高速透平膨胀制冷机热力性能实验研究

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低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析_侯予

第37卷　第7期2003年7月　西　安　交　通　大　学　学　报JO U RNA L O F XI′AN JIAO TO NG UN IV ERSIT YVol.37　№7Jul.2003低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析侯　予,陈纯正,熊联友,刘立强,王　瑾(西安交通大学低温工程研究所,710049,西安)摘要:针对我国航天领域某重点项目的研制任务,设计了一台氦气体轴承低温透平膨胀机,并对其热力性能进行了分析和讨论.提出了一种考虑膨胀机整体热力性能及机械性能的透平膨胀机系统多目标优化方法.解决了透平膨胀机使用不同工质时相似准则的选取方法,进而在自行开发的较为完善的透平膨胀机一元流动性能预测程序的基础上,获得了模化时所应遵循的相似准则数.以人工神经网络为基础实现了透平膨胀机的性能转换问题.试验结果表明,所研制的氦气体轴承透平膨胀机的绝热效率大于71%;在出口温度为12.8K 时,膨胀机效率已达到75%;膨胀机的最大制冷量接近2kW.关键词:透平膨胀机;氦;性能分析中图分类号:TK04　文献标识码:A 文章编号:0253-987X(2003)07-0666-04Design and Analysis of Thermal Performance forCryogenic Helium Expansion TurbineHou Y u,Chen Chunzheng,X iong Lianyou,Liu Liqiang,Wang J in(Institute of Cryogenic Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China)A bstract:To accomplish the research task of helium turbo-expander used in an impo rtant item of space area,a helium turbo-expander using gas bearings has been designed.The therm al performance of this helium turbo-ex-pander is discussed,and a multiple objects optimization design for w hole performance of a radial-ax ial flow cry o-genic turbo-ex pander is developed.A method of selecting similarity criteria for different wo rking fluids in tur-boexpander is proposed.In theoretical research on predicting the therm al performance of expansion turbine,an effective performance prediction program based on a one-dimensional analy sis of expansion turbine is developed, and the similarity criteria used to simulate modeling tests are obtained.Furthermore,the artificial neural net-w ork is used to deal with the transfo rming problem of turbine performance.The efficiency of this turbine has been increased to75%at the exit temperature12.8K,and the sy stem cooling capacity2kW has been obtained. Keywords:turbo-expander;helium;performance analysis 载人航天工程是一个庞大的系统,是众多行业大力协作的结晶,也是体现一个国家科技水平及综合国力的标志.我国的载人航天工程在20世纪80年代立项论证,20世纪90年代我国的航天计划开始实施.作为航天计划的先期项目———KM6载人航天器空间环境试验设备(简称KM6设备),是发展我国载人航天工程必不可少的重大基础设施.卫星和飞船飞行在地球大气层以外的宇宙空间,那里的环境是深冷黑体(简称热沉)、真空环境和太阳辐射.空间环境模拟器是在地面上模拟空间环境,提供卫星、飞船发射前进行检验的地面设备,其中的深冷氦板借用热沉壁板的保护,以减少辐射能量的消耗,并采用20K深冷泵提供深冷抽气,这就需要采用极低温氦气来冷却低温泵冷板以获得最收稿日期:2002-10-17.　作者简介:侯　予(1973～),男,博士,副教授.　基金项目:国家自然科学基金资助项目(50206015);真空低温技术与物理国防科技重点实验室基金资助项目.佳效果.氦制冷系统就是用来为内装式低温泵提供充裕的低温冷量,以保证试验舱内达到高真空环境.在该制冷系统中,关键的产冷机械是氦气体轴承透平膨胀机,它被普遍认为是氦制冷系统的心脏,是氦制冷系统中技术含量高、研制难度大的核心部件,也是氦制冷系统研制过程中技术研究的重点.KM 6设备是世界三大载人航天器空间环境的试验设备之一(另外2台为美国及俄罗斯所有),其中的氦气体轴承透平膨胀机研制重担最终由西安交通大学制冷与低温工程系承担.1　设计要求氦制冷系统采用80K 液氮预冷逆布雷顿循环,设置2台透平膨胀机的并联使用.KM 6低温氦透平膨胀机的主要设计参数:进口压力为0.8MPa ,进口温度为22.5,出口压力为0.15MPa ,效率大于或等于65%,出口温度小于或等于16K .KM 6氦制冷系统设备如图1所示.2　氦气体轴承透平膨胀机的设计为了获得透平膨胀机的较高性能,必然借助于最优化设计.在低温氦透平膨胀机中,由于进口介质的温度低,膨胀比较大,尤其是在小流量时,工作轮直径较小,势必造成膨胀机转子的转速较高,而过高的转速将使膨胀机的工作可靠性下降[1].参考空气透平膨胀机和国内外现有氦透平膨胀机的参数,并根据KM 6氦透平膨胀机的具体特点和要求,选取基本热力参数和结构参数,对反动度、轮径比等参数进行优化.氦透平膨胀机除了其热力性能外,膨胀机机械性能尤其是轴向力的大小及轴承-转子系统的稳定性也是一个重要因素,它决定了膨胀机设计的可行性和运行可靠性.因此,针对氦透平膨胀机热力性能及机械性能进行整体性能多目标优化设计是十分必要的.在本设计中,以低温透平膨胀机一元流动热力性质数值计算及轴承系统有限元计算为基础,考虑热力性能及机械性能的约束条件,对透平膨胀机的工作轮、制动风机、轴向力及轴承-转子系统进行关于膨胀机的特性比(u 1)、反动度(ρ)、轮径比(μ)、叶高轮径比(l 1/D 1)等包括热力性能及机械性能的系统多目标优化,全面地考虑约束条件,从数据库中选取其他热力及结构参数,并加入专家的经验以提高搜索效率[2].