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摘 要：透平膨胀机在长期的工作运转中，难免会出现各种故障与问题，文章结合透平膨胀机的结构与运行特点，介绍了透平膨胀机在运行过程中出现异常问题的原因，并提出了改进方案与效果，以保证设备稳定和安全运行。
关键词：透平膨胀机 改进方案 问题分析
一、叶轮轴向窜动
1.叶轮轴向窜动的因素分
析
透平膨胀机在变工况运行时，要求轴承具有较高的可靠性。尤其是在开、停机时，膨胀空气量和压差波动较大，使止推轴承承受较大交变推力负荷，使膨胀机轴向推力不平衡值超过正常允许值，转子振动值超标，轴承和转子的稳定性和适应性遭到破坏，设备损坏，引起叶轮轴向窜动的原因主要有：
通常膨胀机增压端叶轮在轮盖上设计有迷宫式密封，虽然减少了空气泄漏，但却导致了叶轮前后压差过大，从而导致增压轮产生较大轴向力，易使止推轴承损坏。分子筛吸附器操作不当或净化失效，二氧化碳进入低温系统，在不同温度和压力下，二氧化碳由气体变成固体并聚集成大块的干冰，当温度升高时又急剧汽化膨胀，对工作轮产生一个径向和轴向作用力，破坏转子旋转轨迹，引起轴向窜动。
燥塔分子筛失效，脱水效果不佳，在膨胀轮叶片上形成水化物，堵塞叶轮流道，造成膨胀端轮背压力升高，使轴向力不平衡值指向膨胀端。透平膨胀机轴向推力平衡器调节阀关闭不严，平衡作用失效，内漏造成增压端轮背压力降低，使轴向力不平衡值指向膨胀端。
2.改进方案
2.1改进转子结构：取消增压端叶轮轮盖密封，以降低轴向推力；更换主轴材质，以增强其强度和刚度，降低叶轮摆动。
2.2当透平膨胀机内出现液体造成振动时，压力表会急速跳动，温度指示波动，应迅速降低膨胀机转速，或停止膨胀机运行，并打开蜗壳吹除阀和出口吹除阀，排尽液体，同时设法提高膨胀机进口温度。
2.3在膨胀轮背开平衡孔，使膨胀端与出口处接通，保持轮背压力和出口压力基本平衡，从而消除膨胀端的不平衡轴向力。
2.4增强密封轴套的强度。加大轴套止推面厚度，使其能承受较大轴向推力。并在其端面圆周加一油槽，避免由于推力大时油膜形成不及时造成干摩擦，使轴套被烧毁，提高安全、可靠性。
二、不平衡振动
1.不平衡振动的因素分析
影响转子不平衡的主要因素有：转子形状不对称、机械制造误差、热处理不当而造成的轴弯曲、残余应力引起的变形等；另外，还有透平机械转子由于叶片装嵌在转轴上产生的安装误差、发电机转子绕组的不均匀、部分残留有铸造和锻造表皮的转轴质量不均匀等因素。
由于转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因造成的转子不平衡，在试运之初，便会引起振动；由于转子上不均匀结垢、介质中粉尘的不均匀沉积、介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损等原因引起的转子不平衡，表现为振动值随着运行时间的延长而逐渐增大；由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞造成的转子不平衡，表现为振动值突然升高。
由于空气带油较多，正常运行时凝固的润滑油存积在工作轮和汽缸壁之间的间隙中，工作轮不可避免地将油刮黏在工作轮叶片上，使转子重心偏移，产生离心力造成卡机。风机进气管道的空气过滤器滤网较疏，达不到过滤效果，有时管道密封不好，灰尘、油蒸气进入管道后黏附在风机轮上，造成转子动平衡状况不佳。主要原因在于进口驱动过大而气流在流道中未形成均匀的流动。
2.改进方案
2.1事先对转子的每一个零件进行良好的动平衡或静平衡试验。組成转子后，同样先进行静平衡试验，然后进行动平衡试验，精确校正转子的动平衡，最大限度地降低不平衡量，降低转子在高速旋转时产生的离心力，扩大转子稳定裕度，增加转子结构本身的稳定性。另外，运输过程中要确保不碰撞转子。
2.2强化净化效果，严格分子筛吸附器的工艺操作规程；操作时注意机前温度不要过低。
2.3使用纸质过滤芯；检查进气管道的密封性；定期拆下风机端盖进行清洗保养。
三、风机喘振
1.风机喘振的因素分析
