一、膨胀机的工作原理
工作原理
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心脏。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。透平膨胀机输出的能量由同轴的增压机、发电机回收或制动风机、油等消耗。
膨胀机主要是被用来生产冷量造成低温，其工作的对象主要是气体。当气体具有一定的压力和温度时。就具有一定的能量，即由压力而体现的势能与由温度所体现的动能。这两种能量总称为内能，而膨胀机主要的作用是利用气体通过膨胀机的过程中的内能降低并对外输出功。并由于气体内能的降低并对外输出功使气体的压力和温度大幅度降低从而达到制冷与降温的目的。
膨胀机主要的工作是在喷咀及叶轮中完成。喷咀是一种由多个精心设计的叶片所组成的喷射通道（即喷咀流道）。当高压的气体通过喷咀流道时，由于喷射作用使气体的速度迅速上升并可达到音速。而气体的压力和温度则很快下降。从而达到降温的目的。
叶轮则是接受从喷咀出来的高速气体，由于喷咀出来的气体其速度达到或超过音速，而且温度已经大幅度降低，当高速气体冲击叶轮的叶片时，使叶轮高速转动。叶轮是一个由多个叶片所组成轮子，气体从半径方向流入，而从与主轴轴线平行方向流出，称为径轴流叶轮。叶轮中每两个叶片围成一个通道。叶轮的通道是经过精心的设计，而且是渐渐扩大的。当高速、低温的气体通过叶轮通道时，由于高速转动。使气体的速度很快下降，同时气体在不断变大的通道中流动时压力也进一步下降，因为压力与速度下降使气体的内能的降低，这样气体温度进一步大幅度降低。从而达到降温与制冷的目的。由于膨胀机轮子的飞速转动，带动了与膨胀机轮子在同一轴上另一端的增压机叶轮的转动，增压机叶轮的转动压缩了通过增压机叶轮气体，增压机叶轮不仅压缩了气体，利用了膨胀发出的功率，而且也控制了膨胀机的转速。
由于膨胀机中气体通过的时间极短，来不及与周围环境交换热量所以可以认为它是在接近绝热等熵的条件下工作的。因而具有很高的绝热效率。
二、膨胀机主机的结构与主要另部件
膨胀机是一种高速转动的机械，为了保证它的效率与可靠性，必须特别注重其叶轮、喷咀、轴承、密封的设计与制造。图一是一台膨胀机主机的基本结构的剖面图。主机主要由膨胀机蜗壳、机身、增压机蜗壳、转子、可调喷咀、轴承、及密封件等组成。下面分别介绍这些另部件的工作原理，基本结构及要求。
1、转子；转子是膨胀机的最重要部件。它直接关系到膨胀机的制冷效果、运转的稳定性、可靠性及使用寿命。转子是由膨胀机叶轮，增压机叶轮、密封轴套、螺帽及主轴组成。见图二。由于转子是在高速下运转，所以其高速下的稳定性是十分重要的，除了要提高其整个转子的抗振动性能外，还应对转子上的叶轮、主轴及转子的整体分别作动平衡试验，其允许的重心偏移量≤0.3μm.。
2、可调喷咀；可调喷咀是由几个可以转动的喷咀叶片、装有叶片转动轴销的定位盘、活动盘、盖板等另件组成。由于叶片可以围绕定位盘的轴销转动，因而其由两叶片围成的喷咀流道面积的大小可以调节（见图三）。从而达到改变气量的目的。但是由于喷咀另件都是由不锈钢制成，相对活动过多容易造成磨损、拉毛而咬合。所以喷咀不适宜经常调节。
3、轴承；膨胀机的转子是由轴承来支承的，为了使转子能长期稳定可靠地运转，轴承是个十分重要的另件。膨胀机的轴承多数采用动压油轴承，其结构及轴承与主轴之间的间隙大小对运转的稳定性及寿命有十分重要的关系，因而不能任意改变。
动压油轴承是一种非接触式的液体润滑轴承，它是依靠转子转动时的动压作用，使转子浮动在轴承上面，它依靠润滑油来维持轴与轴承之间的间隙。使轴与轴承不会由于接触而磨损，而且润滑油还冷却轴承，带走主轴因高速转动时与润滑油的磨擦而产生的热量。所以向轴承供给一定量的清洁的润滑油也是轴承正常工作的非常重要的工作。