主要设计结果:氦气膨胀气量为900Nm 3/h ,工作轮直径为35mm ,制动风机轮D =60mm ,ρ=0.463,u 1=0.624,工作转速为116×103r /min ,绝热效率大于0.65.3　性能预测由于透平膨胀机内部的工质流动是一种极为复杂的三维流动,加上尾迹流的影响、叶轮与喷嘴间流动相互干扰形成的不稳定流动的影响、粘性影响、边界层及二次流发展的影响、大焓降透平膨胀机中激波间断和阻塞工况的影响等,致使理论预测透平膨胀机的热力性能变得十分困难.目前,依靠试验了解透平膨胀机的热力性能仍为最重要也是最可靠的手段.但是,对于氦透平膨胀机而言,由于氦气的昂贵以及加工现场条件的限制,通常采用空气或其他相对便宜的替代工质进行试验,为此要设法解决不同工质(主要指具有不同绝热指数的工质)试验结果之图1　K M 6氦制冷系统设备图667　第7期侯　予,等:低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析间的相互转化问题.为此,我们采用了2种方法:一是利用相似模化的方法,寻求试验时应遵循的决定性相似准则数;二是利用人工智能领域最新发展起来的人工神经网络技术来实现不同工质的性能转换[3].在透平膨胀机性能的理论预测研究中,课题组应用并发展了NASA 理论,确定了速度系数φ、ψ的变化规律及冲击损失系数β的计算方法,考虑到膨胀端与制动端的功率匹配问题,建立了空气、氦气和二氧化碳物性数据库,从而实现了程序可根据多种工质按实际物性进行计算.在透平膨胀机热力性能预测程序的基础上,推导出了使用同种工质时透平膨胀机所应遵循的决定性相似准则,总结出了透平膨胀机使用空气与氦气时所应遵循的决定性相似准则,提出了分段选用κ(绝热指数)与M u (对应于速度u 的马赫数)的不同组合作为决定性相似准则之一的思想及方法,并进行了数值模拟试验.由于M u 、p 0/p 3、κ与绝热效率(ηs )之间是一种高度的非线性映射关系,故在透平膨胀机的性能转换研究中应用人工神经网络(ANN )技术,以解决透平膨胀机使用不同工质时的性能转换问题.结果表明,以大量的试验数据做为训练样本,将使人工神经网络方法在透平膨胀机使用不同工质的性能转换中更加可靠、有效[4].氦透平膨胀机理论预测曲线如图2所示,图中u 1为出口工作轮的径向速度;C s 为等熵速度.4　试验分析为考察氦透平膨胀机的性能,暴露设计中存在的问题及预测其使用工况下的性能,在制造厂内将样机在制氧机上先后多次进行了常、低温(液氮级)空气试验,符合要求后运至使用现场.在用氦气多次开车的整个试验过程中,2台氦气体轴承透平膨胀机均一次开车成功,并表现出良好的性能,尤其是膨胀机轴承-转子系统的稳定性优异,在整个试验过程中未出现任何轴承失稳和转子卡死现象.氦透平膨胀机始终运转稳定,最高转速已超过了设计值,并经历了各种工况考验,创造了现场多次试车中氦透平膨胀机没有发生一次事故的新纪录.试验还表明,该机在制冷温度、制冷量等多项指标上,完全满足了飞船的试验要求,其优异的热力性能也发挥得很突出,如用空气作试验时,氦透平膨胀机的最高绝热效率已达68%.在环境模拟现场进行了氦低温试验后,直至1999年氦制冷系统参加飞船联调试验取得圆满成功,充分显示了氦透平膨胀机的技术指标均达到并明显优于原设计任务的要求.氦透平膨胀机空气常、低温的试验结果及氦气试车膨胀机的特性曲线如图3～图5所示.根据测试记录,透平膨胀机出口的最低温度小于13K ,比原设计要求的出口温度小于16K 或更低.根据测试数据的计算,该透平膨胀机在设计工况下的实测绝热效率大于71%,在出口温度为12.817K 时,膨胀机效率已达到75%,明显高于原设计的要求值(大于65%).膨胀机的最大制冷量接近2kW ,这使原设计的双机并开到现在的一开一备,即可满足系统对制冷量的要求.从试验结果来分析,膨胀机的实际运行指标大大超过设计工况,再结合空气及低温试验前后的数据及设备装拆记录,发现主要原因在于:①由于保障了加工精度,膨胀机通流部分的流动损失大大降低;②轴承-转子系统良好的稳定性和超速性能使膨胀机达到了最佳特性比,等熵效率显著提高;③整机材料用导热系数小的钛合金及不锈钢件,在结构上也采用了积极措施,从而减少系统的跑冷损失;④系统采用的新型低温密封结构杜绝了极冷氦气的内漏与外漏.图2　氦透平膨胀机理论预测曲线图3　在常低温下用空气试车时氦透平膨胀机的试验结果668西　安　交　通　大　学　学　报第37卷　图4　用空气试车时氦透平膨胀机的特性曲线图5　用氦气试车时氦透平膨胀机的特性曲线5　结　论通过对KM 6设备低温氦气体轴承透平膨胀机的成功研制与试验分析,获得了低温氦气制冷系统及低温高速气体轴承透平膨胀机的设计准则、试验数据与运行经验,这具有重要的学术价值和工程指导意义.本文所设计的逆布雷顿循环氦制冷系统的关键设备氦气体轴承透平膨胀机已通过使用单位的验收并交付使用.运行表明,该机具有较好的热力性能和机械性能,获得了使用单位较好的评价,并在“神舟号”飞船热真空试验中发挥了很好的作用.该项目的技术指标已达到国际先进水平,2000年在北京由教育部组织的鉴定会上获得了很高的评价,它的成功研制被认为是我国氦制冷技术水平显著提高的重要标志.由西安交通大学研制的氦气体轴承透平膨胀机与氦制冷螺杆压缩机一起荣获了2001年度中国高校科学技术进步二等奖,所配套的KM 6载人航天器空间环境试验设备荣获2001年度国家科学技术进步二等奖.致谢　感谢中国航天科技集团公司第五研究院511所、苏州制氧机有限公司、苏州三川换热器厂、西安交通大学瑞森集团公司等诸多单位在KM 6氦气体轴承透平膨胀机研制过程中提供的支持和技术协作.参考文献:[1]　西安交通大学制冷教研室.国外氢氦透平膨胀机评述[R ].西安交通大学科技参考资料,75-010.西安:西安交通大学,1973.11～14.[2]　侯予,王瑾,熊联友,等.径-轴流低温透平膨胀机整体性能多目标优化设计[J ].低温工程,2001,122(4):13～17.[3]　刘立强,熊联友,侯予.透平膨胀机热力性能的理论预测[J ].低温工程,1998,104(4):5～10.[4]　刘立强.气体轴承氦透平膨胀机的研究[D ].西安:西安交通大学能源与动力工程学院,1997.(编辑　王焕雪)《科技英语论文实用写作指南》简介《科技英语论文实用写作指南》是为提高我国研究生的科技论文英语写作能力而编写的研究生教材.本书从实用的角度出发,以论述与实例相结合的方式,介绍了科技英语论文各章节的写作要点、基本结构、常用句型、时态及语态的用法和标点符号的使用规则,以及常用词、常用短语的正确用法,指出了撰写论文时常出现的错误,并在附录中列出了投稿信函、致谢、学术演讲和图表设计及应用的注意事项等.本书适用于博士生、硕士生、高校教师和研究院所的科研人员,还可以作为对参加国际学术会议参加人员进行培训的教材.本书由西安交通大学俞炳丰教授编著,西安交通大学出版社出版.出版发行科电话:029-*******,2667874.669　第7期侯　予,等:低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析。

