膨脹機的案例
案例 | 螺桿膨脹機仿真與測試
容積式旋轉機械（如雙螺桿膨脹機）的數值模擬已被證明是一項非常具有挑戰的工作，其特點在于隨時間變化的腔室體積伴隨著復雜的流動物理問題。
此外，腔內間隙、軸向間隙和齒間嚙合間隙所引發的間隙流動，對整個機械的效率將產生嚴重的影響。因此，CFX Berlin在一臺雙螺桿膨脹機上進行了實驗和仿真的對比。
流體-結構相互作用將會與多項流一樣，是未來數值研究領域的挑戰。這是由于數值工作明顯增加，尤其是在雙向流固耦合領域。
此外，縮短仿真時間的理論變得更詳細，如，初始化噴油的合適性或者與結構力學的耦合動態分析。對于這些挑戰，仍然需要可靠的實驗數據來評判數值結果的準確性。
下面來看一下在最近工作中的一些研究內容。
以下給出了德國多特蒙德大學的SE-51.2螺桿膨脹機的CFD計算結果。仿真計算求解器采用的是ANSYS CFX，計算網格則是采用CFX Berlin的TwinMesh網格生成工具。
SE-51.2為無傳動、干式雙螺桿膨脹機，其通過膨脹空氣（壓比6:1）將熱能轉化為機械能，轉速達到20000rpm。
膨脹機的體積比為2.5，軸長為51mm，陽轉子每周位移容積為285cm3。計算的數值模型包括完整的間隙，在幾個不同的轉速下，CFD結果與測試進行了比較。
SE-51.2的CFD仿真結果與實驗數據比對顯示，膨脹機內的工作機理和流動狀態與仿真吻合的很好。它能夠解釋想節流、腔室回填及間隙泄露等現象。此外，流量在整體上與實驗獲得非常大的一致性。
大多數情況下，CFD很容易允許對變化的間隙或者變化的工況點進行分析。關于進一步的研究，準確建立泄露源（即所有間隙真實的模型）應該特別關注，因為這回嚴重影響到機械運行過程中的特征。
展開 超大號電池——壓縮空氣儲能技術的“前世今生”
圖2 太陽能熱化學儲能系統
圖3 抽水蓄能系統
壓縮空氣儲能系統
壓縮空氣儲能系統是以高壓空氣壓力能作為能量儲存形式，并在需要時通過高壓空氣膨脹做功來發電的系統，其技術原理發展自燃氣輪機。
燃氣輪機是由高速旋轉葉輪構成的，將燃料燃燒產生的熱能直接轉換成機械功對外輸出的回轉式動力機械。由于其具有功率密度大（體積小、重量輕）、起動速度快、少用或不用冷卻水等一系列優點，從1906年世界上第一臺燃氣輪機誕生至今，燃氣輪機技術已經進入航空、航海、電力、工業壓縮輸送等領域并得到了迅速的發展。
圖4 燃氣輪機技術在航空等領域的應用
現代燃氣輪機由壓縮機、燃燒室和膨脹機組成，壓縮機和膨脹機均為高速旋轉的葉輪機械，是氣流能量與機械功之間相互轉換的關鍵部件。其基本工作過程為環境空氣被壓縮機壓縮到高壓，然后壓縮空氣和燃料流入燃燒室進行燃燒，產生高壓高溫氣流，在膨脹機內膨脹產生軸功。
圖5 燃氣輪機組成及工作過程
由于壓縮機和膨脹機安裝在一根軸上，壓縮機消耗的能量由膨脹機提供（壓縮機是為了提升工質壓力，便于膨脹機做功），如果壓縮機和膨脹機安裝在不同的軸上，則壓縮過程和膨脹過程可以分開，這就形成了壓縮空氣儲能技術(壓縮空氣儲能系統)的基本雛形。
儲能時段，壓縮空氣儲能系統利用風/光電或低谷電能帶動壓縮機，將電能轉化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲于報廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或者人造的儲氣罐中；釋能時段，通過放出高壓空氣推動膨脹機，將存儲的空氣壓力能再次轉化為機械能或者電能。
壓縮空氣儲能系統與燃氣輪機的不同之處在于燃氣輪機的壓縮機和膨脹機是同時處于工作狀態，而壓縮空氣儲能系統中的壓縮過程和膨脹過程卻是分時進行工作。
