透平膨胀机是一种输出功率并使压缩气体膨胀因而压力降低和能量减少的原动机。通常，人们又把其中输出功率且压缩气体为水蒸气和燃气的这一类透平膨胀机另外称为蒸气轮机和燃气轮机(例如，催化裂化装置中的烟气轮机即属于此类)，而只把输出功率且压缩气体为空气、天然气等，利用气体能量减少以获得低温从而实现制冷目的的这一类称为透平膨胀机(涡轮膨胀机)。此处所指的透平膨胀机即为后者。
由于透平膨胀机具有流量大、体积小、冷量损失少、结构简单、通流部分无机械摩擦件、不污染制冷工质(即压缩气体)、调节性能好、安全可靠等优点，故自20世纪60年代以来已在NGL回收及天然气液化等装置中广泛用做制冷机械。
(一) 透平膨胀机简介
1. 结构
图5-4为一种广为应用的带有半开式工作叶轮的单级向心径-轴流反作用式透平膨胀机的局部剖视图。它由膨胀机通流部分、制动器及机体三部分组成。膨胀机通流部分是获得低温的主要部件，由涡壳、喷嘴环(导流器)工作轮(叶轮)及扩压器组成。制冷工质从入口管线进入膨胀机的蜗壳1，把气流均匀地分配给喷嘴环。气流在喷嘴环的喷嘴2中第一次膨胀，把一部分焓降转换成动能，因而推动工作轮3输出外功。同时，剩余的一部分焓降也因气流在工作轮中继续膨胀而转换成外功输出。膨胀后的低温工质经过扩压器4排至出口低温管线中。图5-4中的这台透平膨胀机采用风机作为制动器。制动空气通过风机端盖8上的入口管吸入，先经风机轮6压缩后，再经无叶括压器及风机涡壳7扩压，最后排入管线中。测速器9用来测量透平膨胀机的转速。机体在这里起着传递、支承和隔热的作用。主轴支承在机体11中的轴承座10上，通过主轴(传动轴)5把膨胀机工作轮的功率传递给同轴安装的制动器。为了防止不同温度区的热量传递和冷气体泄漏，机体中还设有中间体12和密封设备13。由膨胀机工作轮、制动风机轮和主轴等组成的旋转部件又称为转子。此外，为使透平膨胀机连续安全运行，还必须有一些辅助设备和系统，例如润滑、密封、冷却、自动控制和保安系统等。
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2. 制冷原理
向心反作用式透平膨胀机的工作过程基本上是离心压缩机的反过程。
从能量转换观点来看，透平膨胀机是作为一种原动机来驱动它的制动器高速旋转，由于工作轮中的气体对工作轮做功，使工作轮出口的气体压力及比焓降低(即产生焓降)，从而把气体的能量转换成机械功输出并传递给制动器接收，亦即转换为其他形式能量的一种高速旋转机械。
如上所述，在向心反作用式透平膨胀机中，具有一定可利用压力能的气体，在喷嘴环的喷嘴中膨胀，压力降低，速度增加，将一部分压力能及焓降转换为动能。在喷嘴出口处的高速气流推动工作轮高速旋转，同时在工作轮流道中继续膨胀，压力及比焓继续降低。由于气体在工作轮进出口处的速度方向和大小发生变化，即动量矩发生变化，工作轮中的气体便对工作轮做功，从而把气体的能量转换为机械功输出并传递给制动器接收，因而降低了膨胀机出口气体的压力和温度。