低溫透平膨脹機(jī)成長(zhǎng)的五十載

1、低溫透平膨脹機(jī)成長(zhǎng)的五十載一、前言 中國(guó)空分制造業(yè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了整整五十年了。回顧五十年，我國(guó)的空分行業(yè)從無(wú)到有，從仿造到自行開(kāi)發(fā)爭(zhēng)辯，制氧容量從小型的幾十立方每小時(shí)到目前已經(jīng)能生產(chǎn)每小時(shí)三萬(wàn)等級(jí)，從整套制氧機(jī)運(yùn)行需由三五個(gè)人手工操作進(jìn)展到今日在把握室電腦屏幕前由一個(gè)人可對(duì)整套空分設(shè)備進(jìn)行操作，從流程上來(lái)說(shuō)從一般簡(jiǎn)潔節(jié)流流程已經(jīng)進(jìn)展到現(xiàn)在依據(jù)不同需要可接受不同流程：如正流膨脹流程、反流膨脹流程、增壓膨脹流程、內(nèi)壓縮流程等等。既能達(dá)到高的提取率又能節(jié)省能耗的新流程。低溫透平膨脹機(jī)是空分設(shè)備的心臟，它是空分設(shè)備中最主要的冷源。它的技術(shù)性能水平直接反映出空分設(shè)備的水準(zhǔn)。我國(guó)60年月初尚處于仿造當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)3

2、0、40年月3350m3/h制氧機(jī)，其中配套的透平膨脹機(jī)還是沖動(dòng)式（反動(dòng)度為零）的型式，絕熱效率在70%左右。經(jīng)過(guò)這四十年的進(jìn)展，我國(guó)的低溫透平膨脹機(jī)已經(jīng)從原只能仿造逐步進(jìn)展成完全可以自行開(kāi)發(fā)在空氣液化分別設(shè)備；石油氣自然氣的液化及分別；氮、氦氣體的液化；氦制冷設(shè)備；航空航天環(huán)境擬設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，為我國(guó)在冶金、化工、石化、核物理和航空航天事業(yè)上揮了重大的作用。二、我國(guó)低溫透平膨脹機(jī)進(jìn)展的主要里程1、60年月初，在當(dāng)時(shí)的機(jī)械部的大力支持下，當(dāng)時(shí)杭州制氧機(jī)爭(zhēng)辯所第一副所長(zhǎng)陳大慈樂(lè)觀指導(dǎo)下，我們幾位剛畢業(yè)的高校生接受了開(kāi)發(fā)低溫透平膨脹機(jī)的任務(wù)。在當(dāng)時(shí)缺乏資料狀況下，通過(guò)不同途徑從各個(gè)方面收集相關(guān)資

3、料，開(kāi)頭了國(guó)內(nèi)首臺(tái)自行設(shè)計(jì)低溫透平膨脹機(jī)的研制，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)爭(zhēng)辯。完成了噴咀相關(guān)閉對(duì)效率的影響試驗(yàn)；噴咀葉片高度對(duì)葉輪進(jìn)口葉高過(guò)蓋度對(duì)效率的影響試驗(yàn)；反動(dòng)度對(duì)效率的影響試驗(yàn)；制動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)透平膨脹機(jī)的調(diào)整性能試驗(yàn)；常溫與低溫對(duì)比效率試驗(yàn)等，并寫(xiě)出了至今為止?fàn)庌q低溫透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)爭(zhēng)辯還有肯定指導(dǎo)意義的單級(jí)向心式空氣透平膨脹機(jī)的試驗(yàn)爭(zhēng)辯學(xué)術(shù)論文。2、1970年我國(guó)首臺(tái)配自行設(shè)計(jì)中壓流程300m3/h制氧機(jī)的中壓透平膨脹機(jī)研制成功，為我國(guó)自行研發(fā)中壓透平膨脹機(jī)邁出了和一步。3、1979年研制成用于核物理爭(zhēng)辯的100L/h大型氦液化設(shè)備中二臺(tái)高速氦氣軸承氦透平膨脹機(jī)（轉(zhuǎn)速分別為10.2×