4、密封件；（这里主要是指主轴与机身之间的动密封）膨胀机是在高速低温的环境下工作的，如何阻止因低温气体进入轴承而使轴承润滑油冻结，及阻止因润滑油进入低温端因冻结而造成运行不正常及堵塞。所以膨胀机的密封也是很重要的工作。膨胀机的密封通常采用迷宫密封，即在主轴上或转子的轴套上设置居剌形的密封剌，而在机身上装有相对较软的用石墨或铅基合金制成的密封件。迷宫密封是一种动密封，它依靠密封剌与密封件间的0.01～0.05mm的间隙，使气体产生节流作用并造成压力的降低。达到密封的效果。所以迷宫密封一定有少量的气体的漏泄，为了减少气体的漏泄量，除了加强密封外，还应该尽可能降低密封气的入口压力，一般情况下，要求密封气的入口压力仅高于喷咀后压力约为0.05Mpa。
5、机身；机身组成了膨胀机的外壳，并提供轴承、密封件、隔板、隔热板等等另件的安装场所。
6、膨胀机蜗壳；膨胀机蜗壳主要是膨胀机工作气体的进出口通道，并使膨胀气体均匀地分配给喷咀的各个通道。同时当低温气体流出膨胀机叶轮时通过一个扩张的锥管使气体的流速进一步下降，从而使压力有所上升。
7、增压机蜗壳；增压机蜗壳主要是增压机工作气体的进出口通道。蜗壳在增压机叶轮的出口处设置有无叶扩压器，使增压后的气体减速，从而使增压后气体的压力进一步上升。
三、膨胀机的供油系统；
1、供油系统的要求；供油系统主要为膨胀机轴承提供一定数量的清洁的，又有一定温度要求的润滑油。由于膨胀机轴承的间隙仅为几十微米，而轴承对温度又有一定的要求，当温度过高时，润滑油会变稀，使轴承工作恶化甚至损坏。而温度过低时，润滑油会变稠，使转子转动阻力增加，轴承的功率损耗增加，不利膨胀机的工作，当温度低于10℃还会因润滑油流动困难而使机器损坏。因此要求供油温度在30--50℃之间。由于轴承的间隙仅为几十微米，所以要求润滑油内所含的固体粒子直径应当少于5微米。为了使轴承能正常工作还必须保证有一定的供油压力及供油量。一般的供油压力应大于0.5Mpa,供油量为20～60升/秒。
2、供油系统的组成及工作；供油系统由油泵、油箱、油冷却器、油压容器、油过滤器、油气分离器、溢流阀、单向阀，测量仪表及其它的管道、阀门等组成。
⑴、油泵；目前多数采用三螺杆泵，要求供油压力为2.5Mpa,供油量为60升/秒。三螺杆泵主要的优点是运行燥音少，密封好，基本上不漏油。
⑵、油箱；油箱不仅要求贮存油泵5分钟以上的油量，还兼作第一级油器分离器。它还必须承受一定的压力。中低压膨胀机的油箱通常的工作压力低于0.6Mpa,容积为800升左右。
⑶、油冷却器；出机组的润滑油必须进过冷却，以保证进机组的润滑油温度低于50℃。冷却通常用水或空气。为保证冷却效果，通常多用水冷却。
⑷、油压容器；油压容器为封闭的压力容器，其下部设置有进出口。主要是为保证油泵突然停电或者迂到其它故障而不能继续供油时，依靠油压容器内贮存的压力油，继续供给主机一到二分钟的润滑油，以保证主机的安全。
⑸、油过滤器；设置油过滤器是为了过滤润滑油中的固体颗粒。以防止这些颗粒进入油泵及主机的轴承，以保护油泵及轴承的安全运行，本系统共设置有三组油过滤器。第一组在油箱出口与油泵入口处，由不锈钢丝网滤芯制成，功能是防止较大的固体颗粒进入油泵而损坏油泵，第二组在油冷却器出口处，是系统的主过滤器。主过滤器为双筒过滤器，二组可以切换使用，它要求的过滤精度为5μm。主要是保护主机的轴承。第三组在主机的供油口前。主要为防止主过滤器后的管道及油压容器内的残留的少量机械固体颗粒进入主机，一般用单筒过滤器。
⑹、油气分离器；主机的密封气往往与润滑油一起进入油箱，经过油箱的初步分离后，再进入油气分离器后进一步分离，使排出的密封气中基本上不含润滑油。
⑺、溢流阀；为保护油泵及供油系统的容器的安全，在油泵出口处设置有一溢流阀，当管道因某钟原因而不畅通时，在油泵的供油压力超过油泵的最高工作压力时，能自动的打开泄油孔，使油压很快下降，以保护油泵及设备。
四、膨胀机的密封供气系统；
