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(完整word)第5章 膨胀机第5章 膨胀机5。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效应之一，也是对外作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，活塞膨胀机多适用于中、高压小流量领域，而低、中压、相对流量较大的领域中则多用透平膨胀机.随着透平技术的进一步发展，近几年来，中、高压、小流量、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,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、高效率等特点；而活塞膨胀机正相反，一般多用在高膨胀比小流量的场合。对于空分设备来说,低温精馏、装置冷量损失的及时补充、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机。事实上，在空气分离设备中，膨胀机获得了广泛的应用。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：要具有更高的整机效率、更好的稳定及调节性能、更安全及可靠的保护系统、更长的运行周期及使用寿命等等.特别是随着内压缩流程和液体液化设备等的广泛使用，中压甚至高压等级透平膨胀机使用得越来越多，这类产品膨胀机出口常带一部分液体、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。工质在气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的，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。5。2 透平膨胀机5.2.1 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。如果反动度很小以至接近于零,工作轮基本上由喷嘴出口的气流推动而转动并对外作功,则称为冲动式透平膨胀机。根据工质在工作轮中流动的方向可以有径流式、径-轴流式和轴流式之分，如图5。2.1-1所示。如果叶轮叶片两侧有轮盘和轮盖，则称为闭式叶轮,如图5.2.12b.没有轮盖只有轮盘的则称为半开式叶轮，见图5.2.12a。轮盖和轮盘都没有的(轮盘只有中心部分)称为开式叶轮，见图5.2。12c。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。按照透平膨胀机制动方式，又有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之分。根据透平膨胀机轴承的不同型式，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等。现代空分设备上所普遍采用的是向心径-轴流反动式透平膨胀机，它具有级的比焓降大,允许转速高，结构简单，热效率高等特点。 图5。2.11透平膨胀机通流部分的基本形式 a） 径流式 b） 径轴流式 c） 轴流式图5。2.12径-轴流工作轮的形式a) 半开式 b) 闭式 c) 开式5.2。2 透平膨胀机的基本方程和工作原理5.2。2.1基本方程实际气体流动的理论基础主要是由状态方程、连续性方程、动量方程和能量守恒方程建立起来的。状态方程透平膨胀机是一种低温机械.对于空分装置来说，膨胀机的出口状态通常接近于冷凝温度,有时出口已带有部分液体。这样，在计算时就必需考虑到实际气体的影响。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。 （5.21）式中: p 绝对压力 (Pa) 气体比容 (m3/kg)R 气体常数 (J/(kg。k）T 气体温度 （k）压缩性系数可由zp图表中查得.另外，建立在扎实理论基础上的维里方程，也是使用比较方便的气体状态方程之一； （5.2-2）式中：B、C、为第二、三、维里系数。当然还有一些其它的比较方便的气体状态方程这里就不一一介绍了.要说明的是，随着计算机技术的普及及发展，用计算机来进行繁杂的计算和查询各介质的物性数据现在也变得十分便捷。由于实际气体的膨胀过程存在摩擦、涡流，所以其膨胀过程不是绝热等熵热力过程，而是一个绝热非等熵的热力过程。它的过程方程式可表述为： （5。2-3）式中: n 多变指数 （5.24）式中： k 绝热指数 速度系数: （5。2-5）式中:Cs 理想出口速度（等熵比焓降全部转换为气流动能时所能获得的理论气流速度) (m/s）C 实际出口速度（实际比焓降全部转换为气流动能时所能获得的理论气流速度） （m/s）连续性方程在透平膨胀机流道中，一般流动过程可简化为一元稳定管流，在一元稳定流动时，如果在流体流经的任意两截面间既没有流体加入，也没有流体排出,则在该管道内的每一个与流速向垂直的横截面上单位时间内流过的流体质量始终不变（见图5.2.21所示)。 （5.26）式中： m 质量流量 （kg/s) 气体密度 （kg / m3)c 气体速度 (m/s）f 垂直于c的流道截面积 （m2） 从上式很容易看出，当流体体积流量V(= m-1)一定时，流道截面积和气体速度成反比关系. 图5.2。2-1动量方程 在透平膨胀机的固定流道（比如喷嘴和扩压器)中，对于一元稳定流动，下式所表示的动量方程得到广泛的应用： （5.2-7）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(5.28)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： 向心径流式工作轮0轴流式工作轮0离心径流式工作轮0由此可见,向心径流式工作轮具有最大的比焓降和温降。能量守恒方程根据能守恒定理，当工质在绝热膨胀过程中,与外界既无热量交换，又无功能传递，则膨胀过程始终的单位质量能量是不变的,即： （5.2-9) 在透平膨胀机中，喷嘴和扩压器是固定元件，其内工质流速的增加和减少是由工质的比焓变化来实现的，所以在理想情况下，工质在喷嘴和扩压器中的流动过程就属于这类流动。上式中，h1、h2为工质在两个状态下的比焓；c122、c222为工质在两个状态下的动能。同样，对于工质在膨胀过程中，既有与外界的热量交换，又有功能的传递，根据热力学定律,对于一元稳定流动的理想气体,在任意两个截面之间，可以推导出单位质量工质的能量方程式： （5。2-10）式中： q 在两截面间单位质量工质与外界交换的热量（J/kg）A 在两截面间单位质量气体与外界传递的能量（J/kg)透平膨胀机中,气体在工作轮中的流动就属于这样的膨胀过程,一方面有冷量的损失,另一方面气体的比焓降和动能的变化要通过和工作轮相连接的主轴转变为机械功传递给外界。当工质流动过程为绝热膨胀过程时，式中q=0,（5.210) 方程式为： （5.2-11）如果是没有功能的传递的绝热膨胀过程，则 (5。211)式就可以写成（5.29） 式的形式。考虑（5.29） 式后，则（5.2-11)可表达为： (5。2-12)式中各项的物理意义可表述为： 工质在叶轮流道中因动能减少而作的功 工质在叶轮流道中因流动速度变化而作的功工质在叶轮流道中克服离心力而作的功考虑c、w、u之间的关系可以得出： （5.2-13）(5.212)式、(5.213）式是透平机械的基本方程式:欧拉方程式的两种形式。对于透平膨胀机工作轮来说,从式中可见,膨胀过程工作轮所产生的功只取决于工作轮进、出口的速度而与工质的性质无关。5。2.2。2工作原理透平膨胀机是一种高速旋转的热力机械，它是利用工质流动时速度的变化来进行能量转换的，因此也称为速度型膨胀机。