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一、概述
1．透平膨胀机在低温工程中的应用
在低温装置中，要有生产冷量的设备。目前工业上主要利用气体等温节流效应和在膨胀
机内对外做功的绝热膨胀来得到冷量。节流过程是一个等焓过程，容易实现，结构简单。在
理想条件下膨胀机内发生的是等熵过程，其制冷量大。实现等熵膨胀过程的机械有活塞连杆
机械即利用气体在可变容积中进行膨胀的活塞膨胀机，及旋转叶片机械，即利用气体膨胀时
速度能变化的透平膨胀机。透平膨胀机具有结构紧凑、制造工艺简单、价格低廉、易损件少，
运转周期F--． 维修工作量小、及效率高等优点。因此，透平膨胀机的应用愈来愈广泛。尤其
在低温装置中，如中，低压空气分离装置，低温环境模拟设备，空调设备，液化装置，油田
气分离装置，及低温粉碎与回收装置中，得到广泛的应用。
近年来，我国的透平膨胀机也得到了很大发展， 已能生产各种低温透平膨胀机。一些高
校和工厂还成功地研制了结构轻巧、性能良好的气体静压轴承透平黪胀机。在透平膨胀机的
优化设计，三元流动叶轮，环形叶栅的气动性能，二相透平等方面都开展了大量的研究工作。
但为了适应国民经济四个现代化的要求，仍需在提高透平膨胀机的效率等方面进行工作。
2． 透平膨胀机的基本结构
图l是10000 m。／h制氧机上所用的空气透平膨胀机的结构图。由图可见，具有一定压
力的膨胀空气进入蜗壳后，再流入喷咀，工作轮及扩压器，然后离开透平膨胀机。空气经过
上述四个元件后，降低了压力及温度， 并输出功。输出的功由主轴传递剜齿轮，减速后带动
发电机。主轴的转速较高， 由油轴承支承。齿轮， 主轴等放入机壳中。为了防止膨胀空气沿
转轴向机壳泄漏，采用迷宫式密封。中间体是连接蜗壳和机身的，其左端置于保温箱内，右
端则不需保冷。图2是l5o 111。1]a制氧机所用的小型空气透平膨胀机。由图可见，除了蜗壳，
图1 PLK175×i／4．75一O．35型透平膨胀机
1．扩压器2．蜗壳3．赜咀4．工作轮5． 中间体
：6．密封7．机壳8．主轴9．齿轮1o．轴承
图2 PLK一8．33 x 2．60—2型透平膨胀机
1．扩压器2．蜗壳3．赜咀4．工作轮5．气体轴承6．风机
喷咀，工作轮，扩压器外，气体输出功由轴右端的风机消耗掉，该膨胀机由于转速较高而采
用气体静压轴承。
透平膨胀机中膨胀气体流经的元件是蜗壳，导流器，工作轮及扩压器，它们组成了透平
膨胀机的通浇部分，如图3所示。通流部分是制冷及输出功的部件。蜗壳将气体均匀的分配
到喷咀中，喷咀可将气体的压力能转变为气体的动能，工作轮将气体的能量转变为轴上的机
械功，而气体本身的压力及温度降低，扩压器将低温的气体排出。
3． 造平膨胀机的分类
膨胀气体在透平膨胀机中由外向内流动时称为向心式透平膨胀机，相反的为离心式，若
膨胀气体流向是沿轴向的则为轴流式。单级离心透平膨
胀机的效率很低，输出功和制冷量较小，只在很特殊的
情况下使用，例如美制麻雀式导弹上采用此种透平来驱
动舵机液压系统的高压油泵。轴流式透平膨胀机的流量
很大，输出功可在lo00kW 以上。
在低温装置中主要采用向心透平膨胀机，气流在工
作轮中先作径向向心流动，又转向轴向流动后进入扩压
器， 逸种向心透平又称为径轴流式，如图3所示。该透
平结构简单，效率较高。输出功在1000 kW 以下的情况
时，广泛使用该种流向的透平。如果气体在工作轮中有
压力降低的透平膨胀机，称为反动式透平膨胀机。否则，