透平膨胀机

透平膨胀机1、空分设备配套膨胀机的基本要求及工作原理绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程。

而作为用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的膨胀机，则是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。

膨胀机可分为活塞式和透平式两大类。

一般来说，活塞式膨胀机多用于中高压、小流量领域。

而低中压、流量相对较大的领域则多用于透平膨胀机。

随着透平技术的进一步发展，中高压、小流量的大膨胀比的透平膨胀机在各领域也有越来越多的应用。

与活塞膨胀机相比照，透平膨胀机具有占地面积小(体积小)，结构简单，气流无脉动，振动小，无机械磨损部件，连续工作周期长，操作维护方便，工质不污染，调节性能好和效率高等特点。

对空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补流，产品产量的有效调节等都使得为其提供充足冷量的膨胀机显得尤为重要，可以说它是空分设备的心脏部件之一。

随着科学技术的不断进步，现代空分设备对膨胀机提出了更高的要求，更高的整机效率，更好的稳定剂调节性能，更安全级可靠的保护系统，更长的运行周期及使用寿命等等。

特别是随着内压缩流程空分设备和液体、液化设备等广泛使用，中压甚至更高等级透平膨胀机使用的越来越多。

这类产品膨胀机出口气体常带一部分液体，有的具有很大的膨胀比。

活塞膨胀机是利用工质在可变容积中进行膨胀输出外功，也称为容积型膨胀机。

工质在冷钢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，也称为速度型膨胀机。

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。

2、透平膨胀机的分类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为反动式透平膨胀机。

如果反动度很小甚至接近于零，工作轮基本上由喷嘴出口的气体推动而转动，并对外做功，这种透平膨胀机被称为冲动式透平膨胀机。

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—轴式和轴流式；如图：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。

透平膨胀机研究报告

透平膨胀机研究报告引言。

透平膨胀机是一种能够将高压气体能量转化为机械能的设备。

它利用透平叶片之间的高速转动和压缩空气之间的摩擦来实现能量的转化。

与其他热力设备相比，透平膨胀机具有高效、稳定、可靠等优点，因此在多个领域得到广泛应用。

本研究报告将从透平膨胀机的原理、性能、应用和发展等方面进行探讨。

一、透平膨胀机原理。

透平膨胀机的工作原理是利用透平叶片的高速旋转和气体的膨胀来将气体的能量转化为机械能。

气体从高压侧进入透平机，经过透平叶片的加速和摩擦，气体的内能发生变化，同时产生功。

经过叶片的膨胀过程，气体的温度和压力都降低，然后从低压侧排出。

透平机的主要部件包括透平叶片、轴承、透平机外壳、透平机从动件等。

透平叶片是透平膨胀机的核心部件，它们由金属或塑料制成，形状和数量不同，可以根据透平机的不同规格和使用条件进行选择。

透平叶片之间的摩擦会产生热量，因此透平机内部需要进行冷却。

透平机的传动系统通常由电机、齿轮或皮带传动等部件组成。

透平机的设计和制造必须充分考虑能量转化的效率、气体的压力和温度变化、透平机的噪音和振动等因素。

二、透平膨胀机性能。

1.高效性能。

透平膨胀机在能量转化方面具有高效性能，通常可达到80%以上的效率水平。

这使得透平机在能源领域得到广泛应用。

2.稳定性能。

透平膨胀机能够稳定地工作，误差较小，噪音低，摩擦损失小，具有长时间连续工作的能力。

3.可靠性能。

透平膨胀机的设计和制造必须充分考虑使用条件，才能确保机器的可靠性。

这包括透平机叶片的材料、振动和噪音的控制、气体的管理等方面。

4.多功能性能。

透平膨胀机可根据不同的需求设计不同的型号和规格，应用广泛。

常见的用途包括发电、压缩空气、冷却等领域。

三、透平膨胀机应用。

1.电力工业中，透平膨胀机被广泛应用在发电厂，其中透平机是主要的核心部件之一。

2.冷却和空调系统。

透平膨胀机通过控制气体的膨胀和压缩来实现冷却，尤其适用于大型商业建筑、医院、工厂等环境。

高炉煤气膨胀透平的设计特点和性能试验

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10000 m3h增压透平膨胀机设计毕业设计说明书

前言透平膨胀机则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、低温环境模拟到空气与多组分气体的液化分离以及极低温氢、氦的液化制冷,都有透平膨胀机的实际应用.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.对于应用天燃气作为燃料的国家,利用液化天燃气的冷量是很重要的,可以利用冷热进行发电.按利用的方法有直接膨胀、直接膨胀加郎肯循环以及混合工质等三种.不管是那一种方法,都采用透平膨胀机回收功率.可见发展前景还是十分可观。