密封供气系统由进口阀、节流减压阀、密封气过滤器及分配管组成。
密封气过滤器是由滤芯及壳体组成。由于密封气直接进入主轴密封轴套处，因而要求密封气内的固体颗粒直径少于5μm。
五、膨胀机的仪控保护系统；
为了膨胀机的安全运行，膨胀机机组设置了一系列安全保护系统，首先机组要求在膨胀机入口处设置有紧急切断阀，并由仪控系统来控制紧急切断阀，也可以用手动按钮来控制。并要求该阀在给予切断信号后，在6秒钟内关闭，以保护膨胀机不被损坏。膨胀机组要求在下列工况下进行报警及切断停车。
项目 正常参数 报警参数 切断停车参数
膨胀机转速 设计转速
1.1×设计转速
1.15×设计转速
前轴承温度 ≤70℃ ≥70℃ ≥75℃
后轴承温度 ≤70℃ ≥70℃ ≥75℃
膨胀机供油压力 ≥0.8Mpa
≤0.4Mpa
≤0.2Mpa
(当油箱压力为0.0Mpa,的条例下,否则应加上油箱压力)
停电 切断停车
六、膨胀机主机的操作及注意事项；
1、膨胀机的正常开车
6.1.1启动供油系统，保证供油压力在1.2-1.5Mpa(G)之间，供油温度在35℃左右（不低于20℃），必要时可调节油冷却器的水量及油冷却器的旁通阀，油箱的油面应保持在液面计的2/3处，油过滤器两端的差压不得大于0.25Mpa，并检查各油压表是否正常，油路是否畅通。
6.1.2检查膨胀机入口调节阀应处于全闭状态，增压机旁路调节阀应处于全开状态。
6.1.3打开膨胀机、增压机端进出口管道旁通阀。开启膨胀机出口阀及增压机进出口阀.
6.1.4缓缓开启膨胀机进口处调节阀，第一次开度约为10~20%，仔细观察主机启动情况，当转速达到50%的设计转速时，保持10~30分钟观察各仪表，判断运转是否正常，如有异常情况即关闭入口调节阀作紧急停车，待排除故障后再进行启动，然后缓慢升速到75%的设计转速,保持1小时，一切正常后再缓慢升速,并逐步升速到设计转速，以后逐步关闭增压机及膨胀机的旁通阀，并调节喷嘴开度以维持适当的进口压力及转速。注意;第一次开车应严格按此程序进行,以后日常开车可以直接缓慢地升速到规定转速.
2、正常运转
6.2.1正常运转的操作条件;
轴承温度 ＜70℃
密封气压力 高于喷咀后压力0.05Mpa
供油压力
1.2~1.5Mpa(G)
6.2.2膨胀机工况的调节
6.2.2.1膨胀机入口压力、气量的调节
当膨胀机入口压力及流量波动较大时，可以调节可调喷咀执行机构手柄来调节可调喷嘴的开度，达到所需要的压力及流量，正常情况下应尽量减少喷嘴的调节。当手柄以逆时针方向转动时喷咀开大，气量增加、进口压力下降。反之气量减少、膨胀机入口压力上升。膨胀机入口压力、气量的调节主要是为了在现有的工况下最大地提高产量，因而调节时应尽可能保证较大的膨胀比，膨胀比越大，焓降也越大，产生的冷量也越大，产量也越高。但是如果为了提高膨胀机的入口压力，增大膨胀比而将喷咀关得过少，那麽会使膨胀机远离其设计工况，使膨胀机的效率大幅度下降，这样反而会减少膨胀机的产冷量，而使装置的产量下降。所以膨胀机工况的调节必须视各装置的各个时期的具体情况而定。
6.2.2.2主机转速的调节
维持机组适当的转速是提高膨胀机效率及延长主机寿命的重要途径，转速的调节可通过下列三种途径来实现。
调节喷嘴开度以改变机组的膨胀比及效率，从而改变转速；
调节增压机旁通阀的开度改变增压机气量以调节转速；特别是当装置的处理量增大时,这时由于膨胀机的总功率增大,膨胀机要吸收这些功率,就会使转速升高,甚至于超过允许的转速,这时就需要开大增压机旁通阀,增加增压机的回流气量,也就是增加增压机的制动功率,从而使膨胀机的转速下降。
调节干气外输压力，以调节膨胀比，从而改变转速。
6.2.3膨胀机正常运行时几个工况的处理
6.2.3.1冻结与加温吹除
膨胀机在长期运转中如果有水及烃类化合物冻结在喷嘴叶片上，甚至冻结在叶轮叶片上时，会造成喷嘴堵塞，转子动力性能变坏，使膨胀机的振动增大,运行的声音增大,甚至造成严重事故，此时必须进行加温解冻及吹除。