称为冲动式透平膨胀机。由于反动式透平膨胀机的效率
比冲动式高，从而成为工业应用中的主要型式。此外，
膨胀工质在通流部分膨胀时， 出现工质相变现象的透平
膨胀机称为=相透平膨胀机。否则，称为单相透平膨胀
机。油田使用的透平膨胀机常为=相透平膨胀机。
=、通流部分的工作厦理夏
机构
1．蜗壳
(1)蜗壳的结构
蜗壳的作用是将膨胀气流均
匀的分配到喷咀中去，使喷咀进
口处气体的流速相等，即具有轴
对称的气流结构。因此， 蜗壳是
一个截面积沿着流动方向均匀变
小的螺旋管，如图4所示。图中
a的气流始终同方向， 蜗壳外形
不对称，称为单蜗室 图中b的
气清流向及外形结构是对称的，
称为半蜗室 一般情况下采用单
蜗室，膨胀气量大时也可采用半
蜗室。常用的蜗壳截面形状为矩
形和圆形，如图4 c、d所示
并尽量采用整俸式以避免因温度
图3 选平膨胀机通流部分
1． 蜗壳2． 喷咀
3．工作轮4．扩压器
． _ 、s． ‘
lI，
图4 蜗壳的基本形式
(&)单蝇皇(b)半竭茸 (c)矩形截面(d)圈形禳两
变形后而不对称。蜗壳的结构较为复杂，常采甩耐低温的铜合金或铝合金铸造而成。
(2)气体在蜗壳中的流动
气体在蜗壳中的流速较低，假设其流动损失可以忽略不计。
变化。因此，气体在蜗壳中的流动符合动量矩守恒定律，即
C ·R =K
式中 —— 任意半径，131
c —— 半径 处流速的周向分量，m／s
五—— 常数
此外，气体在蜗壳中无能量 ·
在蜗壳的出口处即喷咀的进口处R=R 常数， 由式(1— 1)可得c 常数，这保证了
蜗壳的作用。在蜗壳的横截面上，速度随半径的增大而减小，如图4 a所示。
由于气体在蜗壳中密度无变化，因此，气体在蜗壳中所满足的流量连续性条件可表示为·
通过蜗壳任意截面处气体的容积流量_}，与该截面的位置角0成正比，即
日 n
= ，_ 或 Va= (1-2)
式中 ——蜗壳进口处气体的容积流量，m。／s
8——截面位置角，在进口截面处与流动反方向而定义的角度， 弧度，或度。
(3)蜗壳流道尺寸及计算举例
以图4 a或d得出的VR=Cu·B·dR代入式(1—2)及式(1—1)可得。
8 ·五 矗搬肛
若在0处取矩形截面宽度为。
B=孚[1_旦 ]
式中h—— 喷咀叶片高度
b—— 系数，0．12～0．15
4—— 修正系数，0．285~0．335
若修正系数a为零，则表明矩形蜗壳的截面宽度不仅不随 的改变而变化，
的改变而变化。由式(1—3)得蜗壳流遭外壳线半径 为。
8= 2z
·K矗 姗 =等·KBIn等
= R eOYl2wKB
V=G／po
式中G—— 膨胀工质流量，kg／s
(1— 3)
(1— 4)
同时也不随0角
(1_ 5)
— — 膨胀工质在蜗壳进口处密度，kg／m。
若职定蜗壳初始截面(即0=2Jr的截面)的平均速度c。及R ，则可近似的由式(1一1)求常
数K：
K=C。-R (卜 )
着在0角处为圆形截面，则 可春示为(见图4 d)I
(BI2) +( 一口) =r
B =2,／ 一( 一口) (1— 7)
将式(1一r)代入式(1—3)后得·
r = 导+}√ 罟 ( —s)
式中C=“ 五
则蜗壳流道外壳线半径 为t
R =R +2r (1— 9)
同样， 在蜗壳初始截面(0=2 截面)处r；R 及 为已知， 并取定管道速度C 后， 则可
由式(1—8)可求得常数五。
大， 中型透平膨胀机C。值可由下式取定t
CD=(O．O6～ O．2) 2h．