风机及其管道中介质的周期性振荡，是介质受到周期性吸入和排出的激励作用而发生的机械振动。其过程是：流量减小到最小值时出口压力会突然下降，管道内压力反而高于出口压力，于是被输送介质倒流回机内，直到出口压力升高重新向管道输送介质为止；当管道中的压力恢复到原来的压力时，流量再次减少，管道中介质又产生倒流，如此周而复始，即喘振。喘振的产生与风机和管道的特性有关，管道系统的容量越大，则喘振越强，频率越低。流体机械产品一般都附有压力—流量特性曲线，据此可确定喘振点、喘振边界线或喘振区。引起风机喘振的原因主要有：
1.1风机出口压力高，流量减少，当流量减少到一定程度时，便发生膨胀机风机喘振现象。
1.2风机端入口管道安装不当。风机入口管线较长，管内阻力较大，风量减少。
1.3风道积灰堵塞或风道挡板开度不足引起系统阻力过大。
1.4风机端管道阀门关得太小。
2.故障处理分析
风机的喘振会破坏膨胀机内部介质的流动规律性，产生机械噪声，引起工作部件的强烈振动，加速轴承和密封的损坏。一旦喘振引起管道、机器及其基础共振，还会造成严重后果。风机在喘振区域工作时，流量急剧波动，产生气流撞击，使风机发生强烈的振动，噪声增大，而且风压不断晃动。风机的容量与压头越大，则喘振的危害性越大。为防止喘振，必须使风机在喘振区域之外运转。
当发生由风机出口压力高引起的喘振时，应迅速开大风机的出口调节阀，降低风机出口压力，增加风机流量，直至喘振消失。最根本的措施是尽量避免采用具有驼峰形性能曲线的风机，而采用性能曲线平直向下倾斜的风机。另外，将活塞式膨胀机前所配的截断式安全阀配在空气轴承透平膨胀机上，可有效地防止或减少透平膨胀机的喘振和飞车造成的卡机故障。
四、结语
总之，由于操作维护不当、金属损耗、超运转周期、超负荷运行等原因，透平膨胀机在生产运行过程中，都会发生一些故障。在一般情况下，只要平时精心维护，就能够避免发生大的设备事故；但由于部件材质、制造等缺陷引发的突发故障不可控，只有通过选择质量好的设备和严把安装质量关来尽量避免故障发生。
参考文献
[1]江楚标.透平膨胀机及发展动态[J].深冷技术，2001（5）：1-9.
[2]邱立龙，白红宇，庄明，等.EAST氦低温系统透平故障分析[J].低温工程，2009（3）：41-45.
[3]尹琦岭，刘金斗，易明新，等.EC2-274型透平膨胀机动平衡故障分析与排除[J].石油机械，2000，28（4）：28-30.
关键词：透平膨胀机 改进方案 问题分析
一、叶轮轴向窜动
1.叶轮轴向窜动的因素分
析
透平膨胀机在变工况运行时，要求轴承具有较高的可靠性。尤其是在开、停机时，膨胀空气量和压差波动较大，使止推轴承承受较大交变推力负荷，使膨胀机轴向推力不平衡值超过正常允许值，转子振动值超标，轴承和转子的稳定性和适应性遭到破坏，设备损坏，引起叶轮轴向窜动的原因主要有：
通常膨胀机增压端叶轮在轮盖上设计有迷宫式密封，虽然减少了空气泄漏，但却导致了叶轮前后压差过大，从而导致增压轮产生较大轴向力，易使止推轴承损坏。分子筛吸附器操作不当或净化失效，二氧化碳进入低温系统，在不同温度和压力下，二氧化碳由气体变成固体并聚集成大块的干冰，当温度升高时又急剧汽化膨胀，对工作轮产生一个径向和轴向作用力，破坏转子旋转轨迹，引起轴向窜动。
燥塔分子筛失效，脱水效果不佳，在膨胀轮叶片上形成水化物，堵塞叶轮流道，造成膨胀端轮背压力升高，使轴向力不平衡值指向膨胀端。透平膨胀机轴向推力平衡器调节阀关闭不严，平衡作用失效，内漏造成增压端轮背压力降低，使轴向力不平衡值指向膨胀端。
2.改进方案
2.1改进转子结构：取消增压端叶轮轮盖密封，以降低轴向推力；更换主轴材质，以增强其强度和刚度，降低叶轮摆动。
2.2当透平膨胀机内出现液体造成振动时，压力表会急速跳动，温度指示波动，应迅速降低膨胀机转速，或停止膨胀机运行，并打开蜗壳吹除阀和出口吹除阀，排尽液体，同时设法提高膨胀机进口温度。
2.3在膨胀轮背开平衡孔，使膨胀端与出口处接通，保持轮背压力和出口压力基本平衡，从而消除膨胀端的不平衡轴向力。
2.4增强密封轴套的强度。加大轴套止推面厚度，使其能承受较大轴向推力。并在其端面圆周加一油槽，避免由于推力大时油膜形成不及时造成干摩擦，使轴套被烧毁，提高安全、可靠性。
二、不平衡振动
1.不平衡振动的因素分析