圖6 壓縮空氣儲能系統
那么壓縮空氣能儲存多少能量呢？
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消聲塔還可以與壓縮機系統放空合二為一，空壓機增壓機降噪（按照空壓機量計算），通入消聲塔，以及純化系統泄壓空氣，增壓機打回流，泄放部分。
膨脹制冷系統
膨脹機一般有三種，即低壓膨脹機，中壓膨脹機和液體膨脹機。
對于一定類型的氣體膨脹機來說，工質體積流量越大，效率越高。一般流量8000Nm3以上的低壓膨脹機效率為85∽88%，流量小于3000∽8000Nm3效率會低至70∽80%。
中壓膨脹機一般采用一臺進口一臺國產（備用）。氣量8000Nm3/h以上進口膨脹機效率82∽91%（增壓端少4個點）；國產膨脹機效率78∽87%（增壓端少5個點）。
膨脹機啟動前需要先吹掃（除去管系雜質，膨脹機蝸殼內雜質），再通密封氣（正常時由增壓端提供），然后進行油系統外循環，內循環，做完聯鎖測試然后方能啟動，冷試合格后冷緊；冷啟動需要啟動油箱加熱器，正常運行后不需要，此時軸承的冷熱已經平衡。
液體膨脹機本質是利用高壓液體的壓力頭來進行水力做功（同時液體焓值降低，但是與氣體相比，相差甚遠），一般4萬等級以上內壓縮空分設備均可用液體膨脹機代替高壓液空節流閥。它的優勢為利用液體膨脹機制冷和膨脹功發電達到節能目的，一般可實現節能2%左右，但是其投資達千萬元。
精餾塔系統
下塔1.5∽5萬等級采用篩板塔較多，環流塔板在1.5萬等級以下直徑塔較有優勢（液體流程較對流長，但是制造復雜），對流3萬等級以下應用較多，1.5萬等級以上較占優勢，四溢流在3萬等級以上大塔較占優勢，填料塔能耗較低，不過下塔高度要增加5米左右。
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消聲塔還可以與壓縮機系統放空合二為一，空壓機增壓機降噪（按照空壓機量計算），通入消聲塔，以及純化系統泄壓空氣，增壓機打回流，泄放部分。
膨脹制冷系統
膨脹機一般有三種，即低壓膨脹機，中壓膨脹機和液體膨脹機。
對于一定類型的氣體膨脹機來說，工質體積流量越大，效率越高。一般流量8000Nm3以上的低壓膨脹機效率為85∽88%，流量小于3000∽8000Nm3效率會低至70∽80%。
中壓膨脹機一般采用一臺進口一臺國產（備用）。氣量8000Nm3/h以上進口膨脹機效率82∽91%（增壓端少4個點）；國產膨脹機效率78∽87%（增壓端少5個點）。
膨脹機啟動前需要先吹掃（除去管系雜質，膨脹機蝸殼內雜質），再通密封氣（正常時由增壓端提供），然后進行油系統外循環，內循環，做完聯鎖測試然后方能啟動，冷試合格后冷緊；冷啟動需要啟動油箱加熱器，正常運行后不需要，此時軸承的冷熱已經平衡。
液體膨脹機本質是利用高壓液體的壓力頭來進行水力做功（同時液體焓值降低，但是與氣體相比，相差甚遠），一般4萬等級以上內壓縮空分設備均可用液體膨脹機代替高壓液空節流閥。它的優勢為利用液體膨脹機制冷和膨脹功發電達到節能目的，一般可實現節能2%左右，但是其投資達千萬元。
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空分設備和系統這篇文章講全了
消聲塔還可以與壓縮機系統放空合二為一，空壓機增壓機降噪（按照空壓機量計算），通入消聲塔，以及純化系統泄壓空氣，增壓機打回流，泄放部分。
膨脹制冷系統
膨脹機一般有三種，即低壓膨脹機，中壓膨脹機和液體膨脹機。
對于一定類型的氣體膨脹機來說，工質體積流量越大，效率越高。一般流量8000Nm3以上的低壓膨脹機效率為85∽88%，流量小于3000∽8000Nm3效率會低至70∽80%。