4、104r/min和12×104r/min），填補(bǔ)了重大空白，其中接受了獨(dú)特的方法解決了理論和實(shí)踐證明是行之有效的關(guān)鍵穩(wěn)定性問(wèn)題。寫(xiě)出了氦透平膨脹機(jī)及其氣體軸承穩(wěn)定性試驗(yàn)爭(zhēng)辯論文，在1983年法國(guó)巴黎召開(kāi)的第16屆國(guó)際制冷大會(huì)上宣讀，在國(guó)際同行中得到全都好評(píng)。這也是我國(guó)空分行業(yè)第一次在國(guó)際性會(huì)議上宣讀學(xué)術(shù)論文。4、1980年江西制氧機(jī)廠與西安交通高校合作研制成配150m3/h小空分的氣體軸承中壓透平膨脹機(jī)，至今全國(guó)配150m3/h制氧機(jī)幾乎全部都配上這種透平膨脹機(jī)代替活塞膨脹機(jī)。由于它比活塞式效率大為提高，節(jié)電顯著，而且修理便利，占地面積小，噪音低。5、1985年，杭州制氧機(jī)爭(zhēng)辯所完成

5、機(jī)械部下達(dá)的研制配進(jìn)口的20L/h氦液化設(shè)備的2臺(tái)超高速高穩(wěn)定性的氣體軸承氦透平膨脹機(jī)（轉(zhuǎn)速分別為25×104r/min和36×104r/min），為我國(guó)以后研制超高速氣體軸承透平膨脹機(jī)打下了良好的基礎(chǔ)。6、80年月初，杭州制氧機(jī)廠從德國(guó)Linder公司（后為AtlasCopco公司）引進(jìn)了透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，這使我國(guó)在以后的透平膨脹機(jī)的整體水平（包括設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)控等方面）有了明顯的提高。特殊是1987年杭州制氧機(jī)廠領(lǐng)先在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)成功增壓膨脹流程6000m3/h空分設(shè)備中的增壓透平膨脹機(jī)，這不僅為節(jié)能型的增壓流程在我國(guó)予以實(shí)現(xiàn)，更使我國(guó)空分設(shè)備和透平膨脹機(jī)的技

6、術(shù)又上了一個(gè)臺(tái)階。繼后10000、3200、15000和30000m3/h空分設(shè)備等級(jí)的增壓透平膨脹機(jī)也前后研制成功。7、杭州制氧機(jī)廠在90年月初開(kāi)發(fā)成高膨脹比(29.6)、大流量的中壓氮?dú)庠鰤和钙脚蛎洐C(jī)，其進(jìn)口壓力為3.7MPa(A)。由于其運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、易耗件少、修理便利，取代了原三臺(tái)活塞膨脹機(jī)，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了透平膨脹機(jī)高膨脹比的突破，為大型液體設(shè)備的流程實(shí)現(xiàn)了跨出了重要的一步。8、氣體軸承透平膨脹機(jī)在中小型空分設(shè)備和液化設(shè)備中應(yīng)用具有肯定的優(yōu)勢(shì)，繼“150m3/h”空分設(shè)備氣體軸承透平膨脹機(jī)取代活塞式膨脹機(jī)后，90年月國(guó)內(nèi)又在300、800m3/h空分設(shè)備中，甚至

7、在1000空分設(shè)備中也配用氣體軸承透平膨脹機(jī)。杭州制氧機(jī)廠在90年月初還成功開(kāi)發(fā)出集中了80三元葉輪、小型可調(diào)噴咀、增壓制動(dòng)風(fēng)機(jī)和氣體軸承四項(xiàng)新技術(shù)為一體的小型增壓透平膨脹機(jī)用于150L/h的液氧液氮設(shè)備中，獲得國(guó)內(nèi)外同行的觀賞。9、四川空分設(shè)備廠在80年月初研制成配7×104m3/d等級(jí)小型自然氣分別裝置的自然氣透平膨脹機(jī)。80年月中期四川空分廠和航空部609所都引進(jìn)了美國(guó)Rotoflow透平膨脹機(jī)技術(shù)。四川空分廠在80年月末90年月初又研制成配50×104m3/d等級(jí)的自然氣分別裝置的自然氣透平膨脹機(jī)。但從90年月以后，這方面軍進(jìn)展不快，我國(guó)內(nèi)像150×104

