低温透平膨胀机成长的五十载
低温透平膨胀机成长的五十载一、前言中国空分制造业已经经过了整整五十年了。
回顾五十年，我国的空分行业从无到有，从仿造到自行开发研究，制氧容量从小型的几十立方每小时到目前已经能生产每小时三万等级，从整套制氧机运行需由三五个人手工操作发展到今天在控制室电脑屏幕前由一个人可对整套空分设备进行操作，从流程上来说从一般简单节流流程已经发展到现在根据不同需要可采用不同流程：如正流膨胀流程、反流膨胀流程、增压膨胀流程、内压缩流程等等。
既能达到高的提取率又能节省能耗的新流程。
低温透平膨胀机是空分设备的心脏，它是空分设备中最主要的冷源。
它的技术性能水平直接反映出空分设备的水准。
我国60年代初尚处于仿造当时苏联3 0、40年代3350m3/h制氧机，其中配套的透平膨胀机还是冲动式（反动度为零）的型式，绝热效率在70%左右。
经过这四十年的发展，我国的低温透平膨胀机已经从原只能仿造逐步发展成完全可以自行开发在空气液化分离设备；石油气天然气的液化及分离；氮、氦气体的液化；氦制冷设备；航空航天环境拟设备上的广泛应用，为我国在冶金、化工、石化、核物理和航空航天事业上挥了重大的作用。
二、我国低温透平膨胀机发展的主要里程1、60年代初，在当时的机械部的大力支持下，当时杭州制氧机研究所第一副所长陈大慈积极指导下，我们几位刚毕业的大学生接受了开发低温透平膨胀机的任务。
在当时缺乏资料情况下，通过不同途径从各个方面收集相关资料，开始了国内首台自行设计低温透平膨胀机的研制，并进行了大量的试验研究。
完成了喷咀相关闭对效率的影响试验；喷咀叶片高度对叶轮进口叶高过盖度对效率的影响试验；反动度对效率的影响试验；制动风机对透平膨胀机的调节性能试验；常温与低温对比效率试验等，并写出了至今为止研究低温透平膨胀机的设计研究还有一定指导意义的《单级向心式空气透平膨胀机的试验研究》学术论文。
2、1970年我国首台配自行设计中压流程300m3/h制氧机的中压透平膨胀机研制成功，为我国自行研发中压透平膨胀机迈出了和一步。
3、1979年研制成用于核物理研究的100L/h大型氦液化设备中二台高速氦气轴承氦透平膨胀机（转速分别为10.2×104r/min和12×104r/min），填补了重大空白，其中采用了独特的方法解决了理论和实践证明是行之有效的关键稳定性问题。
写出了《氦透平膨胀机及其气体轴承稳定性试验研究》论文，在1983年法国巴黎召开的第16届国际制冷大会上宣读，在国际同行中得到一致好评。
这也是我国空分行业第一次在国际性会议上宣读学术论文。
4、1980年江西制氧机厂与西安交通大学合作研制成配150m3/h小空分的气体轴承中压透平膨胀机，至今全国配150m3/h制氧机几乎全部都配上这种透平膨胀机代替活塞膨胀机。
因为它比活塞式效率大为提高，节电显著，而且维修方便，占地面积小，噪音低。
5、1985年，杭州制氧机研究所完成机械部下达的研制配进口的20L/h氦液化设备的2台超高速高稳定性的气体轴承氦透平膨胀机（转速分别为25×104r/ min和36×104r/min），为我国以后研制超高速气体轴承透平膨胀机打下了良好的基础。
6、80年代初，杭州制氧机厂从德国Linder公司（后为AtlasCopco公司）引进了透平膨胀机的设计和制造技术，这使我国在以后的透平膨胀机的整体水平（包括设计、制造工艺、质控等方面）有了明显的提高。
特别是1987年杭州制氧机厂率先在国内开发成功增压膨胀流程6000m3/h空分设备中的增压透平膨胀机，这不仅为节能型的增压流程在我国予以实现，更使我国空分设备和透平膨胀机的技术又上了一个台阶。
继后10000、3200、15000和30000m3/h空分设备等级的增压透平膨胀机也前后研制成功。
7、杭州制氧机厂在90年代初开发成高膨胀比(29.6)、大流量的中压氮气增压透平膨胀机，其进口压力为3.7MPa(A)。
由于其运行稳定、效率高、易耗件少、维修方便，取代了原三台活塞膨胀机，收到了良好的经济效益，同时也实现了透平膨胀机高膨胀比的突破，为大型液体设备的流程实现了跨出了重要的一步。
8、气体轴承透平膨胀机在中小型空分设备和液化设备中应用具有一定的优势，继“150m3/h”空分设备气体轴承透平膨胀机取代活塞式膨胀机后，90年代国内又在300、800m3/h空分设备中，甚至在1000空分设备中也配用气体轴承透平膨胀机。
杭州制氧机厂在90年代初还成功开发出集中了Φ80三元叶轮、小型可调喷咀、增压制动风机和气体轴承四项新技术为一体的小型增压透平膨胀机用于15 0L/h的液氧液氮设备中，获得国内外同行的赞赏。
9、四川空分设备厂在80年代初研制成配7×104m3/d等级小型天然气分离装置的天然气透平膨胀机。
80年代中期四川空分厂和航空部609所都引进了美国Rotoflow透平膨胀机技术。
四川空分厂在80年代末90年代初又研制成配50×1 04m3/d等级的天然气分离装置的天然气透平膨胀机。
但从90年代以后，这方面军发展不快，我国内像150×104m3/d~250×104m3/d等级的石油气、天然气分离装置都从国外大公司引进设备的。
三、体会1、要重视试验研究工作，培养自己解决实际问题的能力从本人从事低温透平膨胀机试验研究四十年经历中深深的感受到试验研究工作的重要性，对每一个透平膨胀机研发人员来说，不仅要有扎实的理论基础和专业知识，而在设计过程中很重要的一点，那就是不但会设计，而且要知道设计出来的图纸是怎么制造出来（加工工艺）；还要知道设计好的整台机组是怎么安装起来的（装配工艺）；还要了解透平膨胀机在空分设备中的地位，什么时候启动透平膨胀机，怎么启动，怎么配合空分设备调节冷量又能保证透平膨胀机的正常稳定运行等等，只有这样要求自己，才能把自己培养成一个全面的研究开发人才。
