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摘 要： 叙述了双氧水尾气回收行业所配套的滚动轴承膨胀机常见故障，并分析了透平膨胀机常见故障产生的原因和应采取的处理措施。
关键词： 滚动轴承透平膨胀机；泄漏；轴承失效；超速；振动
【中图分类号】 TB653 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）05-0196-01
一、概述
增压透平膨胀机是一种高速旋转的透平机械，在双氧水尾气回收行业中应用广泛。一方面气体在透平膨胀机中进行绝热膨胀时对外做功，使气体本身温度降低。另一方面，高压气流在冲击膨胀机工作轮时，叶轮高速旋转，通过主轴带动另一端的风扇对外作功，使气体得到增压效果，其原理就是利用介质流动时的速度变化来进行能量转换。表示透平膨胀机的基本结构。
在双氧水尾气回收行业中，透平膨胀机是十分关键的设备。因为在启动回收装置时，需要提供大量的冷量来保证尾气中的芳烃冷凝液化回收。因此对透平膨胀机的正常维护和检修，是透平膨胀机安全、正常运行的必要措施和保证保持其发挥最佳产能的保障。
二、常见故障及原因分析
我公司研发各型号的透平膨胀机多套，用于双氧水回收装置，在生产过程中、外厂运行调试过程中，透平膨胀机发生过几起故障，对产品的正常运行造成了很大的影响。
1.润滑油泄漏
润滑油通过叶轮盘后端沿着轴向间隙泄漏，泄漏润滑油随着膨胀机组进入到的气路，对混合气路进行污染，如果泄漏非常严重的话，润滑油的损耗非常大，给膨胀机的平稳运行造成了很大的影响。产生泄漏的主要原因是工作轮后部的密封质量及密封气量是否充足有关。因此发生泄漏时，首先要检查密封气量是否充足、气封管路是否与膨胀机气封管嘴正确连接、透平膨胀机内部气封通道是否通畅，以及重新调整工作轮后部的密封间隙，保证其密封良好。
2017年，公司一台透平膨胀机组在调试现场中，设备运行起来后，油箱液位下降明显，泄漏严重，后返厂返修分解后发现，润滑油泄漏严重，是由于膨胀机内部气封通道不通畅，密封气没有起到气路与油路的隔离作用所导致。
2.滚动轴承早期失效、透平膨胀机卡机
滚动轴承是透平膨胀机重要机械的基础之一，轴承的运行情况直接会影响产品的运行质量和寿命，滚动轴承在正常工作情况下，要靠一定的清洁润滑油， 使滚动体与内外圈滚道之间有一层润滑油膜保证可靠运行，因此轴承的润滑情况、轴承工作时所承受的负荷、轴承的工作转速、轴承工作时的温度、对滚动轴承的动力特性有着重要影响，会使轴承产生早期的失效情况。
通常引起滚动轴承膨胀机卡机的原因有：
（1）轴承润滑供油不良，轴向预紧力过大或轴承油隙过小，使滚动体与内外圈滚道之间发生干摩擦。
（2）轴承润滑油不洁净，带有水、杂质等或者轴承游隙过大，使轴承出现滚动体运转卡阻。
（3）操作不当，未按照“先开油、再开车”；“先停车、再关油”的规程操作。
（4）轴承在工作中承受的负荷过大，轴承在工作中承受的负荷超过了极限负荷。
（5）叶轮叶片断裂，破坏了转子的动平衡，导致轴承受力不均，出现早期失效，或断裂叶片转动件与固定件卡死出现的卡机现象。
公司生产的多台某系列涡轮膨胀机，回厂返修中发现多台产品中心转子出现卡机现象，分解膨胀机后发现滚动轴承的滚动面有剥落现象，如（图2）所示、涡轮叶轮断裂引起。综合分析认为，由于涡轮叶轮叶片断裂，破坏了中心转子的动平衡，从而导致了两端轴承受力不均匀，滚动轴承出现了早期失效，膨胀机出现卡机现象。
3.运转超速
3.1啟动时超速。
滚动轴承透平膨胀机在气动时超速，主要由两个原因造成：一方面是打开进气阀过猛，气量过大；另一方面，也是容易被忽视的，就是压气机出口阀没有全开时，管路阻力才最小，此时风压较低，根据压气机端性能曲线，压端压力低对应的制动风量越大，功率消耗越大。因此，压气机端在较低的转速下所需的功率就能与透平膨胀机的输出功率相平衡。故在启动时，一方面要缓慢打开透平膨胀机的进口阀，另一方面要切记将压气机出口阀全开以防超速。