它由膨胀机通流部分、制动器及机体三部分组成。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。图5。2.2-2给出了透平膨胀机主机的剖面示意图。 图5.2。2-2 透平膨胀机主机结构示意图1扩压器；2蜗壳；3-工作轮； 4-喷嘴； 5-内轴封； 6内轴承； 7-主轴； 8机壳；9-外轴承；10外轴封；11制动器 膨胀工质由进气管进入蜗壳2，被均匀的分配进入喷嘴,经过喷嘴4膨胀,降低了压力和温度后进入工作轮3，在工作轮中工质进一步膨胀作功，然后经由扩压器1排入膨胀的出口管道,而膨胀功则由和工作轮相连的主轴7向外输出。由膨胀机主轴输出的能量可被用来驱动一台压缩机或一台发电机；如果输出的能量较小，则可用风机或油制动器来平衡能量，以使透平膨胀机有一个稳定的运行条件。下图表示出了各参数在膨胀机通流部分的变化趋势。 图5。2.2-3 参数在膨胀机通流部分的变化趋势图5.2.3透平膨胀机的通流部分膨胀机的通流部分是指膨胀工质在整个膨胀过程中所流经的部分（图5.2.3-1),是工质进行能量转换的主要部件，膨胀工质在通流部分膨胀降温,同时将内能转换为外功输出。5。2。3.1气体在蜗壳中的流动 进入蜗壳的介质速度较低,且蜗壳一般设计成无能量转换型的,只是将流体均匀的分配导入喷嘴环，起导向作用，故保证蜗壳内出口介质的轴对称流动是蜗壳形状的基本设计条件.圆形和矩形截面蜗壳使用得比较多，其它形状还有梯形、三角形截面等等。 5.2。3。2 气体在喷嘴中的流动 图5。2。31 透平膨胀机通流部分喷嘴是由一组喷嘴叶片均布而成的一组叶栅, 1蜗壳 2喷嘴 3叶轮 4-扩压器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3-2.32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个近似三角形部分。实质上它是一段不完善的喷嘴流道，常称为斜切口。斜切口的形状将影响从喷嘴主体段出来气流的大小 图5。2。32喷嘴流道和方向。 进口段 主体段 出口段1) 速度系数气体在喷嘴内的实际流动过程不是等熵过程,损失是不可避免的，不仅有气流与壁面的摩擦，还有气流内部相互间的摩擦.这就引起了气流内部的能量交换,气流的实际出口速度C1低于理想出口速度C1s,使一部分动能转换成热量而使焓降减少,对于透平膨胀机来说，实际焓降的减少也就意味着制冷量的减少。这一损失通常用速度系数来反映，即 (5.214）速度系数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，速度系数一般在0.920.98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。215)对于某一工质，在稳定流动时m、p0、Z0、T0、R都是常数，（5。215)式表述了流道截面积f和膨胀过程中压力p的关系。图5.2.33表示出了流量密度m/f和压力比p/p0的变化关系。从（5。2-15）式中可见，当p/p0=0和p/p0=1时，m/f=0；在0p/p01时，m/f总大于0，很明显在这当中存在一个值p/p0=p/p0,使所对应的流量密度达到最大值，m/f= (m/f）max。也就是说，当m不变时，流道截面积f达到最小值。通常把喷嘴流道的最小截面称为喉部截面，而把当地气流速度等于该地音速的那个截面称为临界截面。由计算可知,在不考虑损失的等熵流动时，出现最大流量密度时的截面（喉部截面）与临界截面相重合.但流动过程存在摩擦，使喉部截面上的气流实际速度小于当地音速,既该截面与临界截面不相重合，也就是说在有摩 图5.2。33流量密度和压比关系擦的绝热流动中,膨胀比减小了，且临界截面出现在喉部截面之后.对（5。