只有通过试验研究，提高感性认识，再在理论高度上给予总结，再来指导以后的开发，不断提高解决实际问题的能力。
从国外引进先进的产品（技术），对我们是个学习的好机会，通过深入了解，学习他们的先进设计方法、合理的结构，引进到我们自己设计中来，这当中，我们也不能迷信国外产品。
我们通过长期的试验研究，总结了一定的经验，有时我们帮助处理国外产品事故中，刚好国外产品中犯下了我们曾犯过的错误。
这样，用我们的经验解决了国外产品的问题。
本人在处理日本、英国和法国产品故障中就遇到过这种问题。
同样，我们在看到了国外透平膨胀机结构设计时，应常用“为什么是这样设计的？”来问自己，了解别人的设计意图。
只有这样才能把国外先进的、合理的、行之有效的设计方法引为我用，不断提高难度们的设计水平。
我们有信心，在不久的将来，逐步使我们设计透平膨胀机水平达到、甚至超过国外先进水平。
2、要重视科技情报的收集我国工厂企业的技术人员，他们常常被日常的生产任务所牵制，不够重视当前国内外同行的各种信息，不收集这方面的科技情报（如国内外同行近期产品的资料和发展、趋向；国内外相关的学术交流信息等）。
这些都是我们搞研究开发所不可缺少的信息源泉。
因为我们不可能什么都通过自己试验研究才能获得研究结果的，更多的还是通过前人研究成果的基础上再来发展，只有这样才能达到又快又好又省的发展新产品、新技术。
我们以前搞一项重大项目，在全国各地收集相关情报资料，有时找了几十篇文章，找到了一条相关的信息，结果可使我们少化几万元钱少化几个月的时间不去做国外已经做过的，而真正的更多更重要的还是要在网上以外的各种渠道收集资料。
3、提高透平膨胀机绝热效率的途径四十年前，我们仿造苏联3350型制氧机的冲动式透平膨胀机的绝热效率在7 0%左右，在70年代末，我们自行设计的3350型制氧机的反动式透平膨胀机效率在78~80%，80年代初引进德国Linder公司技术后，叶轮流道采用了准三元设计，透平膨胀机效率在82%左右，到90年代初，引进了美国NREC设计软件及五座标加工设备后，透平膨胀机绝热效率可达到85%左右以上。
然而，从本人多年的透平膨胀机的实际运行观察中，对不同的企业，甚至同一企业的不同的设计人员的设计方法缺乏稳定性，对同一等级的透平膨胀机设计中，有的设计出来的效率可很高，有时却较低。
现在我们设计人员只知道满足总体流程的总要求即可了，而忽略了膨胀机本身有否达到要求，特别是效率的要求，更很少有人考虑此膨胀机还有潜力可挖的问题。
例如，我在多年的调研中发现许多透平膨胀机运中的喷咀后压力数据往往没有达到设计要求，有的甚至相差很多。
我还观察到喷咀后压力越接近设计值的透平膨胀机绝热效率越高，相差多的效率也就越低。
这是我们透平膨胀机设计人员在提高绝热效率中一个重要课题。
4、关于石油气、天然气透平膨胀机石油气、天然气在我国有丰富的资料，而且还比较落后。
因此石油气、天然气的分离和液化设备的开发在我国的巨大的市场。
而且至今国内绝大部分的分离和液化天然气装置还是被国外的大公司所垄断。
这些设备最关键部机还是透平膨胀机。
这种天然气、石油气透平膨胀机相对于空分设备中透平膨胀机有几个重要的关键问题需解决：多组分热力计算方法；单级大焓降引出的高转速叶轮的结构及轴承稳定性；带液引出的复什叶型及侵蚀问题；高进口压力引出的巨大轴向力；可燃易爆气体引出的高要求密封及各种防爆措施。
此外还有天然气、石油气会溶解在透平膨胀机的润滑油中，时间长后会引起润滑性能的下降。
国内主要是四川空分设备厂和航天部609所在70年代已经进行这方面透平膨胀机的研制工作，80年代已有配10×104~50×104m3/d天然气分离设备中透平膨胀机的产品。
80年代末，这两单位前后从Rotoflow公司引进了部分技术，这对提高我国天然气、石油气透平膨胀机的技术水平起到一定的作用，但从整体来看，与国外一些先进水平还存在较大的差距。
应该说，石油气、天然气透平膨胀机是难度最大的一种透平膨胀机，它集中了透平膨胀机各个方面的难点。
在60、70年代来进行这种透平膨胀机的研制困难是非常大的。
然而，通过三四十年的探索和国外部分技术的引进，相关科学的发展，特别是国外先进的设计软件（NREC）和加工硬件（五座标数控加工机床）的引进，无疑这些为天然气透平膨胀机关键技术的解决提供了有利的条件。
至今，有理由说，如果在石油气、天然气透平膨胀机上有所突破，实际上将为空分设备上用的透平膨胀机的先进性和稳定性提供了可*的保证。
所以，我认为攻克天然气、石油气透平膨胀机的关键作为提高透平膨胀机总水平的目标来抓。
5、关于气体轴承透平膨胀机在空分设备中的应用问题这一问题曾在一段时期引起一些争论。
根据本人从事透平膨胀机中气体轴承及其稳定性研究近三十年的经验，谈一些看法。
透平膨胀机资料
透平膨胀机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途径之一，也是对外做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，活塞式膨胀机多用于中高压、小流量领域。