3.2运转时超速。
滚动轴承透平膨胀机在运转时超速，多数是由于压气机端进气过滤器逐渐堵塞，而使系统阻力增加，风量减少，从而降低了压气机端的制动功率，使转速升高。但有时透平膨胀机也会突然转速升高以致飞车。
4.振动过大
造成滚动轴承透平膨胀机振动过大的原因较多，但主要有以下几个方面：
⑴叶轮松动，叶轮磨损、断裂，叶轮内有杂质凝结破坏中心转子的动平衡了。
⑵压端出口防倒流阀关的过小或压端进口管路及过滤网堵塞，压气机工作点进入喘振区，造成压气机工作不稳定而产生振动。
⑶膨胀机内出现液体，液体被叶轮膨胀后急剧气化，使间隙压力大幅波动，膨胀机振动。
⑷滚动轴承润滑不好，造成磨损，油隙增大，造成透平膨胀机不能正常运转而产生的振动。
5.产生液击
滚动轴承透平膨胀机产生液击的主要原因有：
⑴透平膨胀机的进气温度过低，导致气体在膨胀机内就液化；
⑵压端止回阀故障，导致液体回流进入膨胀机内。
由于透平膨胀机内温度最低的部位是在工作轮的出口处，气体在透平膨胀机内膨胀，温度显著降低。如果膨胀机的进气温度过低，经膨胀后，机内气体温度低于机后压力对应的液化温度，则将会有部分气体在膨胀机内液化；如果膨胀机前就带液，情况更危险。由于透平膨胀机工作轮的旋转速度很高，一旦机内出现液体，液滴对叶片表面的撞击将加速叶片的磨损，甚至液滴在离心力的作用下被甩到叶轮边缘，液体温度升高，产生急剧汽化，体积骤然膨胀，气体对叶轮产生强烈冲击，严重时还会造成叶片断裂。
为了防止透平膨胀机内出现液体，透平膨胀机在运行时，一定要将其机前温度控制在机前压力对应的液化温度以上；在调试或重新开机时，要避免主冷过冷造成机前带液。
6结束语
只要在平时的调试与生产中严格按照操作规程来操作滚动轴承透平膨胀机，就能有效避免滚动轴承卡机、泄漏大、超速和液击等常见故障，为尾气回收装置的安全、可靠运行提高保障。
参考文献
[1] 陈德雄，李敏 《飞机座舱制冷附件》，国防工业出版社。
⑵ 陈允恺 小型空气分离设备基础知识，机械工业出版社
关键词： 滚动轴承透平膨胀机；泄漏；轴承失效；超速；振动
【中图分类号】 TB653 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）05-0196-01
一、概述
增压透平膨胀机是一种高速旋转的透平机械，在双氧水尾气回收行业中应用广泛。一方面气体在透平膨胀机中进行绝热膨胀时对外做功，使气体本身温度降低。另一方面，高压气流在冲击膨胀机工作轮时，叶轮高速旋转，通过主轴带动另一端的风扇对外作功，使气体得到增压效果，其原理就是利用介质流动时的速度变化来进行能量转换。表示透平膨胀机的基本结构。
在双氧水尾气回收行业中，透平膨胀机是十分关键的设备。因为在启动回收装置时，需要提供大量的冷量来保证尾气中的芳烃冷凝液化回收。因此对透平膨胀机的正常维护和检修，是透平膨胀机安全、正常运行的必要措施和保证保持其发挥最佳产能的保障。
二、常见故障及原因分析
我公司研发各型号的透平膨胀机多套，用于双氧水回收装置，在生产过程中、外厂运行调试过程中，透平膨胀机发生过几起故障，对产品的正常运行造成了很大的影响。
1.润滑油泄漏
润滑油通过叶轮盘后端沿着轴向间隙泄漏，泄漏润滑油随着膨胀机组进入到的气路，对混合气路进行污染，如果泄漏非常严重的话，润滑油的损耗非常大，给膨胀机的平稳运行造成了很大的影响。产生泄漏的主要原因是工作轮后部的密封质量及密封气量是否充足有关。因此发生泄漏时，首先要检查密封气量是否充足、气封管路是否与膨胀机气封管嘴正确连接、透平膨胀机内部气封通道是否通畅，以及重新调整工作轮后部的密封间隙，保证其密封良好。
2017年，公司一台透平膨胀机组在调试现场中，设备运行起来后，油箱液位下降明显，泄漏严重，后返厂返修分解后发现，润滑油泄漏严重，是由于膨胀机内部气封通道不通畅，密封气没有起到气路与油路的隔离作用所导致。