215）式求导并令等于零，可以得出这个喉部压力比： （5。216)由（5。2-16）式可见,对于确定的工质来说p*/p0的值是一定的.3) 斜切口膨胀从前可见，所谓斜切口是指喷嘴叶片由于倾斜放置，而在出口部分存在的一段不完善的喷嘴流道，它对于气流的大小和方向有着重要的影响,必须加以考虑。 图5.2。3-4表示出喷嘴的斜切口部分,以及气体在斜切口中发生附加膨胀的示意图。显然,斜切口一边有限流壁面，而另一边是敞开的.当喷嘴前后压力比 图5。2.34 斜切口膨胀图大于临界压比时，气体在斜切口不发生附加膨胀。但当喷嘴压力比小于临界压比时，则在收缩型喷嘴的斜切口中,气流还将出现附加膨胀而加速，气流朝敞开边偏离角，这时喷嘴斜切口出口气流角1,等于喷嘴流道中心线倾斜角11。与偏转角之和，即 （5.217）4） 在变负荷下的工作在空分实际运行过程中，很少有膨胀机运行在设计工况下，产量有时经常需要调节，在空分启动过程中也是如此，膨胀机往往在偏离设计工况下运行。从（5。215)式分析可以看出，流量与喷嘴出口截面积及进口压力成正比，与进口温度的平方根成反比。而空分中透平膨胀机的进出口压力往往变化不大,所以只有增大喷嘴出口截面积和降低进口温度来增加流量。在低温装置的启动过程中，膨胀机进口气流温度是高于设计工况的，因此在启动过程中透平膨胀机的流量比设计工况要小,增加了整个装置的启动时间，而进口温度只能随着装置温度慢慢地下降，为了弥补这一缺陷，使低温装置较快地达到设计工况，只有采取增大喷嘴出口面积来提高流量，从而增加制冷量的措施。对于大中型透平膨胀机来说,几乎无一例外地采用可调喷嘴进行流量的调节，它的调节是依靠一执行机构带动喷嘴叶片转动而改变喷嘴之间通道截面积来实现的。下面是目前应用较多的几种喷嘴形式 图5.2.3-5 喷嘴形式 喷嘴一般多采用不锈钢铸件或锻件来制造。5.2.3.3 气体在工作轮中的流动1)工作轮的作用、型式透平膨胀机工作轮的作用主要是使工质在叶轮中进一步有效膨胀作功，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。也就是说叶轮的叶片一直从径向延伸到轴向。因此，径-轴流式叶轮均可将其流道分解成主体段和出口导流段两部分，如图5。2.36所示。 图5。2.3-6 透平膨胀机工作轮 主体段 - 导流段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，故这种径-轴流式叶轮实际上是径流式叶轮和轴流式叶轮的组合,当然这种径轴的转换是逐渐的和连续的。所以这种组合叶轮具有焓降大损失小的特点。工作轮不但接受从喷嘴出来气流的动能，而且气体还在工作轮中继续膨胀作功，进一步降低比焓和温度。冲动式和反动式的区别就在于工作轮中气体继续膨胀的程度。在冲动式工作轮中，膨胀几乎全部在喷嘴中完成，机械功几乎全部由喷嘴出来的气流动能转换而得.对于反动式工作轮来说，除去一部分比焓降在喷嘴中完成外，还有一部分则在工作轮中继续膨胀。这样，膨胀机总的比焓降就分成两部分,它们的大小通常用反动度来表达。它是工作轮中的等熵比焓降hs2与膨胀机总的等熵比焓降hs之比 （5.218） 在相同的进出口参数条件下，冲动式透平膨胀机出喷嘴的气流速度要比反动式的大，从工作轮排出的气流速度也比反动式的大,造成很大的流动损失，降低了它的效率。目前国内外大中型透平膨胀机几乎都采用径轴流反动式工作轮，反动度一般在0.40.54之间。通常使用的是90进气的工作轮（进口安装角为90），允许存在一定的冲角,然而过大的冲角将在叶轮进口形成附加的冲击损失，使效率降低.2） 速度系数和喷嘴相同,在工作轮中也存在着流动损失,这一损失用工作轮中的速度系数来表述，即： (5。219)其中，w2s 为按等熵比焓降h2s求得的理论出口相对速度；w2为实际出口相对速度。同样,它也是一个综合性的经验损失系数，它与叶轮的结构尺寸、叶片造型、加工质量以及气流参数等有关。