影响转子不平衡的主要因素有：转子形状不对称、机械制造误差、热处理不当而造成的轴弯曲、残余应力引起的变形等；另外，还有透平机械转子由于叶片装嵌在转轴上产生的安装误差、发电机转子绕组的不均匀、部分残留有铸造和锻造表皮的转轴质量不均匀等因素。
由于转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因造成的转子不平衡，在试运之初，便会引起振动；由于转子上不均匀结垢、介质中粉尘的不均匀沉积、介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损等原因引起的转子不平衡，表现为振动值随着运行时间的延长而逐渐增大；由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞造成的转子不平衡，表现为振动值突然升高。
由于空气带油较多，正常运行时凝固的润滑油存积在工作轮和汽缸壁之间的间隙中，工作轮不可避免地将油刮黏在工作轮叶片上，使转子重心偏移，产生离心力造成卡机。风机进气管道的空气过滤器滤网较疏，达不到过滤效果，有时管道密封不好，灰尘、油蒸气进入管道后黏附在风机轮上，造成转子动平衡状况不佳。主要原因在于进口驱动过大而气流在流道中未形成均匀的流动。
2.改进方案
2.1事先对转子的每一个零件进行良好的动平衡或静平衡试验。組成转子后，同样先进行静平衡试验，然后进行动平衡试验，精确校正转子的动平衡，最大限度地降低不平衡量，降低转子在高速旋转时产生的离心力，扩大转子稳定裕度，增加转子结构本身的稳定性。另外，运输过程中要确保不碰撞转子。
2.2强化净化效果，严格分子筛吸附器的工艺操作规程；操作时注意机前温度不要过低。
2.3使用纸质过滤芯；检查进气管道的密封性；定期拆下风机端盖进行清洗保养。
三、风机喘振
1.风机喘振的因素分析
风机及其管道中介质的周期性振荡，是介质受到周期性吸入和排出的激励作用而发生的机械振动。其过程是：流量减小到最小值时出口压力会突然下降，管道内压力反而高于出口压力，于是被输送介质倒流回机内，直到出口压力升高重新向管道输送介质为止；当管道中的压力恢复到原来的压力时，流量再次减少，管道中介质又产生倒流，如此周而复始，即喘振。喘振的产生与风机和管道的特性有关，管道系统的容量越大，则喘振越强，频率越低。流体机械产品一般都附有压力—流量特性曲线，据此可确定喘振点、喘振边界线或喘振区。引起风机喘振的原因主要有：
1.1风机出口压力高，流量减少，当流量减少到一定程度时，便发生膨胀机风机喘振现象。
1.2风机端入口管道安装不当。风机入口管线较长，管内阻力较大，风量减少。
1.3风道积灰堵塞或风道挡板开度不足引起系统阻力过大。
1.4风机端管道阀门关得太小。
2.故障处理分析
风机的喘振会破坏膨胀机内部介质的流动规律性，产生机械噪声，引起工作部件的强烈振动，加速轴承和密封的损坏。一旦喘振引起管道、机器及其基础共振，还会造成严重后果。风机在喘振区域工作时，流量急剧波动，产生气流撞击，使风机发生强烈的振动，噪声增大，而且风压不断晃动。风机的容量与压头越大，则喘振的危害性越大。为防止喘振，必须使风机在喘振区域之外运转。
当发生由风机出口压力高引起的喘振时，应迅速开大风机的出口调节阀，降低风机出口压力，增加风机流量，直至喘振消失。最根本的措施是尽量避免采用具有驼峰形性能曲线的风机，而采用性能曲线平直向下倾斜的风机。另外，将活塞式膨胀机前所配的截断式安全阀配在空气轴承透平膨胀机上，可有效地防止或减少透平膨胀机的喘振和飞车造成的卡机故障。
四、结语
总之，由于操作维护不当、金属损耗、超运转周期、超负荷运行等原因，透平膨胀机在生产运行过程中，都会发生一些故障。在一般情况下，只要平时精心维护，就能够避免发生大的设备事故；但由于部件材质、制造等缺陷引发的突发故障不可控，只有通过选择质量好的设备和严把安装质量关来尽量避免故障发生。
参考文献
[1]江楚标.透平膨胀机及发展动态[J].深冷技术，2001（5）：1-9.
[2]邱立龙，白红宇，庄明，等.EAST氦低温系统透平故障分析[J].低温工程，2009（3）：41-45.
[3]尹琦岭，刘金斗，易明新，等.EC2-274型透平膨胀机动平衡故障分析与排除[J].石油机械，2000，28（4）：28-30.