透平膨胀机培训课件
透平膨胀机基础知识
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。
空分设备基础知识讲座第六讲向心透平膨胀机_二_郭有仪
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透平膨胀机培训PPT课件
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三、按照工质在膨胀过程所处的状态， 膨胀机可分为气相透平膨胀机和两相透 平膨胀机。 四、按照透平膨胀机制动方式，可分为风 机制动透平膨胀机、增压机制动透平膨 胀机、电机制动透平膨胀机和油制动透 平膨胀机。 五、按照透平膨胀机轴承的不同形式，可 分为油轴承透平膨胀机、气体轴承透平 膨胀机和磁轴承透平膨胀机等。
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基本组成
➢密封：一般分为内密封和轴密封。
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➢
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基本组成
➢扩压器：降速扩压作用
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制动器：分为功率回收型和功率消耗型。空分设备 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。
节流阀 结构简单，便于调节 可以在气液两相区工作 制冷量小 节流前温度越低，温降越大
膨胀机
结构复杂
不能大量带液
制冷量大，不但有节流效应，而 且对外做功
机前温度高，制冷量大
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4、气体在扩压管中的流动：为了使工作轮的设计具有较高的效率，现代透 平膨胀机的叶轮出口排出的气流绝对速度可达45-70m/s。若直接将工质 排到管道中，将会引起很大的摩擦损失，从而增大冷损，为此设扩压器， 将气流速度降到5-10m/s，起降速扩压的作用。
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透平膨胀机的通流部分
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第章膨胀机培训资料
该式适用于有摩擦的不可逆绝热流动过程。
对于以某一旋转速度工作的膨胀机工作轮来说，可以导出一元稳定流动时的动量方程式：
（5.2-8）
式中：h工质的比焓(J/kg)
w工质的相对速度(m / s)
u工质的牵连速度(m / s)
式(5.2-8)是计算透平膨胀机工作轮中流动的重要公式，它适用于一元稳定流动绝热非等熵热力过程。在工作轮进出口相对速度w1和w2相同的条件下，从式中可以看出不同形式叶轮的工作情况：
喷嘴是由一组喷嘴叶片均布而成的一组叶栅,在透平膨胀机中为了使工作轮能有效地获得尽可能大的动量矩，喷嘴总是按圆周分布的且有一定倾斜角。气体在喷嘴中完成的能量转换约占总量的50％左右，它是透平膨胀机的重要部件之一。从结构上看，喷嘴由三部分所组成：进口段1、主体段2和出口段3，如图3-2.3-2所示。进口段是把从蜗壳出来的气体导入喷嘴主体，在进口段气流速度较低，能量转换很少。主体段是气体膨胀的主要部分，根据膨胀比的大小可以是收缩型通道，也可以是缩-放型通道。出口段是由出口正截面、单侧的叶型面和出口圆弧面组成的一
（5.2-14）
速度系数φ是一种综合性的经验损失系数，它的影响因素很多，如喷嘴的结构尺寸、叶片形状、加工质量、气流参数等。对于现代大中型透平膨胀机来说，速度系数φ一般在0.92～0.98之间。
2)喉部和临界截面
由连续性方程和动量方程可以得到一元稳定等熵流动方程式：
（5.2-15）
对于某一工质，在稳定流动时m、p0、Z0、T0、R都是常数，（5.2-15）式表述了流道截面积f和膨胀过程中压力p的关系。图5.2.3-3表示出了流量密度m/f和压力比p/p0的变化关系。
实际气体状态方程的形式很多，大多数都很复杂，不便于工程上的计算。相对来说，在空分设备用透平膨胀机的计算中，利用压缩性系数Z来对理想气体状态方程进行修正是最方便的，精度也能满足要求。
透平膨胀机培训资料最新版