式中 。——透平膨胀机进， 出口参数时的等熵焙降，J／kg
中，小型透平膨胀机可取C。=5～2O m／s。
为了使蜗壳进口处速度均匀化，常采用一段收敛形管道(如图4 a中。 一。一段)，该收敛
管的圆锥角口应满足口=6。N8。， 即
t畸=
若为矩形截面蜗壳，则进口收敛管由半径为r的圆管，
R? 可用下式计算t
， B? ·( ml 一R )= ⅢII
(1一l0)
逐渐过渡到矩形截面。式(1—1O)中
R一= 韭 (1-11)
式中B? ， — — 蜗壳初始截面处流道宽度及外壳半径
饲l 计算下列已知参数蜗壳流道尺寸，膨胀机空气量G=1．501 kg／s(4180 m。lh)，膨
胀机进口参数lP0=0．9415MPa，T0=174．2 K，蜗壳内径R，一102盯Ⅱn。
解t采用圆形截面蜗壳
(1)蜗壳最大截面半径
由Po， 查空气压缩性系数 =O．964
噩吐空气密度
蛊z扭 =硒O ． 96 4 x 287；2 x 174 ．2 ～_lg‘． S2 kgtm
取蜗壳进口速度C0=10 ra／s
则进口截面处半径
=49．5mm (职50ram )
侣)以蜗壳进1：1希件求式(卜-8)中系数
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·48· 深冷技术 1 9 9 2年第4期
r。=elC+-／2R o／c
O．050=2 ／c+-／2×0．102·鼽／c
1／C =0．0003962
(3)蜗壳不同角度时型线计算
由式(1—8)得
r。=O．0003962× 0+O．008933．／ 0
由式(1—9)得
= +2r
计算结果可作得蜗壳流道图形，如图5所示。
计算结果列表如表1。
表1 蜗壳不同角度时型线计算结果
图5 蜗壳流通图
1．透平膨胀机在低温工程中的应用
在低温装置中，要有生产冷量的设备。目前工业上主要利用气体等温节流效应和在膨胀
机内对外做功的绝热膨胀来得到冷量。节流过程是一个等焓过程，容易实现，结构简单。在
理想条件下膨胀机内发生的是等熵过程，其制冷量大。实现等熵膨胀过程的机械有活塞连杆
机械即利用气体在可变容积中进行膨胀的活塞膨胀机，及旋转叶片机械，即利用气体膨胀时
速度能变化的透平膨胀机。透平膨胀机具有结构紧凑、制造工艺简单、价格低廉、易损件少，
运转周期F--． 维修工作量小、及效率高等优点。因此，透平膨胀机的应用愈来愈广泛。尤其
在低温装置中，如中，低压空气分离装置，低温环境模拟设备，空调设备，液化装置，油田
气分离装置，及低温粉碎与回收装置中，得到广泛的应用。
近年来，我国的透平膨胀机也得到了很大发展， 已能生产各种低温透平膨胀机。一些高
校和工厂还成功地研制了结构轻巧、性能良好的气体静压轴承透平黪胀机。在透平膨胀机的
优化设计，三元流动叶轮，环形叶栅的气动性能，二相透平等方面都开展了大量的研究工作。
但为了适应国民经济四个现代化的要求，仍需在提高透平膨胀机的效率等方面进行工作。
2． 透平膨胀机的基本结构
图l是10000 m。／h制氧机上所用的空气透平膨胀机的结构图。由图可见，具有一定压
力的膨胀空气进入蜗壳后，再流入喷咀，工作轮及扩压器，然后离开透平膨胀机。空气经过
上述四个元件后，降低了压力及温度， 并输出功。输出的功由主轴传递剜齿轮，减速后带动
发电机。主轴的转速较高， 由油轴承支承。齿轮， 主轴等放入机壳中。为了防止膨胀空气沿
转轴向机壳泄漏，采用迷宫式密封。中间体是连接蜗壳和机身的，其左端置于保温箱内，右
