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)換成動能，因而推動工作輪3輸出外功。同時，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中的這臺透平膨脹機(jī)采用風(fēng)機(jī)作為制動器。制動空氣通過風(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。測速器9用來測量透平膨脹機(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(傳動軸)5把膨脹機(jī)工作輪的功率傳遞給同軸安裝的制動器。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)，例如潤滑、密封、冷卻、自動控制和保安系統(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)是作為一種原動機(jī)來驅(qū)動它的制動器高速旋轉(zhuǎn)，由于工作輪中的氣體對工作輪做功，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)換為動能。在噴嘴出口處的高速氣流推動工作輪高速旋轉(zhuǎn)，同時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，即動量矩發(fā)生變化，工作輪中的氣體便對工作輪做功，從而把氣體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功輸出并傳遞給制動器接收，因而降低了膨脹機(jī)出口氣體的壓力和溫度。