而低中压、流量相对较大的领域则多用于透平膨胀机。
随着透平技术的进一步发展，中高压、小流量的大膨胀比的透平膨胀机在各领域也有越来越多的应用。
与活塞膨胀机相对比，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，调节性能好和效率高等特点。
对空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补流，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件之一。
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，更高的整机效率，更好的稳定剂调节性能，更安全级可靠的保护系统，更长的运行周期及使用寿命等等。
特别是随着内压缩流程空分设备和液体、液化设备等广泛使用，中压甚至更高等级透平膨胀机使用的越来越多。
这类产品膨胀机出口气体常带一部分液体，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。
工质在冷钢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，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。
2、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。
如果反动度很小甚至接近于零，工作轮基本上由喷嘴出口的气体推动而转动，并对外做功，这种透平膨胀机被称为冲动式透平膨胀机。
根据工质在工作轮中流动的方向，透平膨胀机可分为径流式，径—轴式和轴流式；如图：如果工作轮叶片两侧有轮盘和轮盖，则称为“闭式工作轮”没有轮盖只有轮盘的则称为半开式工作轮。
透平膨胀机
透平膨胀机实用钢铁材料手册.PDF电子书小商店10透平膨胀机1. 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依靠气体的膨胀，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一种有效设备，现已广泛地应用到气体液化分离、能量综合利用等方面。
2. 膨胀机的型式2.1 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；缺点则是结构复杂、体积大、易损件多、操作维护复杂。
2.2 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。
3. 按工作原理分为：3.1 冲动式：膨胀过程完全在静止的喷嘴中进行；3.2 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。
4. 按气流流动方向分为：4.1 径流式：气体在垂直与旋转轴的平面内沿半径方向流动；2.2 轴流式：气体沿着平行于工作轮旋转轴方向流动；4.3 径轴流式：气体由径向流入工作轮而又轴向流出。
轴流式径流式径轴式3. 透平膨胀机基本结构及工作原理3.1 基本结构膨胀机由通流部分、制动器及机身三部分组成：（1）膨胀机通流部分：蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器。
（2）制动器：压缩机、风机或电机。
（3）机身：支撑和隔热作用。
3.2 工作原理3.2.1 气体在喷嘴中的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）3.2.2 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，以降低内能使温度进一步降低。
透平膨胀机
透平膨胀机，是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。
原理其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。
我们平常用气筒打气会发现筒身发热,那是因为活塞压缩气体气体放热,如果反之其原理就类似于膨胀机了(更确切的说是活塞式膨胀机).透平膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或制动风机消耗。
扩展资料：膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得冷量的机械。
[1]膨胀机常用于深低温设备中。
膨胀机按运动形式和结构分为活塞膨胀机和透平膨胀机两类。
活塞膨胀机主要适用于高压力比和小流量的中小型高、中压深低温设备。
活塞膨胀机：活塞式膨胀机是通过气体膨胀推动活塞向外界输出功以产生制冷量的机器。
工质在气缸内推动活塞输出外功，同时本身内能降低。
因此，膨胀机也是一种气体发动机，所不同的是以使气体冷却获得冷量为主，利用机械功是次要的。
一般来说，活塞膨胀机多适用于中、高压小流量领域。
活塞式膨胀机广泛应用于空分装置及液化装置，尤其是在高压、小体积流量条件下。
1934年前苏联的卡皮查提出用活塞式膨胀机替代液氢进行预冷实现氦气液化，真正实现则是到了20世纪50年代，美国的Collins做出了带活塞式膨胀机预冷的氦液化器，但该产品在低温下活塞和气缸容易卡住，难以稳定工作。