对大中型透平膨胀机来说，速度系数一般在0.850。95之间。3) 速度三角形 从喷嘴出来的气体以绝对速度c1进入工作轮，方向角为1，但同时工作轮又以等角速度在旋转，实际上气体是以相对运动进入工作轮的.我们把进口绝对速度c1、相对速度w1和牵连速度u1（进口处的圆周速度)按矢量相加就可以得到一个三角形；同理，工作轮出口也可以得到一个三角形，它们称为工作轮进、出口速度三角形，见图5.2。37。速度三角形便于分析研究气体在工作轮进出口处的状态、流动、损失情况等等.图5.2。3-7 工作轮进、出口速度三角形5。2.3。4气体在扩压器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4570ms，甚至更高，若这样高的速度直接排到管道中，将会引起很大的摩擦损失，因而增大了冷损，为此，通常在叶轮出口设置一个专门的排气扩压管,如图5。2.38所示。用来把气流速度降低到能接受的数值,约510ms. 图5.2。3-8 扩压器扩压管的扩压比与扩张角及管长有关，角不宜过大，否则将引起较大的扩压损失,但也不宜大小，过小将增加扩压管长度，因而增加摩擦损失，通常取612.通流部分是透平膨胀机最重要的部分,它与膨胀机的效率、产量的调节、变工况特性等有直接的关系。随着透平膨胀机的进一步发展，它的效率水平也越来越高，现在人们不但在工作轮和喷嘴等主要元件上进行充分的研究和试验，在其它诸如蜗壳、出口扩压器、蜗壳和喷嘴间的流动、喷嘴和工作轮间的流动等上面也投入了更多的精力进行研究，以至把全部通流部分串在一起进行整体的分析计算，以进一步提高整机的效率水平.5。2。4透平膨胀机的损失和效率在透平膨胀机中标志能量转换过程完善程度的指标就是效率，习惯上使用等熵效率.对于空分用的制冷透平来说，它是评价透平膨胀机热力性能的最主要指标。它表述为透平膨胀机进、出口实际比焓降h与相同条件下可能实现的最大比焓降（既等熵比焓降hs）之比（见图5.2.41). （5.220）有效率就必然存在损失，透平膨胀机的损失基本可分为两大类,既内部损失和外部损失；内部损失影响透平膨胀机的等熵效率；外部损失只对膨胀功的回收和利用率有影响而与透平膨胀机的等熵效率无关.内部损失又可分为流道损失和非流道损失.在气流流经的通道中，由于因气流与壁面、气流与气流之间摩擦和冲击而引起的损失等称流道损失，比如气流在喷嘴、工作轮和扩压器中的损失、喷嘴后气流对工作轮的冲击损失、喷嘴与叶轮之间的流动损失等等。而工作轮与静止件之间的气体摩擦、气体内泄漏等损失称为非流道损失.综合地来说，影响透平膨胀机等熵效率的主要损失有五种：1）喷嘴损失:膨胀气体流经喷嘴时，产生流道表面的阻力、局部涡流和气流冲击等损失。它与气体流动速度、喷嘴叶片叶型、叶片高度,叶片表面粗糙度及叶片出口边缘（尾部)厚度等因素有关。2）工作轮损失:气体在叶轮流动中的流动损失。当气体流经叶轮流道时,由于叶片型线、表面粗糙度等因素引起的摩擦损失，气体流动时的涡流和冲击损失等。3）余速损失：现代透平膨胀机中，气体多以较高的气流速度排出叶轮后进入扩压器，经扩压器进一步来降低介质的速度（压力和温度有所升高，见图5。2。2-3）,使达到允许值。实际上， 气体在扩压器中的流动是一种压缩过程，需要消耗部分能量。对透平膨胀机来说同样减少了有效能量。这两部分能量的损失称为余速损失。4）轮背摩擦鼓风损失:叶轮摩擦鼓风损失是由叶轮轮背、轮盖和静止元件之间间隙中的气体而产生的。紧靠轮背、轮盖的那部分气体附着在叶轮上，以和轮背、轮盖相同的圆周速度运动，而紧靠壳体的那部分气体则和壳体一样，是静止不动的，在这个间隙中就形成了一个速度梯度。这一速度梯度是由于气体的粘性引起的，因而要消耗一定的摩擦功。这部分摩擦功又转换成热量，通过叶轮把热量传给气体，提高了工作气体出工作轮时的比焓值，因而降低了制冷量。5）泄漏损失：泄漏损失包括内泄漏损失和外泄漏损失两种。