精品天然气透平膨胀机培训教程四川空分设备（集团）有限责任公司2010年 04月第一部分基础理论简介一、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。
4）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3、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。
膨胀机培训教案
课时：
培训目的和应取得的效果：了解透平膨胀机的主要结构、原理，操作上应注意的事项，能初步分析判断设备故障。
一、透平膨胀机基本结构
1、整机结构立体示意图，见图1、图2。
（图1机体示意）
（图2主机立体剖视）
（图3机芯装配示意）
类型：可分为反作用式和冲动式。
反作用式（反动式）：气体在工作轮中具有一定的膨胀。
新膨胀机安装好后要进行跑合，检修更换了新密封同样也要进行跑合操作。
六、膨胀机操作应注意的事项
1、不用改变转速的方法来调节制冷量；产生冲击进气，膨胀机的效率降低，可造成流通部分的机械损坏。
2、降低制冷量常用质调节，即关小机前调节阀，降低膨胀机前的压力。中小型空分热效率下降，等熵焓降不能全利用。转动喷嘴调节对大型空分有利。
冲动式；气体不发生膨胀，仅推动叶轮对外作功。
反作用式膨胀机的主要结构；蜗壳、导流器（喷咀）、工作轮和风机轮、轴、轴承、扩压器、机体及密封等。
1、蜗壳：圆型截面单蜗室（见图示）；主要作用是将气体均匀地分配给导流器及工作轮进行能量交换。
2、导流器：可转动叶片喷嘴；使气体进入工作轮时具有一定动量矩的零件。
从图中可看出，U`1减小，相对速度W`1的方向也改变。
三、透平膨胀机的基本损失与效率
1、流动损失：气流流过导流器和工作轮时，由于流道表面的摩擦、局部产生漩涡、气流撞击等产生的损失。
2、摩擦鼓风损失（作图）：工作轮轮盘周围的气体对叶轮的转动产生摩擦力，从而引起的摩擦热使气体的温度升高的损失。（轮背气体摩擦）
二、透平膨胀机工作原理：
1、基本工作原理：压缩气体通过喷嘴和膨胀机工作轮时进行膨胀，推动工作轮回转输出外功，而消耗本身的内能，产生冷量，使气体温度降低。
TRT的基本知识PPT课件
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2、转子
• 转子为刚性转子，由各级动叶、隔叶块、主轴、
盘车齿轮等组成，为等内径结构，刚性好，运转 平稳可靠。
• 主轴采用高合金钢整体锻造、精密加工而成。叶
片沿圆周方向装入树形叶根槽内，两个叶片之间 用隔叶块定位，最后安装锁紧叶块。
• 两级动叶片采用不锈钢锻件坯料加工，叶面作特
殊处理，叶型采用专用叶型，不易积灰，防堵塞 效果好，气动性能优，且第一级静叶关闭严密， 调速性能好。
• 叶片承缸上装有静叶、静叶轴承、曲柄、
滑块。第一级静叶为可调静叶，第二级静 叶固定在叶片承缸上。
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叶片承缸
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4、静叶可调机构
• 静叶可调机构包括伺服油缸、调节缸、导向环、
滑块、曲柄、静叶轴承、叶片承缸等部件。调节 缸沿轴向移动，叶片转动灵活（60度），调节迅 速。安装在机壳上的作动器在控制系统的作用下， 通过连杆机构带动导向环作周向往复运动，从而 带动滑曲柄一起运动，使静叶转动，实现调节静 叶角度的目的。叶片端面加工成以转子为中心的 球面，转动时保持叶顶间隙不变，提高机组效率。 由于采用一级静叶可调，便于控制升速，可提高 透平变工况效率，使炉顶压力稳定，节能显著。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
四、TRT分类
• 1、按高炉煤气在工作轮中的流动方向分为
径流式TRT、轴流式TRT。
• 2、按反动度分为反动式TRT和冲击式TRT. • 3、按进入透平煤气的干湿情况分为湿式
TRT、干式TRT、干湿两用TRT.
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五、TRT的基本工作原理
• TRT实际是能量回收透平装置，在减压阀组前把
高炉煤气引出，经过入口蝶阀、插板阀、快切阀 等阀门后进入透平入口，通过导流器使气体转成 轴向后进入叶栅，气体在静叶栅和动叶栅组成的 流道中不断膨胀做功，压力和温度逐级降低，并 转化为动能作用于动叶，使整个透平转子旋转， 转子通过联轴器带动发电机一起转动而发电。叶 栅出口的气体经过扩压器进行扩压，以提高其背 压达到一定值，然后经排气蜗壳流出透平，经过