针对这个问题，1962年，中国科学院物理研究所低温物理研究室（中国科学院理化技术研究所前身）周远提出采用室温密封长活塞结构替代原卡皮查结构的方案，并于1964年研制成功，实现了带活塞式膨胀机预冷氦液化器的稳定运行，1965年获得生产推广。
透平膨胀机
透平膨胀机透平膨胀机是一种输出功率并使压缩气体膨胀因而压力降低和能量减少的原动机。
通常，人们又把其中输出功率且压缩气体为水蒸气和燃气的这一类透平膨胀机另外称为蒸气轮机和燃气轮机（例如，催化裂化装置中的烟气轮机即属于此类），而只把输出功率且压缩气体为空气、天然气等，利用气体能量减少以获得低温从而实现制冷目的的这一类称为透平膨胀机（涡轮膨胀机）。
此处所指的透平膨胀机即为后者。
由于透平膨胀机具有流量大、体积小、冷量损失少、结构简单、通流部分无机械摩擦件、不污染制冷工质（即压缩气体）、调节性能好、安全可靠等优点，故自20 世纪60 年代以来已在NGL 回收及天然气液化等装置中广泛用做制冷机械。
（一）透平膨胀机简介1. 结构图5-4 为一种广为应用的带有半开式工作叶轮的单级向心径- 轴流反作用式透平膨胀机的局部剖视图。
它由膨胀机通流部分、制动器及机体三部分组成。
膨胀机通流部分是获得低温的主要部件，由涡壳、喷嘴环（导流器）工作轮（叶轮）及扩压器组成。
制冷工质从入口管线进入膨胀机的蜗壳1，把气流均匀地分配给喷嘴环。
气流在喷嘴环的喷嘴 2 中第一次膨胀，把一部分焓降转换成动能，因而推动工作轮3 输出外功。
同时，剩余的一部分焓降也因气流在工作轮中继续膨胀而转换成外功输出。
膨胀后的低温工质经过扩压器 4 排至出口低温管线中。
图5-4 中的这台透平膨胀机采用风机作为制动器。
制动空气通过风机端盖8上的入口管吸入，先经风机轮 6 压缩后，再经无叶括压器及风机涡壳7 扩压，最后排入管线中。
测速器9 用来测量透平膨胀机的转速。
机体在这里起着传递、支承和隔热的作用。
主轴支承在机体11 中的轴承座10 上，通过主轴（传动轴）5 把膨胀机工作轮的功率传递给同轴安装的制动器。
为了防止不同温度区的热量传递和冷气体泄漏，机体中还设有中间体12 和密封设备13 。
由膨胀机工作轮、制动风机轮和主轴等组成的旋转部件又称为转子。
此外，为使透平膨胀机连续安全运行，还必须有一些辅助设备和系统，例如润滑、密封、冷却、自动控制和保安系统等。
低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析_侯予
第37卷 第7期2003年7月 西 安 交 通 大 学 学 报JO U RNA L O F XI′AN JIAO TO NG UN IV ERSIT YVol.37 №7Jul.2003低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析侯 予,陈纯正,熊联友,刘立强,王 瑾(西安交通大学低温工程研究所,710049,西安)摘要:针对我国航天领域某重点项目的研制任务,设计了一台氦气体轴承低温透平膨胀机,并对其热力性能进行了分析和讨论.提出了一种考虑膨胀机整体热力性能及机械性能的透平膨胀机系统多目标优化方法.解决了透平膨胀机使用不同工质时相似准则的选取方法,进而在自行开发的较为完善的透平膨胀机一元流动性能预测程序的基础上,获得了模化时所应遵循的相似准则数.以人工神经网络为基础实现了透平膨胀机的性能转换问题.试验结果表明,所研制的氦气体轴承透平膨胀机的绝热效率大于71%;在出口温度为12.8K 时,膨胀机效率已达到75%;膨胀机的最大制冷量接近2kW.关键词:透平膨胀机;氦;性能分析中图分类号:TK04 文献标识码:A 文章编号:0253-987X(2003)07-0666-04Design and Analysis of Thermal Performance forCryogenic Helium Expansion TurbineHou Y u,Chen Chunzheng,X iong Lianyou,Liu Liqiang,Wang J in(Institute of Cryogenic Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China)A bstract:To accomplish the research task of helium turbo-expander used in an impo rtant item of space area,a helium turbo-expander using gas bearings has been designed.The therm al performance of this helium turbo-ex-pander is discussed,and a multiple objects optimization design for w hole performance of a radial-ax ial flow cry o-genic turbo-ex pander is developed.A method of selecting similarity criteria for different wo rking fluids in tur-boexpander is proposed.In