透平膨胀机培训资料最新版

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天然气透平膨胀机

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)

4、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)。

三、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,

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