透平膨胀机
透平膨胀机1. 概述；2. 透平膨胀机组组成；3. 透平膨胀机本体组成；4. 透平膨胀机基本理论；5. 透平膨胀机各部分的详细结构分析；（通流部分，机体，制动端）6. 辅助设备：电、仪、控；7. 透平膨胀机操作及常见故障分析；一、 概述1、 两个概念（1）焓：PV U h +=U ：内能是动能和位能之和，动能：分子运动；位能：工质分子间的相互作用力；P ：工质压力； V ：质量体积；PV ：表示工质做功的能力；工质从一种状态到另一种状态：21h h h -=∆。
（2）熵：衡量两种状态可逆程度（理解性）； 222111,,,,T V P T V P →熵不变化：可逆程度100%； 熵增加：越大，可逆程度越低；对膨胀机来说熵增小，则说明膨胀机的膨胀效率高； 熵只有不变或增加，不会变小，即熵增原理； 透平：靠旋转作功的一类机械； 2、 工作原理绝热等熵过程如下图：工质从2211,,T P T P →，21T T >①低温工质温度下降50~70℃，焓降：21h h h -=∆ ②对外作功：h ∆转化为动能，增压机或风机的动能；3、 膨胀过程与压缩过程两个过程是互逆过程； 膨胀过程：工质：压力降低，焓值降低，温度降低，对外输出功；压缩过程：工质：压力增加，焓值增加，温度升高，需要外功；4、应用领域两种作用的利用：①低温工质：空气分离，液化装置，航空领域；②回收功：（增压轮，电机发电）高炉气（煤气透平发电），石化；制冷循环：两个等压换热过程，一个等温压缩过程，一个等熵膨胀过程；如下图： 1~2：等温压缩 2~3：等压换热 3~4：等温膨胀 4~1：等压换热 如右图：2~6，3~5 是等焓线透平膨胀机在空分中的应用：空分中冷量主要来自膨胀机，其他冷量来自节流； 低压流程：90%以上的冷量来自膨胀机； 中压流程：80%以上的冷量来自膨胀机； 高压流程：84%以上的冷量来自膨胀机； 透平膨胀机的特点：①转速高：3~4万转/分，有的气体轴承膨胀机可达70万转/分； ②体积小：表面积小；③效率高：国产：85%~87%，国外：90%以上；④无机械接触：一般轴外径小于轴承内径10~15微米。
透平膨胀机
透平膨胀机是空分设备、天然气（石油气）液化分离设备和低温破碎设备获得冷却能力的关键部件。
确保整个设备的稳定运行是我们的心脏。
原理其主要原理是在透平膨胀机中利用一定的气体压力进行绝热膨胀，做外部功，消耗气体本身的内能，使气体本身得到强烈冷却，达到制冷的目的。
当用气缸抽气时，我们会发现气缸体是加热的。
这是因为活塞压缩气体释放热量。
否则，原理类似于膨胀机（更准确地说，活塞式膨胀机）。
涡轮膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或由制动风扇消耗。
预防性治疗失败原因造成转速表指示不正确的原因一般有两个：一是由于扩展器本身故障导致转速表指示异常，常伴有严重的扩张器异响。
另一个原因是磁电传感器的故障。
磁电传感器安装在制动风扇端盖的中间。
风扇由两个带线圈的永磁体组成。
根据磁电感应原理，如果线圈接地短路或内部绝缘受潮损坏，转子旋转时，切断磁力线产生的感应电流会发生变化，从而导致测量速度不准确。
高阻表可用于测量接地电阻和线圈接线的绝缘程度，以便准确诊断。
膨胀机转速表在0-40℃的环境温度下能正常工作，温度过低或过高，不利于转速表的测量。
在加热分馏塔时，膨胀机没有被拆除。
即使风机排气门关闭，冷风阶段的空气温度仍远低于0℃，而后期加热阶段的空气温度仍高于40℃，这两种温差较大的气体长期充满风机系统，磁电传感器的线圈受影响最大。
如果反复加热线圈，线圈将受潮且未绝缘接地短路故障。
在这种情况下，转速表指示将减速并低于实际速度。
转速表本身的故障是非常罕见的。
如果转速表指示不正确，可以判断是否是机械故障引起的，应拆下膨胀机进行检查。
如机械系统无异常，可凭经验操作，速度显示低。
由于转速超高，不必担心膨胀机自动停机，会导致分馏塔压力升高，威胁分馏塔的安全。
膨胀机的压力和温度可以保持在正常范围内。
风扇叶片和风扇端盖之间的严重摩擦是风扇叶轮损坏的直接原因。
这种故障仅在风扇叶轮的螺母明显松动时发生。
螺母通常是自锁的，当静载荷和工作温度变化不大时，螺母不会自动松动。
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影响膨胀机制冷量大小的因素
1、 膨胀量：