theoretical research on predicting the therm al performance of expansion turbine,an effective performance prediction program based on a one-dimensional analy sis of expansion turbine is developed, and the similarity criteria used to simulate modeling tests are obtained.Furthermore,the artificial neural net-w ork is used to deal with the transfo rming problem of turbine performance.The efficiency of this turbine has been increased to75%at the exit temperature12.8K,and the sy stem cooling capacity2kW has been obtained. Keywords:turbo-expander;helium;performance analysis 载人航天工程是一个庞大的系统,是众多行业大力协作的结晶,也是体现一个国家科技水平及综合国力的标志.我国的载人航天工程在20世纪80年代立项论证,20世纪90年代我国的航天计划开始实施.作为航天计划的先期项目———KM6载人航天器空间环境试验设备(简称KM6设备),是发展我国载人航天工程必不可少的重大基础设施.卫星和飞船飞行在地球大气层以外的宇宙空间,那里的环境是深冷黑体(简称热沉)、真空环境和太阳辐射.空间环境模拟器是在地面上模拟空间环境,提供卫星、飞船发射前进行检验的地面设备,其中的深冷氦板借用热沉壁板的保护,以减少辐射能量的消耗,并采用20K深冷泵提供深冷抽气,这就需要采用极低温氦气来冷却低温泵冷板以获得最收稿日期:2002-10-17. 作者简介:侯 予(1973～),男,博士,副教授. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50206015);真空低温技术与物理国防科技重点实验室基金资助项目.佳效果.氦制冷系统就是用来为内装式低温泵提供充裕的低温冷量,以保证试验舱内达到高真空环境.在该制冷系统中,关键的产冷机械是氦气体轴承透平膨胀机,它被普遍认为是氦制冷系统的心脏,是氦制冷系统中技术含量高、研制难度大的核心部件,也是氦制冷系统研制过程中技术研究的重点.KM 6设备是世界三大载人航天器空间环境的试验设备之一(另外2台为美国及俄罗斯所有),其中的氦气体轴承透平膨胀机研制重担最终由西安交通大学制冷与低温工程系承担.1 设计要求氦制冷系统采用80K 液氮预冷逆布雷顿循环,设置2台透平膨胀机的并联使用.KM 6低温氦透平膨胀机的主要设计参数:进口压力为0.8MPa ,进口温度为22.5,出口压力为0.15MPa ,效率大于或等于65%,出口温度小于或等于16K .KM 6氦制冷系统设备如图1所示.2 氦气体轴承透平膨胀机的设计为了获得透平膨胀机的较高性能,必然借助于最优化设计.在低温氦透平膨胀机中,由于进口介质的温度低,膨胀比较大,尤其是在小流量时,工作轮直径较小,势必造成膨胀机转子的转速较高,而过高的转速将使膨胀机的工作可靠性下降[1].参考空气透平膨胀机和国内外现有氦透平膨胀机的参数,并根据KM 6氦透平膨胀机的具体特点和要求,选取基本热力参数和结构参数,对反动度、轮径比等参数进行优化.氦透平膨胀机除了其热力性能外,膨胀机机械性能尤其是轴向力的大小及轴承-转子系统的稳定性也是一个重要因素,它决定了膨胀机设计的可行性和运行可靠性.因此,针对氦透平膨胀机热力性能及机械性能进行整体性能多目标优化设计是十分必要的.在本设计中,以低温透平膨胀机一元流动热力性质数值计算及轴承系统有限元计算为基础,考虑热力性能及机械性能的约束条件,对透平膨胀机的工作轮、制动风机、轴向力及轴承-转子系统进行关于膨胀机的特性比(u 1)、反动度(ρ)、轮径比(μ)、叶高轮径比(l 1/D 1)等包括热力性能及机械性能的系统多目标优化,全面地考虑约束条件,从数据库中选取其他热力及结构参数,并加入专家的经验以提高搜索效率[2].主要设计结果:氦气膨胀气量为900Nm 3/h ,工作轮直径为35mm ,制动风机轮D =60mm ,ρ=0.463,u 1=0.624,工作转速为116×103r /min ,绝热效率大于0.65.3 性能预测由于透平膨胀机内部的工质流动是一种极为复杂的三维流动,加上尾迹流的影响、叶轮与喷嘴间流动相互干扰形成的不稳定流动的影响、粘性影响、边界层及二次流发展的影响、大焓降透平膨胀机中激波间断和阻塞工况的影响等,致使理论预测透平膨胀机的热力性能变得十分困难.目前,依靠试验了解透平膨胀机的热力性能仍为最重要也是最可靠的手段.但是,对于氦透平膨胀机而言,由于氦气的昂贵以及加工现场条件的限制,通常采用空气或其他相对便宜的替代工质进行试验,为此要设法解决不同工质(主要指具有不同绝热指数的工质)试验结果之图1 K M 6氦制冷系统设备图667 第7期 侯 予,等:低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析间的相互转化问题.