端则不需保冷。图2是l5o 111。1]a制氧机所用的小型空气透平膨胀机。由图可见，除了蜗壳，
图1 PLK175×i／4．75一O．35型透平膨胀机
1．扩压器2．蜗壳3．赜咀4．工作轮5． 中间体
：6．密封7．机壳8．主轴9．齿轮1o．轴承
图2 PLK一8．33 x 2．60—2型透平膨胀机
1．扩压器2．蜗壳3．赜咀4．工作轮5．气体轴承6．风机
喷咀，工作轮，扩压器外，气体输出功由轴右端的风机消耗掉，该膨胀机由于转速较高而采
用气体静压轴承。
透平膨胀机中膨胀气体流经的元件是蜗壳，导流器，工作轮及扩压器，它们组成了透平
膨胀机的通浇部分，如图3所示。通流部分是制冷及输出功的部件。蜗壳将气体均匀的分配
到喷咀中，喷咀可将气体的压力能转变为气体的动能，工作轮将气体的能量转变为轴上的机
械功，而气体本身的压力及温度降低，扩压器将低温的气体排出。
3． 造平膨胀机的分类
膨胀气体在透平膨胀机中由外向内流动时称为向心式透平膨胀机，相反的为离心式，若
膨胀气体流向是沿轴向的则为轴流式。单级离心透平膨
胀机的效率很低，输出功和制冷量较小，只在很特殊的
情况下使用，例如美制麻雀式导弹上采用此种透平来驱
动舵机液压系统的高压油泵。轴流式透平膨胀机的流量
很大，输出功可在lo00kW 以上。
在低温装置中主要采用向心透平膨胀机，气流在工
作轮中先作径向向心流动，又转向轴向流动后进入扩压
器， 逸种向心透平又称为径轴流式，如图3所示。该透
平结构简单，效率较高。输出功在1000 kW 以下的情况
时，广泛使用该种流向的透平。如果气体在工作轮中有
压力降低的透平膨胀机，称为反动式透平膨胀机。否则，
称为冲动式透平膨胀机。由于反动式透平膨胀机的效率
比冲动式高，从而成为工业应用中的主要型式。此外，
膨胀工质在通流部分膨胀时， 出现工质相变现象的透平
膨胀机称为=相透平膨胀机。否则，称为单相透平膨胀
机。油田使用的透平膨胀机常为=相透平膨胀机。
=、通流部分的工作厦理夏
机构
1．蜗壳
(1)蜗壳的结构
蜗壳的作用是将膨胀气流均
匀的分配到喷咀中去，使喷咀进
口处气体的流速相等，即具有轴
对称的气流结构。因此， 蜗壳是
一个截面积沿着流动方向均匀变
小的螺旋管，如图4所示。图中
a的气流始终同方向， 蜗壳外形
不对称，称为单蜗室 图中b的
气清流向及外形结构是对称的，
称为半蜗室 一般情况下采用单
蜗室，膨胀气量大时也可采用半
蜗室。常用的蜗壳截面形状为矩
形和圆形，如图4 c、d所示
并尽量采用整俸式以避免因温度
图3 选平膨胀机通流部分
1． 蜗壳2． 喷咀
3．工作轮4．扩压器
． _ 、s． ‘
lI，
图4 蜗壳的基本形式
(&)单蝇皇(b)半竭茸 (c)矩形截面(d)圈形禳两
变形后而不对称。蜗壳的结构较为复杂，常采甩耐低温的铜合金或铝合金铸造而成。
(2)气体在蜗壳中的流动
气体在蜗壳中的流速较低，假设其流动损失可以忽略不计。
变化。因此，气体在蜗壳中的流动符合动量矩守恒定律，即
C ·R =K
式中 —— 任意半径，131
c —— 半径 处流速的周向分量，m／s
五—— 常数
此外，气体在蜗壳中无能量 ·
在蜗壳的出口处即喷咀的进口处R=R 常数， 由式(1— 1)可得c 常数，这保证了
蜗壳的作用。在蜗壳的横截面上，速度随半径的增大而减小，如图4 a所示。
由于气体在蜗壳中密度无变化，因此，气体在蜗壳中所满足的流量连续性条件可表示为·