相信通过广大的科研工作人员的努力，透平膨胀机将会获得前所未有成就及更广的应用。

本毕业设计题目是10000 m3/h增压透平膨胀机设计。

限于时间和水平，本设计难免存在一些缺点和错误，敬请导师、专家批评、指正、以便修改。

编者2013年6月3日摘要透平膨胀机是通过将来自上游的高压气流膨胀机为低压气流，连续不断的转化为机械能。

高速气流使叶轮旋转，再通过由轴承支撑的转轴将机械能传递给压缩机、发电机，也可用油制动、风机制动消耗。

关键词: 透平膨胀机轴承转轴压缩机油制动AbstractTurboexpander is a machine,which continuously converts kinetic energy into mechanical energy.This is done expending the high pressure gas from upstream to a lower pressure downstream through the expander.The high pressure gas causes the radial expander to rotate .Rotation is transmitted to the shaft,which is supported by a set of bearings.The power transmitted to the shaft can be used to drive a compressor,drive an electrical generator or can be dissipated through an oil brake or air brake.Key words: Turboexpander Bearings shaft compressor brake oil目录第一章绪论 (6)§1.1透平膨胀机的应用 (6)§1.2透平膨胀机的分类 (6)§1.3国内外透平膨胀机的发展概况 (7)第二章增压透平膨胀机的设计 (11)§2.1 设计参数 (11)§2.2 透平膨胀机的热力计算 (11) (11) (11) (11) (12) (12) (15) (15) (16) (20) (27) (28) (32) (32) (35)§2.3 增压机计算 (36) (36)§2.4 主轴的设计 (41)第三章轴的强度计算及转子的临界转速 (43)§3.1轴的强度计算 (43) (43) (43) (45) (46)§3.2键的校核 (47)§3.3转子的临界转速 (48)第四章漏气损失 (52)第五章增压透平膨胀机典型结构 (54)§5.1透平膨胀机 (54) (54) (54) (55) (55) (55)§5.2离心增压机 (55) (55) (56)§5.3供油系统 (56)§5.4紧急切断阀 (54)§5.5增压机回流阀 (55)§5.6增压机后冷却器 (55)第五章计算机编程 (58)§6.1 源程序说明 (58)§6.1 C语言程序 (58)§6.2 运行结果及分析 (65)总结 (69)参考文献 (70)文献翻译 (71)致谢 (75)第一章绪论§1.1 透平膨胀机的应用总所周知，绝热等熵膨胀是获得低温的重要效应之一,也是对外做功的一个重要热力过程,而透平膨胀机则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、低温环境模拟到空气与多组分气体的液化分离以及极低温氢、氦的液化制冷,都有透平膨胀机的实际应用.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.例如高炉气透平膨胀机、石油催化裂解再生气透平膨胀机、化工尾气透平膨胀机、烟气透平膨胀机、天燃气透平膨胀机、液化天燃气透平膨胀机、液化天燃气冷热发电透平膨胀机、排热回收利用的郎肯循环透平膨胀机等.对于应用天燃气作为燃料的国家,利用液化天燃气的冷量是很重要的,可以利用冷热进行发电.按利用的方法有直接膨胀、直接膨胀加郎肯循环以及混合工质等三种.不管是那一种方法,都采用透平膨胀机回收功率.§1.2透平膨胀机的分类此外,根据工质在工作轮中的流动的方向可以有径流式、径-轴流式和轴流式之分.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的区别.事实上,由于离心式工作轮的流动损失大,因此只有向心式才有价值.如果工作轮叶片的两侧具有轮背和轮盖,则称为闭式工作轮,轮盖没有只有轮背的称为开式工作轮,轮盖和轮背都没有的,或轮背只有中心部分而外缘被切除的,则称为开式工作轮.