为此,我们采用了2种方法:一是利用相似模化的方法,寻求试验时应遵循的决定性相似准则数;二是利用人工智能领域最新发展起来的人工神经网络技术来实现不同工质的性能转换[3].在透平膨胀机性能的理论预测研究中,课题组应用并发展了NASA 理论,确定了速度系数φ、ψ的变化规律及冲击损失系数β的计算方法,考虑到膨胀端与制动端的功率匹配问题,建立了空气、氦气和二氧化碳物性数据库,从而实现了程序可根据多种工质按实际物性进行计算.在透平膨胀机热力性能预测程序的基础上,推导出了使用同种工质时透平膨胀机所应遵循的决定性相似准则,总结出了透平膨胀机使用空气与氦气时所应遵循的决定性相似准则,提出了分段选用κ(绝热指数)与M u (对应于速度u 的马赫数)的不同组合作为决定性相似准则之一的思想及方法,并进行了数值模拟试验.由于M u 、p 0/p 3、κ与绝热效率(ηs )之间是一种高度的非线性映射关系,故在透平膨胀机的性能转换研究中应用人工神经网络(ANN )技术,以解决透平膨胀机使用不同工质时的性能转换问题.结果表明,以大量的试验数据做为训练样本,将使人工神经网络方法在透平膨胀机使用不同工质的性能转换中更加可靠、有效[4].氦透平膨胀机理论预测曲线如图2所示,图中u 1为出口工作轮的径向速度;C s 为等熵速度.4 试验分析为考察氦透平膨胀机的性能,暴露设计中存在的问题及预测其使用工况下的性能,在制造厂内将样机在制氧机上先后多次进行了常、低温(液氮级)空气试验,符合要求后运至使用现场.在用氦气多次开车的整个试验过程中,2台氦气体轴承透平膨胀机均一次开车成功,并表现出良好的性能,尤其是膨胀机轴承-转子系统的稳定性优异,在整个试验过程中未出现任何轴承失稳和转子卡死现象.氦透平膨胀机始终运转稳定,最高转速已超过了设计值,并经历了各种工况考验,创造了现场多次试车中氦透平膨胀机没有发生一次事故的新纪录.试验还表明,该机在制冷温度、制冷量等多项指标上,完全满足了飞船的试验要求,其优异的热力性能也发挥得很突出,如用空气作试验时,氦透平膨胀机的最高绝热效率已达68%.在环境模拟现场进行了氦低温试验后,直至1999年氦制冷系统参加飞船联调试验取得圆满成功,充分显示了氦透平膨胀机的技术指标均达到并明显优于原设计任务的要求.氦透平膨胀机空气常、低温的试验结果及氦气试车膨胀机的特性曲线如图3～图5所示.根据测试记录,透平膨胀机出口的最低温度小于13K ,比原设计要求的出口温度小于16K 或更低.根据测试数据的计算,该透平膨胀机在设计工况下的实测绝热效率大于71%,在出口温度为12.817K 时,膨胀机效率已达到75%,明显高于原设计的要求值(大于65%).膨胀机的最大制冷量接近2kW ,这使原设计的双机并开到现在的一开一备,即可满足系统对制冷量的要求.从试验结果来分析,膨胀机的实际运行指标大大超过设计工况,再结合空气及低温试验前后的数据及设备装拆记录,发现主要原因在于:①由于保障了加工精度,膨胀机通流部分的流动损失大大降低;②轴承-转子系统良好的稳定性和超速性能使膨胀机达到了最佳特性比,等熵效率显著提高;③整机材料用导热系数小的钛合金及不锈钢件,在结构上也采用了积极措施,从而减少系统的跑冷损失;④系统采用的新型低温密封结构杜绝了极冷氦气的内漏与外漏.图2 氦透平膨胀机理论预测曲线图3 在常低温下用空气试车时氦透平膨胀机的试验结果668西 安 交 通 大 学 学 报 第37卷 图4 用空气试车时氦透平膨胀机的特性曲线图5 用氦气试车时氦透平膨胀机的特性曲线5 结 论通过对KM 6设备低温氦气体轴承透平膨胀机的成功研制与试验分析,获得了低温氦气制冷系统及低温高速气体轴承透平膨胀机的设计准则、试验数据与运行经验,这具有重要的学术价值和工程指导意义.本文所设计的逆布雷顿循环氦制冷系统的关键设备氦气体轴承透平膨胀机已通过使用单位的验收并交付使用.运行表明,该机具有较好的热力性能和机械性能,获得了使用单位较好的评价,并在“神舟号”飞船热真空试验中发挥了很好的作用.该项目的技术指标已达到国际先进水平,2000年在北京由教育部组织的鉴定会上获得了很高的评价,它的成功研制被认为是我国氦制冷技术水平显著提高的重要标志.由西安交通大学研制的氦气体轴承透平膨胀机与氦制冷螺杆压缩机一起荣获了2001年度中国高校科学技术进步二等奖,所配套的KM 6载人航天器空间环境试验设备荣获2001年度国家科学技术进步二等奖.致谢 感谢中国航天科技集团公司第五研究院511所、苏州制氧机有限公司、苏州三川换热器厂、西安交通大学瑞森集团公司等诸多单位在KM 6氦气体轴承透平膨胀机研制过程中提供的支持和技术协作.参考文献:[1] 西安交通大学制冷教研室.国外氢氦透平膨胀机评述[R ].西安交通大学科技参考资料,75-010.西安:西安交通大学,1973.11～14.[2] 侯予,王瑾,熊联友,等.径-轴流低温透平膨胀机整体性能多目标优化设计[J ].低温工程,2001,122(4):13～17.[3] 刘立强,熊联友,侯予.透平膨胀机热力性能的理论预测[J ].低温工程,1998,104(4):5～10.[4] 刘立强.气体轴承氦透平膨胀机的研究[D ].西安:西安交通大学能源与动力工程学院,1997.(编辑 王焕雪)《科技英语论文实用写作指南》简介《科技英语论文实用写作指南》是为提高我国研究生的科技论文英语写作能力而编写的研究生教材.本书从实用的角度出发,以论述与实例相结合的方式,介绍了科技英语论文各章节的写作要点、基本结构、常用句型、时态及语态的用法和标点符号的使用规则,以及常用词、常用短语的正确用法,指出了撰写论文时常出现的错误,并在附录中列出了投稿信函、致谢、学术演讲和图表设计及应用的注意事项等.本书适用于博士生、硕士生、高校教师和研究院所的科研人员,还可以作为对参加国际学术会议参加人员进行培训的教材.本书由西安交通大学俞炳丰教授编著,西安交通大学出版社出版.出版发行科电话:029-*******,2667874.669 第7期 侯 予,等:低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析。