对闭式叶轮，在轮盖处采用迷宫密封,有一小股工作轮前未经膨胀的气流，经密封器与叶轮间的缝隙漏出，它与经工作轮膨胀后的低比焓气体在叶轮出口处汇合，从而使叶轮出口处气体的比焓升高,降低了膨胀机的制冷量，这种损失称为内泄漏损失；在半开式工作轮中由于没有轮盖，无法设置密封器,这时希望尽量减少叶片和固定件的间隙.外泄漏损失，是由工作轮前的一小股气流，经轮盘外测与壳体之间的缝隙，沿轴漏向外界泄漏,它不会影响膨胀后气体的比焓，仅仅是减少了有效膨胀气体量，影响了膨胀机总的制冷量.当然，对于透平膨胀机来说还有一些其它的损失影响等熵效率，比如上面提到的一些流动损失损失，装置的热损失等等，但在设计良好的情况下它们对效率及制冷量影响都比较小。由上节可知，透平膨胀机的通流部分由蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器等部分组成，工质在通流部分的实际流动是非常复杂的，为便于说明，各过程在比焓熵图中简化为直线，并假定蜗壳中无能量转换，损失不计，喷嘴与工作轮、工作轮与扩压器之间的各损失不计,图如图5。2。4-1表述了工质在透平膨胀机通流部分中的膨胀过程.图5。2。41工质在焓熵图上的膨胀过程等压线P0和等温线T0确定了点0为膨胀机的进口状态(在上述假定下也就是喷嘴的进口状态)，P2为膨胀机要求的出口压力.理想状态下，工质在喷嘴中等熵膨胀至状态点1s、在工作轮中等熵膨胀至状态点3s（一般来说,膨胀机要求的出口状态指的是扩压器后的状态，因此工作轮后的压力P3低于膨胀机出口压力P2.），再在扩压器中等熵扩压至状态点2s。但实际上，在喷嘴中的膨胀过程，由于损失的存在使比焓增加,实际膨胀至状态点1(P1、T1）。工作轮中理想状态下工质应由点1等熵膨胀至状态点3s,由于工作轮中的流道损失及非流道损失的存在使比焓增加，实际上膨胀至状态点3。在扩压器中，同样由于损失的存在,使工质在理想状态下能等熵膨胀至状态点2而实际上只能膨胀至状态点2.5.2.5透平膨胀机的制动5。2.5.1制冷量与输出功透平膨胀机的制冷量由（5。220）式及图5。2.4-1可得膨胀机的制冷量 （5。221）按上式计算的制冷量没有考虑外泄漏的冷量损失，一般来说这两项损失比较小，是可以忽略不计的.透平膨胀机轴端输出的功率 （5.222）式中： 机械效率前面说过, 由膨胀机主轴输出的能量一定要被制动器吸收掉，式（5。222）是选择和设计制动器的主要依据之一，在透平膨胀机轴端输出功要求被利用时,上式还是评价透平膨胀机整体性能优劣的重要指标之一。5。2.5。2透平膨胀机的制动对于空分来说，透平膨胀机在降低温度获得冷量的同时，它的主轴输出的转换能量必须要被消耗掉或者加以利用,以使透平膨胀机有一个可以调节的稳定运行环境，这就是所谓的制动器（见图5。2。22），制动器把透平膨胀机发出的功率消耗掉或将其转换为其它形式的能量输出，从而使膨胀机转子维持在所要求的转速上，通过对制动器制动能力的控制调节可以在一定范围内满足透平膨胀机各种工况的调节要求。为了提高装置的运转经济性，较大型的透平膨胀机中制动器所接受的功率常常需要加以利用,对于功率回收型的透平膨胀机，更是如此。功率消耗型的制动器则常用在功率较小的透平膨胀机中，以简化工艺流程。按照功率的利用与否，制动器可以分成两大类：功率回收型的制动器与功率消耗型的制动器.前者如异步交流发电机、透平增压机（即透平压缩机)等；后者如风机、油制动器等。在现代大中型空分装置中应用最广的是透平增压机、风机以及异步交流发电机.几种制动方式简要说明如下：1）制动风机：一般用于中小型或者有特殊要求的透平膨胀机中，在空分装置中，为了不影响工艺流程的稳定工作，一般风机都直接从大气吸入空气,空气提高压力后直接排入大气；有时为了减小风机轮的尺寸，可以采用封闭循环的制动方式.风机制动器系统设计和制造都比较简单，操作调节方便.它只着眼于结构和强度反面，效率是不重要的。