只有在应力很大的场合才采用开式工作轮,利用外缘的切除来降低离心力.低温装置中开式工作轮的应用并不普遍.根据一台膨胀机中包含的级数多少又可以分为单级透平膨胀机和多级透平膨胀机.为了简化结构、减少流动损失,径流透平膨胀机一般都采用单级或由几台单级组成的多级膨胀.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.而两相膨胀机又有气液两相、全液两相及超临界状态膨胀的区别.§1.3 国内外透平膨胀机的发展概况在透平膨胀机的发展中有较大影响的应力为1939年苏联Ⅱ.Ⅱ.Kannua 院士提出的反动式向心径流透平.它的通流部分与前一种相比,它的根本特点在于:以后的改进是局部性的.例如在密封设备中增设了一股常温的密封气,以减少冷气体的外泄漏;采用径-轴流式工作轮和闭式工作轮,以降低通流部分的流动损失;采用转动喷嘴叶片的调节方法,以提高工况时的调节性能;改进轴承结构,提高工作转速,以适应大比焓降膨胀的需要等方面.70年代以来,两相透平膨胀机的出现,指出了设计理论方面新的研究方向.由于向心径流反动式透平膨胀机的体积流量大,结构简单,工作可靠,因而首先被应用到低压空气分离和液化装置中.由于它的体积流量大,效率又得到提高,因而使一度被淘汰的空气制冷装置又获得了一定的应用.例如用于-60～-80℃的大型低温环境模拟装置,有现成压缩空气的飞机空调装置等场合.这种型式的透平膨胀机允许的级比焓降的增加,使它也伸展到中、高压的空分装置及天燃气、油田气液化装置中.此外,由于采用了高速、可靠、少污染的气体轴承,使这种透平膨胀机也有一定的适用范围.在比焓降较小而体积流量很大时,特别是在大功率能量回收装置中,则以采用轴流式透平膨胀机为宜.在比焓降很大的场合,就需要采用多级膨胀.在体积流量很小时,采用容积式膨胀机的效率就比较高.正是由于透平膨胀机具有尺寸小、重量轻、寿命长、结构简单、操作维护方便、工质少受污染等优点,和活塞式、螺杆式等所谓容积型膨胀机相比,获得了日益广泛的应用.50年代主要用于低压、大流量的场合,60年代发展到了中小流量和中高压装置中,70年代更扩展到了更小流量的低温装置和微型制冷机中.透平膨胀机已经伸展到了过去活塞膨胀机占优势的领域中.m3/h的各类全低压空分装置使用的低压空气透平膨胀机;标志产氧量为150和300m3/h中的中压空分透平膨胀机.在这同时,还发展了各种其他用途的透平膨胀机.其中有标态进气量达180000m3/h的高空环境模拟装置用透平膨胀机,也有温度低达15K的宇宙环境模拟装置用的氦气透平膨胀机,转速达12万r/min的高能物理用大型氦液化器的氦气透平膨胀机,还有用于氢、天燃气的液化以及回收能量的氢、天燃气、油田气、化工尾气、烟气、高炉气等透平膨胀机.此外,还有低比焓降的空分-氮洗联合流程用大气量、低转速的透平膨胀机和高比焓降的中压氮液化装置用分两级膨胀的中压膨胀机.在型式方面,除了应用广泛的径-轴流反动式透平膨胀机外,还出现了轴流式透平膨胀机和多级透平膨胀机.在结构方面,有半开式工作轮,也有闭式工作轮.有风机制动的,也有发电机制动的.有转动叶片调节的,也有开启喷嘴组调节的.为了配合低温装置发展的需要,有关单位也开展了一系列试验研究工作.例如试验了带固定喷嘴、喷嘴宽度调节、转动喷嘴叶片和部分进气调节等各种调节方法;试验了风机和发电机制动的性能,编制了比较符合实际的转子-轴承系临界转速的计算程序;开始了对带液的两相透平膨胀机的研究.在制造工艺方面,也先后试验成功了工作轮的精密浇铸成型、闭式工作轮的轮盖钎接工艺、工作轮的电火花加工工艺成型、气体轴承的挤压成型等新工艺.当然,与国际上的先进水平相比,我国在透平膨胀机的发展方面任存在着一定的差距.例如对流通部分的气动性能试验研究较少,设计中还缺少综合性的最优化设计方法,三元流叶轮的制造工艺也存在一定的困难,自动控制和调节的配套能力还跟不上发展的需要.随着科学技术的现代化,这些差距必将一一得到解决.第二章增压透平膨胀机的设计§2．1设计参数§2．2透平膨胀机的热力计算工质:等熵指数 k=1.4相对密度γ=1.2928 kg/m3膨胀机进气量 q v=10000 m3/h进口压力 P0=0.89Mpa进口温度 T0=175.0K出口压力 P2=0．14Mpa气体在喷嘴内的流动损失是不可避免的.不仅有气流与壁面的摩擦,还有气体内部相互间的摩擦.这就引起了气流内部的能量交换,使喷嘴出口气流的实际速度C1低于理想速度C1S,而实际的出口比焓值高于理论的比焓值.在一元流动时,这一损失通常用经验的速度系数φ来反映.因此速度系数φ是一种综合性的损失系数,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。