喷嘴冻结征象：喷嘴出口压力下降，流量减少，转速下降，可调喷嘴调节困难，膨胀机前管道过滤器压差增大。
措施：停机加温解冻，将加热气从膨胀机出口到入口进行吹除，直到出口气体温度达到50℃时，注意加热气体进气温度不应高于80℃以免使膨胀机的另部件因变形而损坏。
6.2.3.2增压机的喘振及防止
当增压机流量因某种原因少于一定值后，增压机叶轮因进气不足，造成气流与叶片严重脱离，气体在叶轮中产生强烈涡流，使增压机叶轮的出口压力强烈波动,出口气流倒流而造成喘振，喘振发生时必然将造成机组严重损伤，因此必须立即加以制止及预防。
现象：主机运行声音突然增大，增压机进出口管道振动，严重时增压机出口管道单向阀产生敲击，增压机出口压力及转速强烈波动。
措施：增加增压机旁通回路上旁通阀的开度。
3、膨胀机的正常停车
正常停车步骤与起动步骤相反
6.3.1关闭膨胀机进口调节阀；
6.3.2关闭膨胀机进出口截止阀；
6.3.3关闭增压机进出口截止阀；
6.3.4确认主机停止转动后停泵；
6.3.5关闭密封气进出口阀；
6.3.6关闭润滑油冷却器的进排水阀。注意冬天必须放完冷却器内残留水以防冻结而使换热管冻裂。
4、膨胀机的紧急停车;
出现下列情况之一时，应在主控室内进行紧急停车：
6.4.1.发现机组有不正常的振动，可疑噪音或发出大量烟雾；
6.4.2供油压力持续低于0.4Mpa;
6.4.3转速连续超过设计转速而不受控制；
6.4.4轴承温度高于70℃无法查明原因；
6.4.5出现极不正常运转记录，威胁机组安全；
6.4.6机组运转而无转速显示或显示却不正常；
6.4.7增压机.喘振而无法排除；
6.4.8.膨胀机进液，使运转声音沉闷，而无法在5分钟内排除。
5、
注意事项
5.1操作人员必须熟悉本机组流程、有关膨胀机、增压机部分的流程及管道、阀门的原理及位置，并了解操作要求，上岗人员必须进行培训及考核合格后才能操作；
5.2.严守操作规程，严禁违章操作；
i.膨胀机起动前，应检查阀门所处状态是否正确；
ii.膨胀机每次起动前，应对膨胀机入口调节阀作启闭试验，要求开启灵活，从全开到全闭必须在5秒钟内完成；
iii.机器运转中，膨胀机入口调节阀手柄不能随意搬动，停机后，各阀遥控操作，指针必须恢复零位，以免突然起动超速；
iv.膨胀机入口调节阀未开启前膨胀机不应有任何转速，否则应调节调节阀使之处于关闭状态；
v.操作人员应随时注意供油系统的运行状况，保证供油压力及温度正常；
vi.必须在确认主机停止运转后，才能切断油泵；
vii.紧急停车后或停电后各操作钮及遥控板应恢复启动前状态；
viii.每次拆机检查及拆装有关管道时，应彻底清除机械杂质；
ix.膨胀机转速记录纸及运转记录是分析工况及处理事故的基本依据，应由专人保管，防止丢失；
5.3操作人员必须随时注意膨胀机运转情况，发现异常及时处理，必要时应紧急停车。注意冬天停机或停用润滑油冷却器时必须放完冷却器残留水以防冻结而使换热管冻裂。
6、主控室操作仪电控的操作参见装置及仪控使用维护说明书
仪控保护系统应满足下列要求：
七、供油系统及密封气系统的操作
1、供油系统的操作;膨胀机的转子与轴承是膨胀机的心脏，而保证转子与轴承的正常工作的关键是供油系统的正常工作，对供油系统来说满足轴承对润滑油的要求是它的唯一的任务。为使轴承正常工作就要求润滑油有一定的流量，一定的温度，润滑油必须清洁、同时要具有足够的粘度。因而供油系统的操作，必须围绕这四个要求进行。
7.1.1.保证清洁度;为.保证油的清洁度,在供油系统安装后初次运行前,必须对系统内的容器,管道,阀门进行彻底的清洗,再用煤油进行清洗性的循环,并彻底排除循环的煤油以防止因煤油混入透平油而使粘度下降..在向油箱加油时必须对油进行过滤,以防止任何固体粒子进入润滑油.
