透平膨脹機(jī)是一種輸出功率并使壓縮氣體膨脹因而壓力降低和能量減少的原動(dòng)機(jī)。通常，人們又把其中輸出功率且壓縮氣體為水蒸氣和燃?xì)獾倪@一類透平膨脹機(jī)另外稱為蒸氣輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)(例如，催化裂化裝置中的煙氣輪機(jī)即屬于此類)，而只把輸出功率且壓縮氣體為空氣、天然氣等，利用氣體能量減少以獲得低溫從而實(shí)現(xiàn)制冷目的的這一類稱為透平膨脹機(jī)(渦輪膨脹機(jī))。此處所指的透平膨脹機(jī)即為后者。
由于透平膨脹機(jī)具有流量大、體積小、冷量損失少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通流部分無機(jī)械摩擦件、不污染制冷工質(zhì)(即壓縮氣體)、調(diào)節(jié)性能好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，故自20世紀(jì)60年代以來已在NGL回收及天然氣液化等裝置中廣泛用做制冷機(jī)械。
(一) 透平膨脹機(jī)簡(jiǎn)介
1. 結(jié)構(gòu)
圖5-4為一種廣為應(yīng)用的帶有半開式工作葉輪的單級(jí)向心徑-軸流反作用式透平膨脹機(jī)的局部剖視圖。它由膨脹機(jī)通流部分、制動(dòng)器及機(jī)體三部分組成。膨脹機(jī)通流部分是獲得低溫的主要部件，由渦殼、噴嘴環(huán)(導(dǎo)流器)工作輪(葉輪)及擴(kuò)壓器組成。制冷工質(zhì)從入口管線進(jìn)入膨脹機(jī)的蝸殼1，把氣流均勻地分配給噴嘴環(huán)。氣流在噴嘴環(huán)的噴嘴2中第一次膨脹，把一部分焓降轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，因而推動(dòng)工作輪3輸出外功。同時(shí)，剩余的一部分焓降也因氣流在工作輪中繼續(xù)膨脹而轉(zhuǎn)換成外功輸出。膨脹后的低溫工質(zhì)經(jīng)過擴(kuò)壓器4排至出口低溫管線中。圖5-4中的這臺(tái)透平膨脹機(jī)采用風(fēng)機(jī)作為制動(dòng)器。制動(dòng)空氣通過風(fēng)機(jī)端蓋8上的入口管吸入，先經(jīng)風(fēng)機(jī)輪6壓縮后，再經(jīng)無葉括壓器及風(fēng)機(jī)渦殼7擴(kuò)壓，最后排入管線中。測(cè)速器9用來測(cè)量透平膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速。機(jī)體在這里起著傳遞、支承和隔熱的作用。主軸支承在機(jī)體11中的軸承座10上，通過主軸(傳動(dòng)軸)5把膨脹機(jī)工作輪的功率傳遞給同軸安裝的制動(dòng)器。為了防止不同溫度區(qū)的熱量傳遞和冷氣體泄漏，機(jī)體中還設(shè)有中間體12和密封設(shè)備13。由膨脹機(jī)工作輪、制動(dòng)風(fēng)機(jī)輪和主軸等組成的旋轉(zhuǎn)部件又稱為轉(zhuǎn)子。此外，為使透平膨脹機(jī)連續(xù)安全運(yùn)行，還必須有一些輔助設(shè)備和系統(tǒng)，例如潤(rùn)滑、密封、冷卻、自動(dòng)控制和保安系統(tǒng)等。
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2. 制冷原理
向心反作用式透平膨脹機(jī)的工作過程基本上是離心壓縮機(jī)的反過程。
從能量轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)來看，透平膨脹機(jī)是作為一種原動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)它的制動(dòng)器高速旋轉(zhuǎn)，由于工作輪中的氣體對(duì)工作輪做功，使工作輪出口的氣體壓力及比焓降低(即產(chǎn)生焓降)，從而把氣體的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功輸出并傳遞給制動(dòng)器接收，亦即轉(zhuǎn)換為其他形式能量的一種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械。
如上所述，在向心反作用式透平膨脹機(jī)中，具有一定可利用壓力能的氣體，在噴嘴環(huán)的噴嘴中膨脹，壓力降低，速度增加，將一部分壓力能及焓降轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。在噴嘴出口處的高速氣流推動(dòng)工作輪高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在工作輪流道中繼續(xù)膨脹，壓力及比焓繼續(xù)降低。由于氣體在工作輪進(jìn)出口處的速度方向和大小發(fā)生變化，即動(dòng)量矩發(fā)生變化，工作輪中的氣體便對(duì)工作輪做功，從而把氣體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功輸出并傳遞給制動(dòng)器接收，因而降低了膨脹機(jī)出口氣體的壓力和溫度。