通过蜗壳任意截面处气体的容积流量_}，与该截面的位置角0成正比，即
日 n
= ，_ 或 Va= (1-2)
式中 ——蜗壳进口处气体的容积流量，m。／s
8——截面位置角，在进口截面处与流动反方向而定义的角度， 弧度，或度。
(3)蜗壳流道尺寸及计算举例
以图4 a或d得出的VR=Cu·B·dR代入式(1—2)及式(1—1)可得。
8 ·五 矗搬肛
若在0处取矩形截面宽度为。
B=孚[1_旦 ]
式中h—— 喷咀叶片高度
b—— 系数，0．12～0．15
4—— 修正系数，0．285~0．335
若修正系数a为零，则表明矩形蜗壳的截面宽度不仅不随 的改变而变化，
的改变而变化。由式(1—3)得蜗壳流遭外壳线半径 为。
8= 2z
·K矗 姗 =等·KBIn等
= R eOYl2wKB
V=G／po
式中G—— 膨胀工质流量，kg／s
(1— 3)
(1— 4)
同时也不随0角
(1_ 5)
— — 膨胀工质在蜗壳进口处密度，kg／m。
若职定蜗壳初始截面(即0=2Jr的截面)的平均速度c。及R ，则可近似的由式(1一1)求常
数K：
K=C。-R (卜 )
着在0角处为圆形截面，则 可春示为(见图4 d)I
(BI2) +( 一口) =r
B =2,／ 一( 一口) (1— 7)
将式(1一r)代入式(1—3)后得·
r = 导+}√ 罟 ( —s)
式中C=“ 五
则蜗壳流道外壳线半径 为t
R =R +2r (1— 9)
同样， 在蜗壳初始截面(0=2 截面)处r；R 及 为已知， 并取定管道速度C 后， 则可
由式(1—8)可求得常数五。
大， 中型透平膨胀机C。值可由下式取定t
CD=(O．O6～ O．2) 2h．
式中 。——透平膨胀机进， 出口参数时的等熵焙降，J／kg
中，小型透平膨胀机可取C。=5～2O m／s。
为了使蜗壳进口处速度均匀化，常采用一段收敛形管道(如图4 a中。 一。一段)，该收敛
管的圆锥角口应满足口=6。N8。， 即
t畸=
若为矩形截面蜗壳，则进口收敛管由半径为r的圆管，
R? 可用下式计算t
， B? ·( ml 一R )= ⅢII
(1一l0)
逐渐过渡到矩形截面。式(1—1O)中
R一= 韭 (1-11)
式中B? ， — — 蜗壳初始截面处流道宽度及外壳半径
饲l 计算下列已知参数蜗壳流道尺寸，膨胀机空气量G=1．501 kg／s(4180 m。lh)，膨
胀机进口参数lP0=0．9415MPa，T0=174．2 K，蜗壳内径R，一102盯Ⅱn。
解t采用圆形截面蜗壳
(1)蜗壳最大截面半径
由Po， 查空气压缩性系数 =O．964
噩吐空气密度
蛊z扭 =硒O ． 96 4 x 287；2 x 174 ．2 ～_lg‘． S2 kgtm
取蜗壳进口速度C0=10 ra／s
则进口截面处半径
=49．5mm (职50ram )
侣)以蜗壳进1：1希件求式(卜-8)中系数
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·48· 深冷技术 1 9 9 2年第4期
r。=elC+-／2R o／c
O．050=2 ／c+-／2×0．102·鼽／c
1／C =0．0003962
(3)蜗壳不同角度时型线计算
由式(1—8)得
r。=O．0003962× 0+O．008933．／ 0
由式(1—9)得
= +2r
计算结果可作得蜗壳流道图形，如图5所示。
计算结果列表如表1。
表1 蜗壳不同角度时型线计算结果
图5 蜗壳流通图