8、m3/d250×104m3/d等級(jí)的石油氣、自然氣分別裝置都從國(guó)外大公司引進(jìn)設(shè)備的。三、體會(huì)1、要重視試驗(yàn)爭(zhēng)辯工作，培育自己解決實(shí)際問(wèn)題的力量從本人從事低溫透平膨脹機(jī)試驗(yàn)爭(zhēng)辯四十年經(jīng)受中深深的感受到試驗(yàn)爭(zhēng)辯工作的重要性，對(duì)每一個(gè)透平膨脹機(jī)研發(fā)人員來(lái)說(shuō)，不僅要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和專業(yè)學(xué)問(wèn)，而在設(shè)計(jì)過(guò)程中很重要的一點(diǎn)，那就是不但會(huì)設(shè)計(jì)，而且要知道設(shè)計(jì)出來(lái)的圖紙是怎么制造出來(lái)（加工工藝）；還要知道設(shè)計(jì)好的整臺(tái)機(jī)組是怎么安裝起來(lái)的（裝配工藝）；還要了解透平膨脹機(jī)在空分設(shè)備中的地位，什么時(shí)候啟動(dòng)透平膨脹機(jī)，怎么啟動(dòng)，怎么協(xié)作空分設(shè)備調(diào)整冷量又能保證透平膨脹機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行等等，只有這樣要求自己，

9、才能把自己培育成一個(gè)全面的爭(zhēng)辯開(kāi)發(fā)人才。只有通過(guò)試驗(yàn)爭(zhēng)辯，提高感性生疏，再在理論高度上賜予總結(jié)，再來(lái)指導(dǎo)以后的開(kāi)發(fā)，不斷提高解決實(shí)際問(wèn)題的力量。從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的產(chǎn)品（技術(shù)），對(duì)我們是個(gè)學(xué)習(xí)的好機(jī)會(huì)，通過(guò)深化了解，學(xué)習(xí)他們的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法、合理的結(jié)構(gòu)，引進(jìn)到我們自己設(shè)計(jì)中來(lái)，這當(dāng)中，我們也不能迷信國(guó)外產(chǎn)品。我們通過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)爭(zhēng)辯，總結(jié)了肯定的閱歷，有時(shí)我們掛念處理國(guó)外產(chǎn)品事故中，剛好國(guó)外產(chǎn)品中犯下了我們?cè)高^(guò)的錯(cuò)誤。這樣，用我們的閱歷解決了國(guó)外產(chǎn)品的問(wèn)題。本人在處理日本、英國(guó)和法國(guó)產(chǎn)品故障中就遇到過(guò)這種問(wèn)題。同樣，我們?cè)诳吹搅藝?guó)外透平膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)常用“為什么是這樣設(shè)計(jì)的？”來(lái)問(wèn)自己，了解別

10、人的設(shè)計(jì)意圖。只有這樣才能把國(guó)外先進(jìn)的、合理的、行之有效的設(shè)計(jì)方法引為我用，不斷提高難度們的設(shè)計(jì)水平。我們有信念，在不久的將來(lái)，逐步使我們?cè)O(shè)計(jì)透平膨脹機(jī)水平達(dá)到、甚至超過(guò)國(guó)外先進(jìn)水平。2、要重視科技情報(bào)的收集我國(guó)工廠企業(yè)的技術(shù)人員，他們經(jīng)常被日常的生產(chǎn)任務(wù)所牽制，不夠重視當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同行的各種信息，不收集這方面的科技情報(bào)（如國(guó)內(nèi)外同行近期產(chǎn)品的資料和進(jìn)展、趨向；國(guó)內(nèi)外相關(guān)的學(xué)術(shù)溝通信息等）。這些都是我們搞爭(zhēng)辯開(kāi)發(fā)所不行缺少的信息源泉。由于我們不行能什么都通過(guò)自己試驗(yàn)爭(zhēng)辯才能獲得爭(zhēng)辯結(jié)果的，更多的還是通過(guò)前人爭(zhēng)辯成果的基礎(chǔ)上再來(lái)進(jìn)展，只有這樣才能達(dá)到又快又好又省的進(jìn)展新產(chǎn)品、新技術(shù)。我們以前搞一項(xiàng)

11、重大項(xiàng)目，在全國(guó)各地收集相關(guān)情報(bào)資料，有時(shí)找了幾十篇文章，找到了一條相關(guān)的信息，結(jié)果可使我們少化幾萬(wàn)元錢少化幾個(gè)月的時(shí)間不去做國(guó)外已經(jīng)做過(guò)的，而真正的更多更重要的還是要在網(wǎng)上以外的各種渠道收集資料。3、提高透平膨脹機(jī)絕熱效率的途徑四十年前，我們仿造蘇聯(lián)3350型制氧機(jī)的沖動(dòng)式透平膨脹機(jī)的絕熱效率在70%左右，在70年月末，我們自行設(shè)計(jì)的3350型制氧機(jī)的反動(dòng)式透平膨脹機(jī)效率在7880%，80年月初引進(jìn)德國(guó)Linder公司技術(shù)后，葉輪番道接受了準(zhǔn)三元設(shè)計(jì)，透平膨脹機(jī)效率在82%左右，到90年月初，引進(jìn)了美國(guó)NREC設(shè)計(jì)軟件及五座標(biāo)加工設(shè)備后，透平膨脹機(jī)絕熱效率可達(dá)到85%左右以上。然而，從本人多