航天低温推进剂技术国家重点试验基础研究课题申请指引

2012～2015年度基础研究课题指南航天低温推进剂技术国家重点实验室一、原则实验室设立基础研究基金，以资助有关科研人员从事基础理论和应用技术研究。

基础研究基金指南的制定主要遵循以下原则：1、围绕实验室整体方向，鼓励具有开拓性、超前性和创新性的基础、应用基础和关键技术研究；2、国内外相关机构科研人员均可申请；3、鼓励多学科交叉研究，支持具有不同学科背景的研究人员联合申请；4、结合实验室的研究方向和建设目标，鼓励实验以外的申请者与实验室研究人员开展合作研究；5、鼓励和支持从事低温工程学领域研究的青年科技工作者、尤其是博士及国内外访问学者来实验室开展研究。

二、研究方向和内容航天低温推进剂技术国家重点实验室的研究方向为：高效低温液化机理及技术、低温高效贮存理论与方法、低温流动传热与测量、低温安全理论与防护技术。

根据实验室所承担的航天任务需求以及学科发展需要，实验室近期（2012～2015年）研究基金课题将优先支持高效氢液化技术、低温推进剂高效贮存、大型复杂低温推进剂系统非稳态流动特性及低温流体参数精确测量方法、氢系统安全理论及危害防护等领域：1.高效低温液化机理及技术（1）低粘气体膨胀机转子系统电磁轴承技术研究研究目标：开展氢液化装置核心器件——氢氦膨胀机电磁轴承技术研究。

