国内中压透平膨胀机的现状及对策

近年来，我国的空分技术有了很大的发展，自国内第一套20000m3／h空分(济钢)开车以来，短短几年，30000m3／h空分(宝钢)也成功开车投产。

目前正在没汁的外压缩流程空分已达50000m3／h。

内压缩流程方面，已经开车的最大空分为15000m3／h，氧气压力为3．OMPa(G)。

正在设计的有40000m3／h空分和2800Om3／h空分，氧气压力最高为8．8MPa(G)。

空分技术的快速发展绐透平膨胀机技术提出新的课题，要求膨胀机往两个方向发展，一是研制和开发配大型外压缩空分(三万等级以上)的低压透平膨胀机，二是开发配内压缩空分流程的中压透平膨胀机(压力等级4．0~6．OMPa(G)。

目前国内内压缩流程大型空分装置配套的中压透平膨胀机大多采用进口产品。

供货商主要有At las Copco、GE、Cryostar、ACD等。

中压透平膨胀机是内压缩空分装置、气体液化设备、天然气／石油气液化装置的重要部机，其功能是为成套装置提供必需的冷量；中压透平膨胀机的设计和生产国内也有较长的叫间，积累了一定的经验。

国内已先后开发广大膨胀比中压透平膨胀机、液化设备用高低温双膨胀中压透平膨胀机和天然气／石油气透平膨胀机。

但总的来说，其现状不能满足空分发展的要求目前仍以配套液化设备为主，大多数用户对其配套中分设备仍不放心。

从现场运行情况看，存在以下几方面问题：
1 膨胀机性能指标偏低
增压透平机膨胀机的性能指标主要是指膨胀机和增压机的等熵效率、机器的功转换率。

前者关键是工作轮、增压轮的叶片型面及流道设计的喷嘴叶型设计。

目前，国产膨胀机设汁主要采用美国NREC软件，也有采用模型级或自行开发的计算软件，NREC软件对设计叶轮非常灵活方便，当然用模型级计算也很好，两者计算结果均比较吻合。

对低温介质的膨胀轮设计计算， NREC软件和现行采用的其它膨胀机设计软件，对低温的因素对真实气体的影响没有详细的考虑，尤其是叶轮的三元流场分析，这样对叶轮的最终定型有—定的影响，限制了膨胀轮性能的进一步的提高。

功转换率除跟叶轮效率直接相关外，还跟轴承性能相关。

轴承推力问题前面已经介绍，轴承功耗方面，我们根据国外轴承样本的功耗曲线以及国内膨胀机没汁时功耗取值，国产轴承的功耗要高50％左右，这就影响功转换率。

因此，要提高膨胀机性能，应从叶轮设计程序和轴承结构上下功夫。

2 止推轴承可靠性差
对于中透平膨胀机气体压力较高，每个叶轮所承受的轴向力较大，同时膨胀机转速很高，止推面外圆直径受线速度限制影响，止推面积不能任意扩大。

膨胀机在变工况运行过程中，尤其是在起动或紧急停午时，膨胀机转子受力状况会发生剧烈变化，膨胀机设计时转子受力一般按设计点参数计算，同时适当考虑非设计工况。

但是，要使轴承能承受这一剧烈变化本身是有定难度的。

为了提高中压压透平膨胀机的机械可靠性，止推轴承的承载能力是关键，要彻底解决止推轴承烧毁问题，可从以下几方面考虑：
2. l 改变轴承结构形式，以提高轴承承载能力
国内中压透平膨胀机轴承一般采用三油叶或四油叶结构，止椎面采用州定斜面。

这种结构承载能力有限，变工况适应性不强。

承载能力一般为2000~3000N。

国内膨胀机多次㈩现刚开车或开车不久就烧瓦的现象。

可以考虑采用均可倾瓦止推轴承，它可根据轴承瓦块受力状况自动调整，这样能大大提高机器的可*性。

但是，由于中压透平膨胀机一般轴承轴径不大，要在较小的止推面上布置可倾瓦块有一定难度，最好购买专业公司的轴承产品。

2．2 采用推力平衡系统(见图)
为了防止止推轴承过载或损坏，推力自平衡系统是一种最好的方式。

它在前后止推轴承止推面上设置动力油压测点，并比较两油压的大小、根据油压大小的比较情况来调节增压机轮背后压力，使转子处在平衡位置。

当增压机止推轴承油压增大时将引发自推力平衡阀打开，以降低增压机轮背后的压力，而当膨胀机止推轴承汕压增大时，将引发自推力平衡阀关小以保持轮背压力该系统能实现所有转速下连续的推力调节。