2.滚动轴承早期失效、透平膨胀机卡机
滚动轴承是透平膨胀机重要机械的基础之一，轴承的运行情况直接会影响产品的运行质量和寿命，滚动轴承在正常工作情况下，要靠一定的清洁润滑油， 使滚动体与内外圈滚道之间有一层润滑油膜保证可靠运行，因此轴承的润滑情况、轴承工作时所承受的负荷、轴承的工作转速、轴承工作时的温度、对滚动轴承的动力特性有着重要影响，会使轴承产生早期的失效情况。
通常引起滚动轴承膨胀机卡机的原因有：
（1）轴承润滑供油不良，轴向预紧力过大或轴承油隙过小，使滚动体与内外圈滚道之间发生干摩擦。
（2）轴承润滑油不洁净，带有水、杂质等或者轴承游隙过大，使轴承出现滚动体运转卡阻。
（3）操作不当，未按照“先开油、再开车”；“先停车、再关油”的规程操作。
（4）轴承在工作中承受的负荷过大，轴承在工作中承受的负荷超过了极限负荷。
（5）叶轮叶片断裂，破坏了转子的动平衡，导致轴承受力不均，出现早期失效，或断裂叶片转动件与固定件卡死出现的卡机现象。
公司生产的多台某系列涡轮膨胀机，回厂返修中发现多台产品中心转子出现卡机现象，分解膨胀机后发现滚动轴承的滚动面有剥落现象，如（图2）所示、涡轮叶轮断裂引起。综合分析认为，由于涡轮叶轮叶片断裂，破坏了中心转子的动平衡，从而导致了两端轴承受力不均匀，滚动轴承出现了早期失效，膨胀机出现卡机现象。
3.运转超速
3.1啟动时超速。
滚动轴承透平膨胀机在气动时超速，主要由两个原因造成：一方面是打开进气阀过猛，气量过大；另一方面，也是容易被忽视的，就是压气机出口阀没有全开时，管路阻力才最小，此时风压较低，根据压气机端性能曲线，压端压力低对应的制动风量越大，功率消耗越大。因此，压气机端在较低的转速下所需的功率就能与透平膨胀机的输出功率相平衡。故在启动时，一方面要缓慢打开透平膨胀机的进口阀，另一方面要切记将压气机出口阀全开以防超速。
3.2运转时超速。
滚动轴承透平膨胀机在运转时超速，多数是由于压气机端进气过滤器逐渐堵塞，而使系统阻力增加，风量减少，从而降低了压气机端的制动功率，使转速升高。但有时透平膨胀机也会突然转速升高以致飞车。
4.振动过大
造成滚动轴承透平膨胀机振动过大的原因较多，但主要有以下几个方面：
⑴叶轮松动，叶轮磨损、断裂，叶轮内有杂质凝结破坏中心转子的动平衡了。
⑵压端出口防倒流阀关的过小或压端进口管路及过滤网堵塞，压气机工作点进入喘振区，造成压气机工作不稳定而产生振动。
⑶膨胀机内出现液体，液体被叶轮膨胀后急剧气化，使间隙压力大幅波动，膨胀机振动。
⑷滚动轴承润滑不好，造成磨损，油隙增大，造成透平膨胀机不能正常运转而产生的振动。
5.产生液击
滚动轴承透平膨胀机产生液击的主要原因有：
⑴透平膨胀机的进气温度过低，导致气体在膨胀机内就液化；
⑵压端止回阀故障，导致液体回流进入膨胀机内。
由于透平膨胀机内温度最低的部位是在工作轮的出口处，气体在透平膨胀机内膨胀，温度显著降低。如果膨胀机的进气温度过低，经膨胀后，机内气体温度低于机后压力对应的液化温度，则将会有部分气体在膨胀机内液化；如果膨胀机前就带液，情况更危险。由于透平膨胀机工作轮的旋转速度很高，一旦机内出现液体，液滴对叶片表面的撞击将加速叶片的磨损，甚至液滴在离心力的作用下被甩到叶轮边缘，液体温度升高，产生急剧汽化，体积骤然膨胀，气体对叶轮产生强烈冲击，严重时还会造成叶片断裂。
为了防止透平膨胀机内出现液体，透平膨胀机在运行时，一定要将其机前温度控制在机前压力对应的液化温度以上；在调试或重新开机时，要避免主冷过冷造成机前带液。
6结束语
只要在平时的调试与生产中严格按照操作规程来操作滚动轴承透平膨胀机，就能有效避免滚动轴承卡机、泄漏大、超速和液击等常见故障，为尾气回收装置的安全、可靠运行提高保障。
参考文献
[1] 陈德雄，李敏 《飞机座舱制冷附件》，国防工业出版社。
⑵ 陈允恺 小型空气分离设备基础知识，机械工业出版社