7.1.2.保证润滑油量;为保证润滑油量.必须保证一定的供油压力,即进油回油的压差应大于0.6Mpa,并经常观测回油窥视器的回油情况.供油压力可以通过调节润滑油出冷却器后向油箱回油的傍通阀来进行调节。
7.1.3.保证进油温度;正常的润滑油进油温度应在30～45℃。这是为了保证润油的粘度，与防止轴承因温度过高而损坏。当轴承温度低于15℃时
为了不使润滑油粘度过大而使轴承功耗过大，及润滑油量减少，应该设法提高供油温度，可以减少冷却水量，使部分或全部润滑油经油冷却器的短路傍通阀，或者用电加热器加温以提高进油温度。
7.1.4.保证润滑油的粘度；润滑油的粘度对轴承的工作有着十分重要的作用，因而保证润滑油的粘度也是保证膨胀机的安全，所以应严格按使用说明书的要求牌号使用润滑油，要防止水进入润滑油系统，对于轻烃液化装置来说还要防止C4以上的重组份从膨胀机的出口管道进入油箱（特别是在停机时），更要防止轻油与密封气一起进入油箱，C4以上的重组份混入润滑油后，将使润滑油的粘度下降而变质，所以定期检查润滑油的粘度也是保证膨胀机长期安全运行的重要保证。
7.1.5.保证膨胀机在油泵停泵后能继续供油一分钟以上。当停电或其它故障时，油泵不能继续向轴承供油，这时虽然紧急切断阀已经关闭，但膨胀机还能运行约30秒左右时间，为了保证膨胀机的安全，供油系统设置有油压容器，油压容器内充满氮气，当油泵工作时随供油压力的升高，润滑油开始进入油压容器并压缩油压容器内的氮气，使氮气压力升高体积缩小，正常运行时，氮气的体积约为原来的十分之一，其余的都是油。当停电时，油压容器内的润滑油在氮气压力的作用下，开始向主机供油，
其供油量随氮气压力下降而渐渐减少，一般情况下能继续供油约二分钟。
为保证机组的安全，要求每次开机前进行一次停泵供油时间测试。
2、密封气系统的操作；密封气系统是向机组供给一定量的常温干气。其操作分为主机启动前与主机正常运行两种工况。
7.2.1.主机启动前;在主机启动前,当启动油泵时为了防止润滑油通过轴承,并经过轴封而向叶轮流动,然后流向蜗壳与管道,这样不仅造成润滑油的流失,还会由于流向低温管道的润滑油在装置运行时的冻结而产生不必要的故障。因此在启动油泵时应先通入约为0.2Mpa压力的密封气来阻止油向叶轮的流动。
7.2.2正常运行；正常运行时为防止润滑油流向低温端及低温气流向轴承，需要通入一定压力的密封气，为了减少密封气量，要求密封气供气压力略高于喷咀出口压力，通常其压差为0.05Mpa左右。
八、维修与装配
本机组在正常合理操作条件下，能安全连续运转一年，但每年应对机组进行一次检查。
1、主机拆机检查步骤（装配按相反步骤进行）
⑴、关闭所有主机连接的管道中阀门，排净机体内的可燃气体；
⑵、拆下膨胀机、增压机进出口连接管道；
⑶、拆下主机相连的油管道，密封气管及仪表接管的接头，注意将拆下的管道接头用布或其它材料封闭，以免机械杂质进入；
⑷、拆下前后轴承温度计，转速传感器及其接线；
⑸、擦下主机与底座连接的螺栓、螺母，将主机吊下运至室内。以下工作应在室内进行，室内必须保持清洁，在拆机中所有零件均应沿轴线缓慢拉出，切忌扭转、敲打。
⑹、膨胀机端的拆卸：
拆下膨胀机蜗壳，拆下中间体（连同可调喷嘴、导向盖一起）；
拆下轮子上工作轮固定螺帽，取下垫片；
拆下工作轮；
拆下前隔板
拆下前轴套。
⑦增压机端零件拆卸：
将机身翻转180°并安放在架上，拆下端盖（注意保护叶轮叶片）；
拆下增压机蜗壳；
拆下增压机叶轮固定螺帽（注意为左螺纹）；
拆下压机轮；
拆下后隔板，取下轴套；
拆下后轴承，取出主轴；
拆下前轴承。
2、维修
⑴、轴承在不影响使用时可进行适当的修理；
⑵、转子上零件为了不影响动平衡精度，不能修刮调换位置或更换，否则应从新进行动平衡校验，其重心偏移时不大于0.3μm；
⑶、各零件间的间隙应符合装配间隙表所列数值；
⑷、安全保护装置应定期进行检查；
⑸、供油系统应定期进行检查，及时清洗或更换滤油器芯，透平油使用期为半年。
3、装配间隙