2)透平增压机制动:在现代大中型空分装置中，增压透平膨胀机应用十分广泛，增压后的气体往往都直接用于工艺流程中.透平增压机实际上就是一台单级透平压缩机,它的设计要求高,在保证透平膨胀机工况性能的基础上，要求增压机有尽可能高的效率，以及有很好的变工况调节性能。 由于膨胀机叶轮和增压机叶轮是装在同一根转轴上的,具有相同的转速。在设计时为保证良好的整机性能，两者的功率平衡、力的平衡、性能和调节工况的匹配等十分关键。3）电机制动：在空分中主要用于较大功率的透平膨胀机中；另外，该类制动方式较多用于能量回收的透平膨胀机中。通常，它发出的电能要并入外界电网中.由于外界电网功率远大于透乎膨胀机的输出功,故电机制动的透乎膨胀机就有几乎恒定的转速。 （5。2-23）其中：n0-发电机的同步转速(r/min)f-电网频率（Hz)p-电极对数由于电机最大转速每分钟只有几千转,而透平膨胀机要求的转速却很高，为此必须通过减速装置来传递功率，即要配一套减速箱。4）油制动：主要用于小功率的透平膨胀机中。制动器为一系列位于转子和定子之间的油腔，工作时油腔内充有润滑油,透平膨胀机的轴功率通过油的摩擦而转变为热量由油带入冷却器中冷却，可以通过制动油腔数量和制动油压力的调节来适应不同的输出功率，以维持一定的工况要求。为减化结构,一般来说，在这类透平膨胀机中轴承润滑用油和制动器用油都由同一供油系统提供,进油参数是相同的,以简化机组结构和便于操作。5.2.6透平膨胀机的性能曲线及工况调节在空分设备中，透平膨胀机作为心脏部机，为整个装置提供了90以上的冷量。由于每个阶段对产品产量的要求不同，或由于天气的季节性变化等情况，有时要求对透平膨胀机的制冷量做适当的调整,以满足新工况的要求。从（5.2-21）式我们知道，膨胀气量m，等熵比焓降hs以及等熵效率s决定了制冷量Q的大小,也就是说原则上可以通过上面三个参数的任何一个来调节制冷量.然而,对一台既定的透平膨胀机来说，一般它的进口压力、温度、出口压力是相对不变的(hs相对不变，如果能通过hs的增加来增加制冷量，能耗也将增加），通过膨胀量的增加当然可以增加制冷量,但这常常会引起装置能耗的增加，所以最经济的方法是维持s始终在最高点附近。事实上,在上述三个因素中,调节任何一个量都将使其它两个量发生变化，特别是对于目前空分中广泛使用的增压机制动透平膨胀机来说。但应该说明的是，在任何情况下能保持透平膨胀机等熵效率s最大无疑能提高整个装置的经济性。5。2。6。1 透平膨胀机的特性曲线在影响透平膨胀机等熵效率的诸因素中,特性比具有决定性的意义。因此，在透平膨胀机中就把等熵效率s随特性比变化的关系曲线称为透平膨胀机的特性曲线，实际使用中，透平膨胀机等熵效率s随流量m的变化关系曲线也非常有用。图5.2.61给出了s和s-m的关系曲线。 图5.2.61透平膨胀机特性曲线图5。2.62给出了我国(杭州杭氧股份公司）八十年代产品20953（配10000空分用）透平膨胀机的实测特性曲线。图5。2.62透平膨胀机（20953)实测特性曲线真实的透平膨胀机特性曲线都是由实测数据经整理绘制而成的，不同类型透平膨胀机的特性曲线变化趋势也不仅相同，当然也可以通过计算绘制出供参考的预测特性曲线。透平膨胀机特性曲线可以帮助我们分析膨胀机的性能；可以指导透平膨胀机的设计以及帮助操作人员掌握正确的操作调节方法。从上两图可见，特性比在某范围之内（本例为0.670。72）,等熵效率都比较高,习惯上称这个特性比为最佳特性比。每一台透平膨胀机都存在着一个最佳特性比，实际操作时只要能维持这个最佳特性比，透平膨胀机的等熵效率都能达到较高的水平。5.2。6.2 透平膨胀机的工况调节对于空分设备来说，为了提高整个装置的运行经济性，选择合理有效的透平膨胀机调节方法非常重要,好的调节方法应能使机器始终运行在最佳特性比范围内，总具有较高的运行效率.根据结构和配置的不同,空分中透平膨胀机冷量调节的方法主要有：转动喷嘴叶片组调节；机前节流调节；部分进气调节；改变喷嘴叶片高度调节；多台机组组合调节。