全动压气体轴承低温透平膨胀机的开发
摘 要
设 计 了一 台小型 垒动压 气体 轴承低 温透 平膨胀机 ，径 向轴 承采 用新 型
弹性 支承锆 片径 向气体轴 承 ，止推 轴 承采 用螺旋槽 止推 气体轴 承 。针 对该连 平嘭 胀 机 的机械 性 能做 了大量试 验 ，试验获得 最 大转速 为 ２ ０００ｒｒ ｎ 试 验 表 明，该 奎 ２ ０ ／ ｉ ａ
年的 历史 。应用 于低温 透平 膨胀机 上的 气体轴 承主要 分 为静 压 式 （ｘ ｍａＹｐｅｓｒ￣］ｙｅ Ｅ ｔ ｎ ｒ ｕｉ ｔ １ ｅ ｓ Ｔ ｐ
和动 压式 （ｅ －ｃ ｎ ｍｅ Ｓｌａｔ ｇｒ ）两种 。国外在静 、动压 气体 轴承 的设计 制造上 均 已 Ｊ 发 出成 熟 的 ｆ ｉ ｌ ： 系列产 品，而我 国在 自行 设计 制造 的空分装 置 气体轴 承透 平膨胀机 中 目前都 是采用 静压 气体 轴承 静压 气体轴 承需要一 套 供气 系统 ，增 加 ｒ装置 的复杂性 ， 凡需 耗 费一 定数量 的Ｊ ｆ Ｊｔ 、 体 ，降低 了其经济性 ，这 在许 多场台 下限制 了 它的应用 冈此 ，砰发 动 压气体 轴承 对 于提 高 透平机 械 的经济性及 扩大 其应 用范 围是 非 常必 要 的。 国内对 动 压 气体 轴 承 的研 究 起步 较 晚 、 虽 然在 理 论和实验研 究上 取得 了 一 的进展 和成 果 ，但迄 今 为 止尚未 见 伞动 』 定 盘气体轴 承 往透 甲膨 胀 机 中得 到实 际应用 西 安交通 大学 一 直很 重视动压 气体 轴承 的研 究 ，曾对人字 槽 动压 径 向气体 轴 承 、可倾 瓦径 向及止 推轴 承 、螺旋 槽及 阶梯式 【推轴 承等进 ｒ许多理 沧和实 蜷 研 究 ，目前 又在 自然科 学基 金 的支持下 对瓶 型弹性 支承箔 片径 向动压 气 体轴 承进 行 ＿ ｒ夫量的 研 究 经过 多年 的研 究 ，对 径 向动压气 体轴 承 的稳 定性 、启停性 能 ，对 动压 ｆ 推气体 轴 承的 承载力 、稳定 性能 等方面积 累 大量 的经验 ，为开 发我 国 自己的全动压 气体轴 承低 湍透 膨 胀 机打 下 了坚 实 的基 础 率 文正 是在这 样的基 础上 设 计了 一 台小 型全 动 气体轴 承低 温透 乎 膨 胀机 ，径 向和止推 轴承分别 采用 新型 弹性 支承箔 片 径 向气 体 轴承 和 螺旋 槽 【 推 体轴 承 ，
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。
低温透平膨胀机成长的五十载
低温透平膨胀机成长的五十载一、前言中国空分制造业已经经过了整整五十年了。
回顾五十年，我国的空分行业从无到有，从仿造到自行开发研究，制氧容量从小型的几十立方每小时到目前已经能生产每小时三万等级，从整套制氧机运行需由三五个人手工操作发展到今天在控制室电脑屏幕前由一个人可对整套空分设备进行操作，从流程上来说从一般简单节流流程已经发展到现在根据不同需要可采用不同流程：如正流膨胀流程、反流膨胀流程、增压膨胀流程、内压缩流程等等。
既能达到高的提取率又能节省能耗的新流程。
低温透平膨胀机是空分设备的心脏，它是空分设备中最主要的冷源。
它的技术性能水平直接反映出空分设备的水准。
我国60年代初尚处于仿造当时苏联30、40年代3350m3/h制氧机，其中配套的透平膨胀机还是冲动式（反动度为零）的型式，绝热效率在70%左右。
经过这四十年的发展，我国的低温透平膨胀机已经从原只能仿造逐步发展成完全可以自行开发在空气液化分离设备；石油气天然气的液化及分离；氮、氦气体的液化；氦制冷设备；航空航天环境拟设备上的广泛应用，为我国在冶金、化工、石化、核物理和航空航天事业上挥了重大的作用。
二、我国低温透平膨胀机发展的主要里程1、60年代初，在当时的机械部的大力支持下，当时XX制氧机研究所第一副所长陈大慈积极指导下，我们几位刚毕业的大学生接受了开发低温透平膨胀机的任务。
在当时缺乏资料情况下，通过不同途径从各个方面收集相关资料，开始了国内首台自行设计低温透平膨胀机的研制，并进行了大量的试验研究。
完成了喷咀相关闭对效率的影响试验；喷咀叶片高度对叶轮进口叶高过盖度对效率的影响试验；反动度对效率的影响试验；制动风机对透平膨胀机的调节性能试验；常温与低温对比效率试验等，并写出了至今为止研究低温透平膨胀机的设计研究还有一定指导意义的《单级向心式空气透平膨胀机的试验研究》学术论文。
2、1970年我国首台配自行设计中压流程300m3/h制氧机的中压透平膨胀机研制成功，为我国自行研发中压透平膨胀机迈出了和一步。
透平膨胀机研究报告
透平膨胀机研究报告引言。
