气体轴承透平膨胀机在空分装置中的应用

　　摘　要：空气分离设备中的膨胀机，由于进口介质温度低，膨胀比大，为了达到较高的绝热效率，膨胀机转子的转速势必达到很高。在这种情况下，传统的滑动轴承难以满足设备要求，而气体轴承具有摩擦损失低、适应温度范围广、使用时间长等诸多优点，因此在低温透平膨胀机上得到了越来越广泛的应用。本文从气体轴承透平膨胀机的发展历程出发，比较详细地介绍了气体轴承的类型特点及在空分装置中的应用。
　　关键词：气体轴承；空分装置；绝热膨胀
　　一、概述
　　我国对气体轴承透平膨胀机的研究已有三十多年的历史。1979年，西安交通大学与江西制氧机厂及吴县制氧机厂共同研制150Nm³/h制氧机配套的气体轴承中压透平膨胀机，取代原来配套使用的笨重的活塞式膨胀机，经过鉴定已正式投产使用，这为我国空分装置特别是小型制氧机推广使用气体轴承透平膨胀机开创了良好的起点。1982年以来，西安交通大学和吴县制氧机厂共同研制成功多排切向小孔供气及统一供气双气膜的新型轴承，并在1984年开始推广应用至300Nm³/h制氧机上，达到了节约电能、增加氧产量、延长使用寿命和操作、维护方便的良好效果，并取得了较明显的经济效益。近几年来，我国空分行业在研制新型的气体轴承中压、高压透平膨胀机方面继续进行了新的开发，并且在开发动压气体轴承方面取得了新进展，这将使我国空分行业对气体轴承透平膨胀机的使用提高到一个新的水平。
　　二、透平膨胀机的工作原理及作用
　　透平膨胀机是空气分离设备获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的“心脏”。其利用有一定压力的气体在机内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。产生冷量以启动空分设备以及补偿其运行时的冷量损失，使之维持冷量平衡。
　　膨胀机是由膨胀机通流部分、制动器及机体组成。由蜗壳、导流器、工作轮和扩压器构成膨胀机通流部分。工作介质由进口管进入蜗壳，经可调喷咀再进入工作轮作功，然后经扩压器、排气管排出。其中蜗壳为不锈钢焊接结构，固定在机身上，通过机身与底座相连，蜗壳内容纳有喷咀和膨胀机叶轮；转子的两端分别装有膨胀机叶轮和增压机叶轮（二者均为闭式），为一刚性转子，套装在机身轴承上。工质流经通流部分绝热膨胀，温度得以降低，同时向外输出功，其输出功由另一端的制动风机所吸收。该机采用可调喷嘴，调节性能好，操作方便，能使机器在高速下稳定运行。
　　三、气体轴承的分类及工作原理
　　气体轴承是透平膨胀机机体中支承转子的主要部件之一。气体轴承是一种采用气体作为润滑介质的流体膜润滑轴承，即在轴与轴承之间构成气膜，使活动面与静止面避免发生直接地接触。
　　气体轴承与常规使用的油润滑滑动轴承相比，其工作原理基本相同，只不过润滑介质不同罢了。气体轴承是利用气体的粘性来提高轴承间隙中的压力，从而使转子浮起。根据气体轴承所产生这种压力的原理不同，可将气体轴承大致分为三种类型：挤压膜式、静压式和动压式气体轴承。
　　挤压膜式气体轴承是根据相互接触的两个面在垂直方向上的振动，能使间隙内的平均压力比周围压力值高的这一原理而制成的；静压式气体轴承是使加压的气体从外部经节流器导入间隙，在间隙内产生静压面使转子浮起的一种形式，节流的作用就在于当轴承间隙发生变化时，能改变间隙内的压力；动压式气体轴承有相对移动的两个表面形成楔形的间隙，当间隙的形状沿着移动方向逐渐成总体趋势变窄时，气体因其本身的粘性作用而被带动，并被压缩到楔形间隙内，便形成这种形式。与静压式气体轴承相比，动压式气体轴承不需要外部气源，但要求构成楔形间隙的两表面间存在相对运动，而且其动压效果将随着相对运动的速度的增加而越加明显。
　　四、气体轴承透平膨胀机在空分装置中的应用
　　纵观目前国内外空分装置的发展，不难看出，无论是高压、中压、低压的大型或小型空分装置均有应用气体轴承透平膨胀机的实例。由于小型空分装置透平膨胀机的进口压力高、流量小、转速高，采用气体轴承的优越性更为显著，因而在小型空分装置应用气体轴承透平膨胀机较为普遍。哈尔滨制氧机厂在1981年采用静压气体轴承透平膨胀机应用于50Nm³/h制氧机上；1983年四川空分设备制造厂采用静压气体轴承透平膨胀机应用于KDN-SO/14y高纯氮设备上。
　　目前，我国在自行设计制造的空分装置气体轴承中，多数采用静压式气体轴承。七十年代，我国处于空分装置发展气体轴承透平膨胀机的初始阶段，对刚性支承的双排径向小孔供气的静压气体轴承进行研究，试验表明，这种轴承的失稳转速随轴承间隙变化的特性比较差，往往在高速工况下不能满足稳定运转的要求。采用橡胶O型圈的弹性支承气体轴承是提高气体轴承稳定性的一种很好的措施。橡皮加稳气体轴承，在我国小型空分装置中首次使用，效果较好。但橡胶O型圈受到使用温度、工质及年限的限制，它既不能用于高温，也不能用于低温。因此这种橡皮加稳气体轴承只能用于温度不太低的一般空分装置的透平膨胀机中。为了提高气体轴承的稳定性，又进一步研究了切向小孔供气轴承，其中双排、多排切向小孔供气轴承结构的稳定性极佳，与双排径向小孔供气轴承相比，失稳转速提高两倍以上。之后又在150Nm³/h制氧机中实验成功了另一种稳定性较好的新结构：统一供气双气膜轴承。它以外层气膜代替橡皮加稳轴承中的橡胶O型圈，不仅结构简单而且不受温度的限制适应的范围更加广泛。
　　但是，应当看到静压气体轴承需要有一定的压力气源。尽管对空分装置而言，可利用本身的压力气体，并不需要增加附加气源，但它需要消耗一定量的压力气体且对安全操作带来一些不便之处，从而在一些场合限制了它的应用。因此，开发动压气体轴承对于提高空分装置的经济性及扩大使用范围是非常必要的。国外在低温透平膨胀机领域对开发动压气体轴承进展很快，已经形成一系列产品。日本，日立中央研究所早在1979年就在150Nm³/h制氧机的透平膨胀机上使用动压气体轴承。国内起步较晚，1997年西安交通大学低温研究所在150Nm³/h制氧机上成功应用了平箔式箔片动压气体径向轴承。实验证实了在高速低温膨胀机中使用动压气体轴承是切实可行的。
　　总之，随着气体轴承透平膨胀机技术的日趋完善，将会有更多类型的气体轴承透平膨胀机应用于不同类型的空分装置中，并以其经济、操作方便、使用寿命长等优点必将成为一种发展趋势。
　　参考文献
　　[1]侯予，王漌，熊联友，陈纯正.气体轴承在低温透平膨胀机上的应用.低温工程，2001.第3期
　　[2]侯予，陈纯正.低温氦气体轴承透平膨胀机的设计.低温工程，2003.第3期
　　[3]陈纯正.空分装置气体轴承透平膨胀机.西安交通大学
　　[4]程绪平，吴信军.气体轴承透平膨胀机常见故障分析和处理