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透平膨脹機是空氣分離設(shè)備及天然氣（石油氣）液化分離設(shè)備和低溫粉碎設(shè)備等獲取冷量所必需的關(guān)鍵部機，是確保整套設(shè)備穩(wěn)定運行的心臟。
1939年，Kapitsa(卡皮查)院士發(fā)明了世界上一臺高效率(等熵效率>80％)徑流向心反動式透平膨脹機，從而，實現(xiàn)了空分裝置的全低壓液化循環(huán)，即卡皮查循環(huán)。
目前向心度較大的反動式透平膨脹機并沒有達到它本身通過氣量的極限值，特別是因為它的結(jié)構(gòu)簡單，又有很高的等熵效率，所以它被廣泛地應(yīng)用在目前國、內(nèi)外低溫技術(shù)上。
作用
空分設(shè)備的心臟部機之一，由氣體在膨脹機中等熵膨脹而制取冷量，補充系統(tǒng)冷損。
工作的對象主要是氣體。當(dāng)氣體具有一定的壓力和溫度時。就具有一定的能量，即由壓力而體現(xiàn)的勢能與由溫度所體現(xiàn)的動能。這兩種能量總稱為內(nèi)能，而膨脹機主要的作用是利用氣體通過膨脹機的過程中的內(nèi)能降低并對外輸出功。并由于氣體內(nèi)能的降低并對外輸出功使氣體的壓力和溫度大幅度降低從而達到制冷與降溫的目的。
根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律可知，氣體在透平膨脹機內(nèi)進行絕熱膨張對外作功時，氣體的能量焓值一定要減少，從而使氣體本身強烈地冷卻，而達到制冷的目的。透平膨脹機的實際制冷量總比理論制冷量要小，因此，膨脹機的效率總是小于1。膨脹機的效率越低，則在相同進、出口壓力和進口溫度下，膨脹機的單位工質(zhì)制冷量越小，反映出膨脹機的溫降效果越小。透平膨脹機輸出的能量由同軸的增壓機、發(fā)電機回收或制動風(fēng)機、油等消耗。
氣體降溫在噴咀及葉輪中完成。噴咀是一種由多個精心設(shè)計的葉片所組成的噴射通道（即噴咀流道）。當(dāng)高壓的氣體通過噴咀流道時，由于噴射作用使氣體的速度迅速上升并可達到音速。
葉輪是一個由多個葉片所組成輪子，氣體從半徑方向流入，而從與主軸軸線平行方向流出，稱為徑軸流葉輪。葉輪中每兩個葉片圍成一個通道。葉輪的通道是經(jīng)過精心的設(shè)計，而且是漸漸擴大的。葉輪接受從噴咀出來的高速氣體，由于噴咀出來的氣體其速度達到或超過音速，而且溫度已經(jīng)大幅度降低，當(dāng)高速氣體沖擊葉輪的葉片時，使葉輪高速轉(zhuǎn)動。
膨脹機輪子的飛速轉(zhuǎn)動，帶動了與膨脹機輪子在同一軸上另一端的增壓機葉輪的轉(zhuǎn)動，增壓機葉輪的轉(zhuǎn)動壓縮了通過增壓機葉輪氣體，增壓機葉輪不僅壓縮了氣體，利用了膨脹發(fā)出的功率，而且也控制了膨脹機的轉(zhuǎn)速。
流動損失
氣流流過導(dǎo)流器和工作輪時，由于流道表面的摩擦、局部產(chǎn)生漩渦、氣流撞擊等產(chǎn)生的損失屬于流動損失。流動損失的大小與流道形狀是否與氣流流動方向相適應(yīng)、表面光潔程度等因素有關(guān)。流道除了與設(shè)計、制造技術(shù)水平有關(guān)外，膨脹機內(nèi)流道的磨損、雜質(zhì)在表面積聚、轉(zhuǎn)速變化而使氣流進入葉輪時產(chǎn)生的撞擊等，都會增加流動損失。一般情況下，導(dǎo)流器內(nèi)的流動損失約占總制冷量的5%，工作輪內(nèi)的流動損失約占總制冷量的6%。
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工作輪輪盤摩擦鼓風(fēng)損失
工作輪在旋轉(zhuǎn)時，輪盤周圍的氣體對葉輪的轉(zhuǎn)動有一摩擦力，輪盤將帶動氣體運動。由此產(chǎn)生的摩擦熱將使氣體的溫度升高，這種損失稱為摩擦鼓風(fēng)損失。它與工作輪的直徑及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)，一般占總制冷量的3%～4%。
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泄漏損失
內(nèi)泄漏、外泄漏
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內(nèi)泄漏
一部分氣體經(jīng)過導(dǎo)流器后不通過葉輪膨脹，而直接從工作輪與機殼之間的縫隙漏出，與通過葉輪膨脹的氣體匯合。這小股泄漏氣體未經(jīng)過葉輪的進一步膨脹，溫度較高，因而使膨脹機的制冷量減小，降低了膨脹機的效率。內(nèi)泄漏量的大小取決于轉(zhuǎn)子與機殼之間的間隙，因此在安裝時必須嚴(yán)格控制在規(guī)定公差范圍之內(nèi)。
外泄漏
氣體通過輪盤后部沿軸間隙向外泄漏出的氣體。這部分氣體的泄漏對膨脹機的效率沒有影響，但是將減少總的制冷量。同時外漏氣體的冷量也無法回收，所以它對產(chǎn)冷的影響是很大的。外泄漏量的大小與密封裝置結(jié)構(gòu)、間隙以及是否通壓力密封氣有關(guān)。
排氣損失
通過膨脹機的氣體在出口還具有一定的速度，叫做余速。余速越高，能量損失也越大，這部分損失叫做排氣損失或余速損失。排氣損失不僅與設(shè)計有關(guān)，在運轉(zhuǎn)過程中當(dāng)轉(zhuǎn)速變化偏離設(shè)計工況時，也會使氣流出口速度增加，效率降低。
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透平膨脹機具有的流量大、體積小、冷量損失少、結(jié)構(gòu)簡單、通流部分無機械摩擦件、不污染制冷工質(zhì)(即壓縮氣體)、調(diào)節(jié)性能好、安全穩(wěn)定等優(yōu)點，自20世紀(jì)60年代以來已在空分制冷、NGL回收及天然氣液化等裝置中廣泛用做制冷機械，隨著中國工業(yè)的發(fā)展，透平膨脹機作為空分心臟部件之一，已成為整體空分系統(tǒng)的首要考量設(shè)備。
