度进
一步降低。

（2）使气体在工作轮进一步膨胀做功，进一步降低气体
的焓值和温度；
（3）改变气体的流动方向，使它由径向转化为轴向流动
反动度：气体在工作轮中膨胀的程度
反动度（ρ）=工作轮内的等熵焓降（h2s）/总的等
熵焓降（h0）
工作轮结构：目前常用的是带径向叶片的半开式和闭式叶轮
工作轮可分为主体段：使气流由外圆向中心的径向流动
导流段：使气流由径向转为轴向流动（减少
流动损失，提高效率）
3、气体在扩压器中的流动
为了使工作轮流道避免减速运动，以减少流动损失（工作
轮出口速度可达到50—80米/秒，甚至更大），为了充分
利用能量及减少管道流动摩擦损失，在工作轮出口外设置
扩压器（与喷嘴作用相反）。

四、透平膨胀机的组成
主机、密封气系统、供油系统、仪控系统
1、主机：主机由蜗壳、转子、喷嘴、传动机构、轴承、密封、
机身
1）蜗壳；它是为了使气流顺利改变方向并均匀分配给喷嘴，原则上保证气流在出口内圆上成轴对称流动。

材
料为铝合金、铜合金或不锈钢。

2）喷嘴：透平能量转换的主要部件，近年来均采用叶片可以转动的可调喷嘴，以调节流道的通流面积，从而
调节气量。

材料为3Cr13或2 Cr13等。

3）转子：由主轴、膨胀机工作轮、增压机工作轮及轴封组成。

通常采用的双旋臂转子，即两个工作轮外伸在两个轴
承之外，转子是透平的核心部件，除要求有良好的空
气动力性能外，由于它是高速转动零件，还要求有较
高的动平衡精度及要求自振频率（临界转速）远离其
工作转速。

4）轴封：避免膨胀段的冷气体向常温段的轴封泄漏，不仅造成冷损失而且会使轴承的润滑油冻结而造成损
坏，因而采用轴封加以阻止。

轴封形式为迷宫密封，
一种非接触式动态密封。

5）压机轮：回收膨胀机发出的功，仅是一种制动器。

6）主轴：传递功率的零件，一段在常温，另一段在低温下工作，要求有足够的刚性、强度。

材料为不锈钢或
合金钢。

7）传动机构：调节转动叶片的角度，以改变喷嘴流道的面积而设定，通常有手动及遥控两种。

8）轴承：支撑主轴并保证主轴顺利稳定运转，为了保证主轴的轴向定位并承受一定的轴向力，除径向轴承外，
还有推力轴承，常用的有油及气体轴承。

油轴承：承载能力大，可靠性好，轴承线速度可达
70米/秒。

油轴承具有承载能力必须具备三
个条件：存在油楔、具有相对运动、油有一
定的粘性。

气体轴承：小型高速转子
9）机身：水平剖分式及整体式
2、密封气系统
由于透平膨胀机侧通常工作在低温状况之下，而其轴承机
身有处在常温环境之中，为了减少高压低温气体通过迷宫
密封的泄漏而降低冷量损失，防止轴承润滑油冻结造成整
个机组失效，在机组中采用常温的密封气体通入密封中
段，以阻止低温气体向轴承段泄漏，保证机组的安全。

3、润滑油系统
油田气透平膨胀机一般工作在压力高、转速高的环境下，因此对轴承的润滑供油系统有比较高的要求，主要是供油
压力、油量、清洁度及油气分离等。

供油系统主要有以下几部分组成：
1）油箱：采用密封的压力油箱，有利于进入油箱气体的回收利用，防止可燃气体的外漏。

2）油泵：连续提供应具有一定压力、油量的润滑油
3）油冷却器：冷却通过轴承后温度上升的油，保证油的粘度。

4）油过滤器：过滤油中的固体微粒，保证润滑油的清洁度。

5）蓄能器：贮油蓄能作用，保证因停电等突然故障能向机组有一分钟左右供油量，从而保证机组的安
全。

6）油气分离器：分离进入油箱的润滑油中的气体。

7）液流阀或安全阀：调节供油压力或保证油泵出口压力不过高。

4、仪电控系统
适时监控机组运转情况及采集机组运行数据，保证机组安全运行。

五、透平膨胀机的调节
透平膨胀机提供了低温装置所需的主要冷量，为了维持装置的冷量平衡及适应装置工况的改变，要求对膨胀工况能进行调节，特别是天然气透平膨胀机，更要求机组能适应气源及装置的工况变化。

膨胀机的制冷量Q决定下列因素：
Q=GH sηs
G：通过膨胀机的气量
H s：通过膨胀机工质的等熵焓降
ηs：膨胀机的等熵效率
1、透平膨胀机的特性曲线
为了充分利用压力能来最大限度地提供冷量，提高整个
装置的经济性，要求透平膨胀机有较高的效率，并使透
平膨胀机在最佳工况下运行，在透平膨胀机运行中影响
效率最大的一个因素是特性比U1/C0，U1是工作轮外圆
处的线速度，C0是在理想状态下，通过透平级工质的理
论等熵焓降H s全部转化为工质动能时获得的理论速度，
在设计时根据设计点我们已取好该值，从而得到机组的
转速，因此必须保证一定的转速，相当于保证一定的特
性比U1/C0，才能保证机组的运行效率最高，由于天然
气环境工况变化频繁，所以机组转速有一定的波动，在
一定范围内的波动，也能保证较高的效率，从而满足整
个装置的需要。

2、透平膨胀机的调节
由于各种原因会使装置工况发生变化，从而波及膨胀机工况变化，使膨胀机偏离设计工况，造成损失的增加，效率的降低，因此为了提高装置运行的稳定性、经济性，应设法调节膨胀机的运行工况。

由于H s是由装置提供给膨胀机进出口状态参数决定的，在一般情况下不希望改变进出口状态参数进行调节，但对于油田气膨胀机来说，由于其特殊环境与要求，调节的主要目的是最大限度地提高制冷量。

介绍几种天然气透平膨胀机的调节方法：
1）改变机组进出口压力，以改变整个机组的膨胀比，在工况允许的条件下节流或提高压力的方
法来改变机组进出口压力，使机组制冷量增大
或减小来满足装置对冷量的需求。

2）改变可调喷嘴的开度改变机组气体的通过量，从而得到装置所需的冷量。

3）采用增压压缩机旁路来改变机组转速，使机组在最佳工况下运转。

即改变旁路的气量及制动
功率来改变机组的转速，使机组稳定高效运转。