12、年的透平膨脹機(jī)的實(shí)際運(yùn)行觀看中，對(duì)不同的企業(yè)，甚至同一企業(yè)的不同的設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)方法缺乏穩(wěn)定性，對(duì)同一等級(jí)的透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)中，有的設(shè)計(jì)出來(lái)的效率可很高，有時(shí)卻較低?，F(xiàn)在我們?cè)O(shè)計(jì)人員只知道滿足總體流程的總要求即可了，而忽視了膨脹機(jī)本身有否達(dá)到要求，特殊是效率的要求，更很少有人考慮此膨脹機(jī)還有潛力可挖的問(wèn)題。例如，我在多年的調(diào)研中發(fā)覺(jué)很多透平膨脹機(jī)運(yùn)中的噴咀后壓力數(shù)據(jù)往往沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有的甚至相差很多。我還觀看到噴咀后壓力越接近設(shè)計(jì)值的透平膨脹機(jī)絕熱效率越高，相差多的效率也就越低。這是我們透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)人員在提高絕熱效率中一個(gè)重要課題。4、關(guān)于石油氣、自然氣透平膨脹機(jī)石油氣、自然氣在我國(guó)有豐富

13、的資料，而且還比較落后。因此石油氣、自然氣的分別和液化設(shè)備的開(kāi)發(fā)在我國(guó)的巨大的市場(chǎng)。而且至今國(guó)內(nèi)絕大部分的分別和液化自然氣裝置還是被國(guó)外的大公司所壟斷。這些設(shè)備最關(guān)鍵部機(jī)還是透平膨脹機(jī)。這種自然氣、石油氣透平膨脹機(jī)相對(duì)于空分設(shè)備中透平膨脹機(jī)有幾個(gè)重要的關(guān)鍵問(wèn)題需解決：多組分熱力計(jì)算方法；單級(jí)大焓降引出的高轉(zhuǎn)速葉輪的結(jié)構(gòu)及軸承穩(wěn)定性；帶液引出的復(fù)什葉型及侵蝕問(wèn)題；高進(jìn)口壓力引出的巨大軸向力；可燃易爆氣體引出的高要求密封及各種防爆措施。此外還有自然氣、石油氣會(huì)溶解在透平膨脹機(jī)的潤(rùn)滑油中，時(shí)間長(zhǎng)后會(huì)引起潤(rùn)滑性能的下降。國(guó)內(nèi)主要是四川空分設(shè)備廠和航天部609所在70年月已經(jīng)進(jìn)行這方面透平膨脹機(jī)的研制工

14、作，80年月已有配10×10450×104m3/d自然氣分別設(shè)備中透平膨脹機(jī)的產(chǎn)品。80年月末，這兩單位前后從Rotoflow公司引進(jìn)了部分技術(shù)，這對(duì)提高我國(guó)自然氣、石油氣透平膨脹機(jī)的技術(shù)水平起到肯定的作用，但從整體來(lái)看，與國(guó)外一些先進(jìn)水平還存在較大的差距。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，石油氣、自然氣透平膨脹機(jī)是難度最大的一種透平膨脹機(jī)，它集中了透平膨脹機(jī)各個(gè)方面的難點(diǎn)。在60、70年月來(lái)進(jìn)行這種透平膨脹機(jī)的研制困難是格外大的。然而，通過(guò)三四十年的探究和國(guó)外部分技術(shù)的引進(jìn)，相關(guān)科學(xué)的進(jìn)展，特殊是國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件（NREC）和加工硬件（五座標(biāo)數(shù)控加工機(jī)床）的引進(jìn)，無(wú)疑這些為自然氣透平膨脹機(jī)關(guān)鍵技