通过应用电磁轴承技术，提高低粘气体膨胀机气体轴承的承载力和高速运转稳定性，为氢氦膨胀机的完全国产化解决关键技术难题。

●研究内容：开展电磁轴承控制器和控制算法研究、电磁轴承用位移传感器特性研究、电磁轴承转子系统动力学特性研究、自传感器电磁轴承技术研究。

（2）安全全低温液氢泵技术研究●研究目标：大运载火箭低温推进剂系统需要，安全可靠的液氢循环泵。

集成低温电机的液氢泵直接浸泡在液氢中运行，避免了氢泄漏引起的系统安全性问题。

本项目开展无泄漏安全液氢泵技术研究，开发高效低温电机研究，仿真优化低温液氢泵的设计，研究全低温液氢泵的工程化实施技术与工艺方案，研制全低温液氢泵样机。

透平膨胀制冷_节流制冷__概述说明以及解释

透平膨胀制冷节流制冷概述说明以及解释1. 引言1.1 概述本文旨在对透平膨胀制冷和节流制冷这两种常见的制冷技术进行概述和详细说明。

随着全球变暖问题的日益严重，制冷技术的发展和应用变得越来越重要。

透平膨胀制冷和节流制冷作为两种不同的技术方式，在实现高效制冷的同时也具有一定的优缺点。

通过对其原理、应用领域以及优缺点进行分析，可以更好地了解这些制冷技术，并为相关领域的研究和应用提供参考依据。

1.2 文章结构本文将首先介绍透平膨胀制冷的原理说明，包括其基本工作原理和主要组成部分。

然后探讨透平膨胀制冷在不同领域中的应用情况，并对其优缺点进行分析。

接下来将详细阐述节流制冷的原理说明，包括其传热机理和系统组成结构。

随后探讨节流制冷在各个领域中的应用，并对其优缺点进行剖析。

在对透平膨胀制冷和节流制冷进行独立分析的基础上，本文将对两种制冷技术进行对比与综合分析，包括工作原理、性能指标和应用场景等方面的比较，并给出相应的选择建议。

最后，在总结中给出本文的主要观点和结论，并展望透平膨胀制冷和节流制冷在未来的发展前景。

1.3 目的本文旨在深入探讨透平膨胀制冷和节流制冷这两种常见的制冷技术，在概述其原理、应用领域以及优缺点的基础上，通过对其工作原理、性能指标及应用场景等方面进行对比与综合分析，提供给相关领域研究者和实践者关于这两种技术选择与应用的具体建议。

同时，通过本文还可以进一步促进对透平膨胀制冷和节流制冷相关问题的探索，为未来相关技术领域的发展提供一定的参考。

2. 透平膨胀制冷2.1 原理说明透平膨胀制冷是一种基于透平机械运动原理的制冷技术。

其主要原理是利用高速旋转的透平机械将高压气体通过膨胀功转化为低温效果。

当高压气体通过透平机械时，由于受到叶轮的加速和扩散作用，气体的动能增加，同时压力下降。

这种压力差可以产生冷却效应，并将热量带走，实现制冷。

2.2 应用领域透平膨胀制冷技术在空调、冷藏、低温物流等领域具有广泛应用。

高速透平膨胀制冷机低频振动特性试验研究

临界转速振动幅值随之降低。
图 3.2.1 变轴承供气压力临界转速区转速幅值特性曲线
图 3.2.2 不同轴承供气压下的失稳转速
图 3.2.2 给出了出现低频振荡的初始转速随轴承供气压力变化的特征：随着轴承供气压力从 0.3 MPa 增加到 0.7MPa，出现低频振荡初始转速从 21154rpm 增加到 50336rpm，最高工作转速也从 28329 rpm 增加到 55755 rpm。由此可见，较高的轴承供气压力能有效地控制和抑制低频振荡。同时，采用提高轴承供气压力的方法，能够调整轴系的固有频率和轴系临界转速区域特性，这为制定相应的升速方案提供试验依据，便于下文进一步分析轴系低频涡动、振荡和固有频率之间的耦合关系。 3.2.2 升速率对低频振动特性的影响图 3.2.3 是 0.4MPa 轴承供气压下的升速过程三维谱图。其中，曲线 BDE 表示低频振荡线，曲线 CDE 表征的分频涡动线。 K 区域（196.2Hz~213.5Hz）是转子升速过程的临界转速区，转子的工作频率与固有频率相近发生共振。两条低频线都呈现出随转速变化的特性。分频涡动的频率保持和升速曲线一致：当转速增大时涡动频率值随之增大，当转速保持稳定并略微下降时涡动频率随之发生相应变化；同时，随着转速的升高，轴承内气膜的动压效果增强，刚度升高，振荡线锁频频率也随之增加。因此，可以利用涡动、低频振荡频率与转速的关系，通过合理调整升速率，调整涡动和振荡之间的关系。由于气膜涡动效应，A 区域（216.35Hz ~221.15Hz）发生明显的半速涡动。涡动的频率变化时刻保持和升速曲线一致，随着工频的增加，半速涡动频率逐渐增加并在 B 点和固有频率耦合，发生低频振荡。由于存在气膜动压效应，B 点低频振荡刚刚出现时锁定的频率值（223.56Hz）比临界转速对应的频率值大。同时，C 点出现了分频涡动（低频频率为 128.21Hz，涡动比 0.23）。在 D 点振荡线与分频涡动线重合前，涡动频率随着转速的升高而升高，并始终低于振荡频率（222.22Hz ~241.45Hz，涡动比 0.38~0.33），直到 D 点（低频频率 241.452Hz，涡动比 0.33），分频涡动频率和振荡频率相同，在 DE 段，分频涡动、低频振荡、固有频率三者发生多频耦合振荡。