分别简述如下：1转动喷嘴叶片组调节：它是靠安装在外部的执行机构（可以是电动的、气动的或手动的执行器）来带动喷嘴叶片转动而改变通道截面积来实现的.调节时,通过传动机构同步转动均匀排列在导流器盘上的所有的喷嘴叶片，使叶片倾斜角改变，改变喷嘴喉部通道截面积从而改变膨胀机的气量。它基本属于对膨胀量的一种调节方式；但对于气体增压后再进入膨胀机膨胀的增压机制动透平膨胀机来说，由于膨胀气量的改变使膨胀机轴端输出功率也发生变化，造成增压后气体参数的改变,从而改变了膨胀机的进口参数，也就改变了等熵比焓降hs，所以对这类膨胀机来说，喷嘴叶片组调节是量和质的混合调节。图5.2。63为一转动喷嘴组件图。 图5。2.63转动喷嘴组件图转动喷嘴组件分为固定盘和转动盘,图中喷嘴叶片尾部的转动销与固定盘固定,而头部设有滑槽,当执行机构带动转动盘（外盘)转动时,通过插在滑槽中且固定在转动盘上的销就能带动喷嘴组转动.图5。2。35为几种常用转动喷嘴型式,a）图表示的喷嘴，习惯上称之为小叶片喷嘴，其转动轴心位于喷嘴出口边上,在整个调节过程中喷嘴出口与叶轮进口的间隙始终不变,只是进口冲角发生了改变，增加了部分附加损失;而b)和c） 表示的喷嘴，习惯上称之为大叶片喷嘴,在整个调节过程中喷嘴出口与叶轮进口的间隙以及进口冲角始终是变化着的，增加了附加损失。从气流均匀分布的角度来说，小叶片喷嘴略优于大叶片喷嘴，但从方便使用和便于维修、简化结构、使用寿命上来说，大叶片喷嘴更优于小叶片喷嘴，设计时应仅可能使转动销距离喷嘴出口边近一点。转动喷嘴叶片组调节性能好，在调节过程中能最大限度地利用工质的等熵比焓降，操作平稳、方便，是目前国内外大中型空分用透平膨胀机所普遍采用的,它的调节性能见图5.2。6-1。2机前节流调节：在透平膨胀机的进口管道中，设置一气动薄膜(或电动或手动）调节阀,通过调节阀开度的改变来调节膨胀前的气体压力，从而改变膨胀机等熵比焓降hs和流量，以实现制冷量调节的目的。这种调节方法基本上属于质的调节。但由于调节阀的特性以及膨胀机进口压力等变化对喷嘴进气量的改变，在气体节流的同时,也会使气体量发生改变，确切地说是一种质和量的混合调节，调节特性见图5。2。64。这种调节方法结构简单、工 作可靠、操作方便、可大大简化膨胀机的结构，又 图5.2。6-4节流调节特性可实现较宽范围的无级调节，若配以可变转速的风机制动，把特性比调到最佳值附近，则对膨胀机的等熵效率没有太大的影响。因此,这种调节方法在小型空分设备的透平膨胀机中获得较广泛的应用。它的最大缺点是不能充分利用工质的有效焓降，降低了装置的运行经济性。3部分进气调节：相当于把圆周方向的喷嘴叶片组分成几个数目不等的互相隔开的小组，每一个小组都可以单独控制进气与否，考虑到结构的因素一般设34个小组，调节时根据需要可以全开各小组喷嘴，或选开部分小组喷嘴组成不同的组合。它基本属于量的一种调节方式,图5。2.65为这种调节方法的示意图。图5。2.65部分进气调节方法示意图及调节特性1当为无限多喷嘴组时 2-有限喷嘴组加节流调节时当喷嘴组数目无限多时，它具有较好的调节性能,否则就应和节流调节配合一起使用，机器的效率与喷嘴组开启的数量有关。部分进气调节方法简单可靠，常用在冲动式透平膨胀机中,这时对膨胀机等熵效率影响不大。但用于反动式透平膨胀机时，由于不进气的一段喷嘴弧产生的鼓风损失和气体周向窜漏以及反动度的改变，增加了膨胀机的部分进气损失。这种调节方法现在较少采用。4改变喷嘴叶片高度的调节：见5.2.6-6示意图.它的调节原理是,在工作轮进口宽度不变的情况下，通过传动机构来轴向移动喷嘴压盖1（压盖1上铣有与喷嘴叶片断面相同形状的槽），来实现导流器叶片宽度的改变，基本属于量的调节。改变导流器叶片宽度的调节是各种调节方法中调节性能最好的一种方法.它可以充分利用膨胀机的焙降。显然，这种调节方法结构比较复杂,制造加工的要