15、術(shù)的解決供應(yīng)了有利的條件。至今，有理由說(shuō)，假如在石油氣、自然氣透平膨脹機(jī)上有所突破，實(shí)際上將為空分設(shè)備上用的透平膨脹機(jī)的先進(jìn)性和穩(wěn)定性供應(yīng)了可*的保證。所以，我認(rèn)為攻克自然氣、石油氣透平膨脹機(jī)的關(guān)鍵作為提高透平膨脹機(jī)總水平的目標(biāo)來(lái)抓。5、關(guān)于氣體軸承透平膨脹機(jī)在空分設(shè)備中的應(yīng)用問(wèn)題這一問(wèn)題曾在一段時(shí)期引起一些爭(zhēng)辯。依據(jù)本人從事透平膨脹機(jī)中氣體軸承及其穩(wěn)定性爭(zhēng)辯近三十年的閱歷，談一些看法。（1）由于氣體相對(duì)潤(rùn)滑油來(lái)說(shuō)粘度微小在極低溫場(chǎng)合下，特殊能發(fā)揮其特長(zhǎng)，如液氦、液氮、液氫設(shè)備中的應(yīng)用，不僅解決了低溫軸承不發(fā)熱，不污染介質(zhì)，而且還解決了密封問(wèn)題（軸承氣、透平介質(zhì)和制動(dòng)風(fēng)機(jī)介質(zhì)均為同一種氣體），

16、因此，在這些特殊領(lǐng)域內(nèi)在國(guó)外已普遍應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前也類同。（2）在空分設(shè)備中透平膨脹機(jī)應(yīng)用氣體軸承問(wèn)題我認(rèn)為在二種場(chǎng)合可加以考慮的，一是在中小型空分設(shè)備為了降低能耗指標(biāo)，而接受增壓膨脹流程時(shí)，按一般油軸承在透平膨脹機(jī)要耗功810KW，這樣，透平發(fā)出功率增壓制動(dòng)風(fēng)機(jī)已經(jīng)沒(méi)有什么意義了，而接受氣體軸承后，氣體軸承耗功只有0.2kW左右，這樣幾乎可以把透平發(fā)出全部功率去制動(dòng)風(fēng)機(jī)增壓上。因此，這種透平膨脹機(jī)因其流量不太大，透平絕熱效率不是很高，然而它的功轉(zhuǎn)換率卻是很高。這就是說(shuō)明應(yīng)用氣體軸承透平膨脹機(jī)在中小型空分設(shè)備中接受增壓膨脹流程成為現(xiàn)實(shí)的主要緣由。杭州制氧機(jī)廠的150升/時(shí)液氮液氧設(shè)備、1000、

17、350m3/h空分設(shè)備就是例子。二是在生產(chǎn)高純度氣體的分別或液化設(shè)備中接受氣體軸承透平膨脹機(jī)有利于系統(tǒng)純度的保證。（3）空分設(shè)備中透平膨脹機(jī)上用的氣體軸承穩(wěn)定性問(wèn)題1）中小型空分設(shè)備中透平膨脹機(jī)上接受氣體軸承完全是可能的。而且設(shè)計(jì)得合理，在三五年內(nèi)不出故障是完全可能的。我們?cè)?jīng)掛念一廠家搶修過(guò)一臺(tái)進(jìn)口的氣體軸承透平膨脹機(jī)，找出了原故障緣由，經(jīng)過(guò)改進(jìn)，并掛念重新造了一臺(tái)，結(jié)果，這臺(tái)氣體軸承透平膨脹機(jī)因生產(chǎn)需要，每半個(gè)月左右需停幾天再啟動(dòng)，而且每次啟動(dòng)時(shí)，總需在35秒種轉(zhuǎn)速快速升到5×10-4r/min以上，這臺(tái)透平已穩(wěn)定運(yùn)行五年以上不出故障。2）在空分設(shè)備中應(yīng)用氣體軸承透平膨脹機(jī)應(yīng)配有可*的平安措施（軸承氣的上下限壓力等）和合理的流程相結(jié)合。我們?cè)鵀榱硪粡S家解決進(jìn)口空分設(shè)備的氣體軸承透平膨脹機(jī)故障時(shí)，發(fā)覺(jué)緣由外技術(shù)人員來(lái)現(xiàn)場(chǎng)試車二次都因氣體軸承故障未試成功，我們到現(xiàn)場(chǎng)后經(jīng)過(guò)認(rèn)真了解、分析、發(fā)覺(jué)該流程設(shè)計(jì)對(duì)氣體軸承運(yùn)行穩(wěn)定性不利，后經(jīng)我