实验二热力膨胀阀性能实验指导书

实验二热力膨胀阀性能实验（合肥校区）1、热力膨胀阀容量实验（合肥校区）一、实验目的1、通过本实验，使学生定性定量地观察当感温包感受到过热度发生变化时，热力膨胀阀的开度将如何变化。

以一种直观的方式加深对热力膨胀阀工作机理的理解。

2、当弹簧预紧力发生变化时，观察阀门的开度如何变化，反映在流量上又有如何变化。

3、观察背压改变时，通过阀门的流量如何变化。

4、学习和了解本实验中所涉及的各种参数测量方法。

二、实验内容1、膨胀阀静止过热度调定将感温包放置在0℃恒温槽内,调节进口压力为-3.5℃时制冷剂所对应的饱和压力再加上通过阀的名义压力降，调节膨胀阀弹簧使出口压力为-3.5℃时制冷剂所对应的饱和压力，则此时静止过热度即为3.5℃。

2、膨胀阀名义容量试验2.1将膨胀阀在蒸发温度5℃时调定静止过热度3.5℃。

2.2逐步升高恒温槽温度，温度变化增值不超过1℃，同时调节膨胀阀前、后的手动阀，使膨胀阀进口压力保持5℃时制冷剂所对应的饱和压力再加上通过阀的名义压力降，出口压力为5℃时制冷剂所对应的饱和压力，然后记录每一过热度所对应的通过膨胀阀的气体流量。

2.3根据上述记录，绘制膨胀阀过热度-流量特性曲线，在过热度为7.5℃处作垂直线与特性曲线相交，交点的纵坐标值就是被测阀的名义流量。

三、实验原理在制冷系统中，热力膨胀阀是至关重要的部件，它设置于蒸发器进液口的供液管道上。

通过设置在蒸发器出口管上的感温包确定回气过热度的变化，自动调节热力膨胀阀的开启度，以调节进入蒸发器的制冷剂流量。

与此同时，将由高压贮液器或冷凝器来的高压液态制冷剂膨胀降压到与蒸发压力相同的低温低压状态。

本实验装置采用的内平衡式热力膨胀阀由阀体、阀座、阀针、调节杆座、调节杆、弹簧、过滤器、传动杆、感温包、毛细管、气箱盖和感应薄膜等组成，感温包里灌注R22，把它放置于水浴中，用以模拟感受蒸发器回气温度变化；毛细管是用直径很细的铜管制成，其作用是将感温包内由于温度的变化而造成的压力变化传递到动力室的波纹薄膜上去。

天然气终端透平膨胀压缩机制冷控制模式研究

天然气终端透平膨胀压缩机制冷控制模式研究王景贵;范赞;郜明军;于彦恒【摘要】Expansion turbine compressor is the critical devise to gain cooling capacity of some equipment such as air sep-aration plant,liquefaction of natural gas separation plant and cryogenic grinding equipment.Whether the device is good in running that is the core of liquefied natural gas refrigeration system guaranteeing the stable operation.Describe several pro-grams with expansion refrigeration compressor control mode,propose in-depth comparison of the advantage and disadvan-tage of each program,and according to gas processing plants hydrocarbon recovery actual working conditions,choose the reasonable control scheme.%透平膨胀压缩机是空气分离设备、天然气液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键设备，该设备运行的好坏是天然气液化制冷系统能否稳定运行的核心保障。

对膨胀压缩机制冷控制模式的几种方案进行了研究，深入比较了各方案的优缺点，并根据天然气处理厂轻烃回收实际工况，确定了合理的控制方案。

【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2016(000)009【总页数】3页(P53-55)【关键词】透平膨胀压缩机;J-T阀;可调喷嘴;DCS系统;DHX直接热交换【作者】王景贵;范赞;郜明军;于彦恒【作者单位】中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518067;昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明 650051;中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518067;中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518067【正文语种】中文【中图分类】TE644透平膨胀压缩机是天然气处理终端天然气液化的核心设备[1]，其主要用来生产冷量造成低温。