透平膨胀机是一种能够将高压气体能量转化为机械能的设备。
它利用透平叶片之间的高速转动和压缩空气之间的摩擦来实现能量的转化。
与其他热力设备相比，透平膨胀机具有高效、稳定、可靠等优点，因此在多个领域得到广泛应用。
本研究报告将从透平膨胀机的原理、性能、应用和发展等方面进行探讨。
一、透平膨胀机原理。
透平膨胀机的工作原理是利用透平叶片的高速旋转和气体的膨胀来将气体的能量转化为机械能。
气体从高压侧进入透平机，经过透平叶片的加速和摩擦，气体的内能发生变化，同时产生功。
经过叶片的膨胀过程，气体的温度和压力都降低，然后从低压侧排出。
透平机的主要部件包括透平叶片、轴承、透平机外壳、透平机从动件等。
透平叶片是透平膨胀机的核心部件，它们由金属或塑料制成，形状和数量不同，可以根据透平机的不同规格和使用条件进行选择。
透平叶片之间的摩擦会产生热量，因此透平机内部需要进行冷却。
透平机的传动系统通常由电机、齿轮或皮带传动等部件组成。
透平机的设计和制造必须充分考虑能量转化的效率、气体的压力和温度变化、透平机的噪音和振动等因素。
二、透平膨胀机性能。
1.高效性能。
透平膨胀机在能量转化方面具有高效性能，通常可达到80%以上的效率水平。
这使得透平机在能源领域得到广泛应用。
2.稳定性能。
透平膨胀机能够稳定地工作，误差较小，噪音低，摩擦损失小，具有长时间连续工作的能力。
3.可靠性能。
透平膨胀机的设计和制造必须充分考虑使用条件，才能确保机器的可靠性。
这包括透平机叶片的材料、振动和噪音的控制、气体的管理等方面。
4.多功能性能。
透平膨胀机可根据不同的需求设计不同的型号和规格，应用广泛。
常见的用途包括发电、压缩空气、冷却等领域。
三、透平膨胀机应用。
1.电力工业中，透平膨胀机被广泛应用在发电厂，其中透平机是主要的核心部件之一。
2.冷却和空调系统。
透平膨胀机通过控制气体的膨胀和压缩来实现冷却，尤其适用于大型商业建筑、医院、工厂等环境。
氦低温透平膨胀机的设计和内部流动特性研究
氦低温透平膨胀机的设计和内部流动特性研究蒙彦榕;熊联友;刘立强;彭楠【摘要】The main structural parameters of the blade for a high-speed radial-axial flow helium cryogenic turbo-expander were obtained through a design method based on one-dimension steady flow.The non-developable ruled parabolic shaping method was used to design the leaf type.In order to verify the effectiveness of the design,the numerical simulation and detailed analysis were carried out based on the designed turbine with given working condition using NUMECA and CFX software,and working wheel passage,nozzle passage and overall passage were separately analyzed.At last the reasonable temperature field,pressure field,distribution of relative velocity and high isentropic efficiency were obtained.The results show that the numerical result is credible and the impeller design is desirable.%为验证氦低温膨胀机叶片设计的有效性,利用了NUMECA和CFX软件对设计透平流道进行设计工况下的数值模拟计算及分析,其中分别对工作轮流道、喷嘴流道和整体流道进行计算分析,获得了较好的温度场、压力场、相对速度场分布和较高的等熵效率,结果表明了数值计算结果是可信的,叶型设计是合理的.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】9页(P46-54)【关键词】氦低温透平膨胀机;叶型设计;内部流动特性;数值模拟【作者】蒙彦榕;熊联友;刘立强;彭楠【作者单位】中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京100190;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京100190;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京100190;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京100190;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100190【正文语种】中文【中图分类】TB653透平膨胀机是低温流程的主要产冷设备，氦透平膨胀机是氦制冷/液化系统的关键设备。