膨胀量越大，影响氧提取率，氧提取率越底，膨胀 量需同时满足冷量平衡及精馏工况的需求。
2、 机前温度：
提高机前温度，单位制冷量提高；
3、 机前压力：
提高机前压力，增大膨胀比，单位制冷量提高；
4、 绝热效率。
蜗壳 将叶轮后面或扩压器后面的气体汇集起来
基本组成
如果工作轮叶片两侧有轮盘和轮盖，则称为闭式工 作轮。没有轮盖只有轮盘的则称为半开式工作轮。 轮盖和轮盘都没有的（轮盘只有中心部分）称为开 式工作轮。
三、按照工质在膨胀过程所处的状态，膨 胀机可分为气相透平膨胀机和两相透平 膨胀机。 四、按照透平膨胀机制动方式，可分为风 机制动透平膨胀机、增压机制动透平膨 胀机、电机制动透平膨胀机和油制动透 平膨胀机。 五、按照透平膨胀机轴承的不同形式，可 分为油轴承透平膨胀机、气体轴承透平 膨胀机和磁轴承透平膨胀机等。
1、气体在蜗壳中的流动：进入蜗壳的介质速度较小， 蜗壳一般设计成无能量转换型，只是将气流均匀地分 配并导入喷嘴环，起导向作用。圆形和矩形截面使用 的较多，其他还有梯形、三角形截面。
2、气体在喷嘴中的流动：在透平膨胀机中为了使工作 轮能有效地获得尽可能大的动量矩。喷嘴总是按圆周 分布、且有一定的倾斜角。气体在喷嘴中完成的能量 转换约占总量的50%左右，它是膨胀机的重要部件之 一。
透平膨胀机系统
活塞式膨胀机是利用工质在可变容积中进行膨胀输出 外功，也称容积型膨胀机。工质在汽缸内推动活塞输 出外功，同时本身内能降低。
透平膨胀机是利用工质在流道中流动时速度的变化来 进行能量转换，也称速度型膨胀机。工质在透平膨胀 机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出 外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。
透平膨胀机的通流部分
透平膨胀机的特性曲线
从膨胀机制冷量的公式，可以看出 Q=Gh0ηs 如果改变制冷量Q，可以通过改变气体的流量G、等熵焓降
h改0及变其膨等胀熵气效体率在η进s出三口个状因态素参中数的的任调何节一，个称来为实质现的。调通节常；把 改变气体流量的调节称为量的调节。
1、进口节流调节
透平膨胀机组：一套完整的透平膨胀机组至少包括：1、 经良好设计、制造的膨胀机主机；
2、可方便调节的制动系统和工况调节手段；
3、可靠的轴承润滑系统；
4、密封系统；
5、完善、可靠的安全保护和监视系统；
6、支架与冷箱；
7、相应的配套阀门等。
绝热节流与等熵膨胀的对比
节流阀 结构简单，便于调节 可以在气液两相区工作 制冷量小 节流前温度越低，温降越大
通过进口调节阀开度的变化，改变膨胀机前的气流压力， 从现而 调膨 节胀 产机 冷的 量焓的降目的h0及。其等熵效率ηs同时发生变化，以实
２、转动喷嘴叶片角的流量调节
这种调节是利用转动喷嘴叶片，因而改变其流通面积，达 到改变膨胀机的流量，从而改变其制冷量。
３、改变转速
通过关小回流阀来改变膨胀机的转速，达到调节冷量的效 果。
3、气体在工作轮中的流动：工作轮的作用主要是使工 质在叶轮中进一步有效膨胀做功，并同时把这部分能 量和工质动能有效地转换为机械功，并通过轴输出， 同时，还应把膨胀后的气体平稳地导入到扩压器中。
透平膨胀机的通流部分
主体段中气体的流向主要是轮缘处向中心的径向流动， 而导流段气体为轴向流动。
4、气体在扩压管中的流动：为了使工作轮的设计具有 较高的效率，现代透平膨胀机的叶轮出口起很大的摩擦损失，从而增大冷损，为此设扩 压器，将气流速度降到5-10m/s，起降速扩压的作用 。
喷嘴环：喷嘴环各流道是进行能量转换的主要部件，
转子 ：是透平膨胀机中转动部分的部件总成，由主 轴、叶轮等组成。
基本组成
轴承：常用的是整体式的滑动油轴承，目前使用较多 的有椭圆轴承、多油楔轴承和可倾瓦轴承。
基本组成
密封：一般分为内密封和轴密封。
基本组成
扩压器：降速扩压作用
制动器：分为功率回收型和功率消耗型。空分设备中增 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。
一、反动式透平膨胀机：工质在工作轮中膨胀的程度 称为反动度。具有一定反动度的透平膨胀机就称反 动式透平膨胀机。
冲动式透平膨胀机：反动度很小甚至接近于零， 工作轮基本上由喷嘴出口的气流推动而转动，并对 外做功，这种透平膨胀机称为冲动式透平膨胀机。
二、根据工质在工作轮中流动的方向，透平膨胀机可 分为径流式、径-轴流式和轴流式。
膨胀机
结构复杂
不能大量带液
制冷量大，不但有节流效应，而 且对外做功 机前温度高，制冷量大