美国 GE公司中压透平膨胀机就采用这一结构。

2．3 提高轴向力计算精度
目前，膨胀机转子轴向受力有很多分析计算方法，由于所假设的P(r)分布不同，计算结果相差较大。

特别是压力较高时，理沦计算与实际工况偏离严重，必须进行修正。

我们考察了国产膨胀机和进口膨胀机的现场实际运行情况，发现的设计工况附近，国产膨胀机前后轴承温度往往相差较大，有时高达20℃温差，而进口膨胀机轴承温差大致在5℃左右，说明国产膨胀机轴向力要大得多。

问题出在计算方法上，必须提高计算精度。

2．4 应有轴向力调节手段
既然转子籼向力难以准确计算，或运行工况偏离较大，出身膨胀机前后轴承温度相差较大时，应有一定的措施来进行凋节或控制。

防止轴向力继续扩大而烧毁轴承。

闷前，内压缩流程空分设备中增压膨胀机流程有两种：
(1)从循环增压机来的工艺气体先进入膨胀机系统的增压面，经增压后进板式换热器冷却到所需的温度，然后进入膨胀机，膨胀后气体进下塔，即膨胀机系统为同一流路气体；
(2)增压后的气体直接进液化器液化，而膨胀气体则来自板式换热器冷却后的低温气体，即膨胀机与增压机为各自的分开流路。

对第二种流程，由于膨胀机、增压机气体流路各自分开，互不关联，膨胀机开车时须特别注意轴向力。

开午时可根据轴承温度情况，调节气路阀门、喷嘴开度、回流阀等，尽量保持转了轴向力的平衡。

3 膨胀机结构问题
国产膨胀机主轴与叶轮的联接，杭氧是按引进时的林德结构采用三角轴联接，川空有采用三角轴，也有用键联接，开空则均采用键联接。

对中压膨胀机来说，尤具是液化装置用大膨胀比膨胀机(因其转速要求高)，主轴与叶轮的联接方式至关重要，国外制造商已大多采用端面齿 (Hirth)，端面齿有以下几个个优点： (1)定位精度高，它*油压工具先将坚固螺栓拉长，然后在某一平衡好的指定位置方便的将叶轮与主轴联接起来，使叶轮与主轴的齿面产生极大的预紧力，依*其很大的摩擦力来传递扭矩。

由于装拆时位置不会变化，传递扭矩时无相对位移，所以多次重复装拆以及机器超速后刘动平衡几乎不影响。

这—点我们在检修国外膨胀机时已得到验证。

(2)装配叫不需对叶轮进行加温。

(3)传递扭矩大，齿轮式压缩机和大型风机传递扭矩很大，大多采用这补结构：
(4)采用端面齿后，能缩短主轴的长度，这对提高转子的临界转速，方便机器的总体结构布置，提高转于的运行稳定性，降低主轴的振动等均有很大的好
处。

带锥度的三角轴与三角孔的联接也是一种较好的联接方式，它也有几个特点： (1)定位精度比较好，它通过三角轴的锥度与叶轮加温后仪三角孔扩人来实现联接，并产生预紧力，三角轴定位比较准确。

但由于每次装拆时叶轮加温的温度不可能相同，因此，叶轮与主轴的相对位置会有差别，从而影响紧固螺栓的坚固力，多次装拆坚固螺栓会出现变松的现象。

(2)当传递扭矩较大或转子经超速或叶轮受冲击时，不锈钢三角轴与软材料的三角孔铝叶轮间会产生一定的错动，从而使动平衡发生变化。

主轴与叶轮为三角轴联接的膨胀机在工厂试车时转子经超速后动平衡精度下降就是这个原因。

(3)三角轴与三角孔间的结合面一般要求 70％以上，刘三角轴加工机床要求较高，一般需修刮配合。

键联接定位精度差，由于装配需要，键与键槽间必须有一定的间隙，低温下工作时间隙会更大。

当传递扭矩时，键往一边*，叶轮与主轴的相对位置，在转子正常工作时的位置与常温下动平衡校正好时的位置有较大的偏转，对动平衡影响大，不适合高速运转机械的联接。

另外，键联接会产生应力集中问题。

因此，键连接的透平膨胀机当转速升高时必须振动很快增大，机组声音变响。

这就是为什么有些国产键联接膨胀机（尤其是液化装置用大膨胀比的中压膨胀机）设计转速未能开到的原因。