中壓膨脹機一般采用一臺進口一臺國產（備用）。氣量8000Nm3/h以上進口膨脹機效率82∽91%（增壓端少4個點）；國產膨脹機效率78∽87%（增壓端少5個點）。
膨脹機啟動前需要先吹掃（除去管系雜質，膨脹機蝸殼內雜質），再通密封氣（正常時由增壓端提供），然后進行油系統外循環，內循環，做完聯鎖測試然后方能啟動，冷試合格后冷緊；冷啟動需要啟動油箱加熱器，正常運行后不需要，此時軸承的冷熱已經平衡。
液體膨脹機本質是利用高壓液體的壓力頭來進行水力做功（同時液體焓值降低，但是與氣體相比，相差甚遠），一般4萬等級以上內壓縮空分設備均可用液體膨脹機代替高壓液空節流閥。它的優勢為利用液體膨脹機制冷和膨脹功發電達到節能目的，一般可實現節能2%左右，但是其投資達千萬元。
展開 有機廢氣治理泠凝工藝
2 冷凝式油氣回收設備采用多級復疊或自復疊制冷技術，系統流程雖然相對復雜，但其關鍵部件壓縮機和節流機構已全部實現本土化生產，投資和運行成本較低。
根據換熱管工作原理可分為制冷劑回路和氣體回路部分，換熱管連接兩部。在氣體循環部分，低溫冷媒在換熱器中和熱的有機溶劑混合氣體進行熱交換，有機溶劑液化后回收，制冷劑流入儲液罐。
制冷劑回路，壓縮機將制冷劑壓縮成高溫高壓氣態制冷劑，通過風冷冷凝器液化，通過干燥過濾器，在冷媒-制冷劑熱交換器中冷的液態制冷劑與冷媒進行熱交換，低溫冷媒進入儲液罐，制冷劑通過吸入過濾器進入壓縮機入口，完成整個的制冷劑冷媒換熱過程。
3 冷凝工藝的影響因素
冷凝分離法回收輕烴要對原料氣體冷卻降溫。根據原理可分為節流膨脹制冷，膨脹機膨脹制冷。根據工藝可分為制冷劑制冷（如丙烷制冷），節流膨脹制冷，膨脹機膨脹制冷，混合制冷（在膨脹機膨脹制冷或工藝流體自身節流膨脹制冷的基礎上外加冷劑制冷）。
分離方法包括精餾系統精餾分離，分離器相平衡分離。這個過程一般包括脫水、增壓（低壓力氣體）、精餾和制冷。以上冷凝工藝的各個部分的選擇都會影響最終的冷凝效果。
4 冷凝工藝優缺點
優點：
冷凝法是利用物質沸點的不同回收，適合沸點較高的有機物，該方法具有回收純度高、設備工藝簡單、能耗低的優點；并有設備緊湊、占用空間小、自動化程度高、維護方便、安全性好、輸出為液態油可直接利用等優點；
缺點：
單一冷凝法要達標需要降到很低的溫度，耗電量巨大，不是真正意義上的“節能減排”。
展開 乙烯裝置出現偏離正常運行參數時，該如何操作進行調整？
脫甲烷塔操作中，塔頂壓力也是膨脹機入口壓力。壓力高會造成甲烷對乙烯的相對揮發度降低，塔釜甲烷含量升高，致使乙烯產品不合格。壓力低會使塔頂甲烷中乙烯含量較高，乙烯損失加大，同時塔壓的波動還會影響膨脹機的穩定操作。
預脫甲烷塔靈敏板溫度過高，容易造成塔頂碳三超標；靈敏板溫度偏低容易造成塔釜甲烷超標，最終造成乙烯產品不合格。脫甲烷塔靈敏板溫度過高，容易造成塔頂碳二損失超標；靈敏板溫度偏低容易造成塔釜甲烷超標，造成乙烯產品不合格。兩個塔的靈敏板溫度溫度偏低時需要加大丙烯的加熱量，溫度偏高時需要減小丙烯的加熱量。
在正常操作中，易出現一些影響因素使脫甲烷塔的操作偏離正常運行參數。具體影響因素和調整方法如下：
a) 根據塔壓的升高或降低來調整塔頂冷凝器液位。
b) 裝置負荷降低將造成塔壓低。此時應考慮停止膨脹機的運行。
c) 塔壓快速升高。可能造成的原因是膨脹機轉速突然降低、塔頂冷凝器液面過低或是靈敏板溫度過高。此時的通常調整方法是調整膨脹機的壓控閥提高轉速、手動控制冷凝器的液面以穩定液位或排放冷凝器頂部的不凝氣。
d) 塔壓快速降低。可能造成的原因是膨脹機轉速過高或是冷凝器液面過高。此時的通常調整方法是調整膨脹機的壓控閥降低轉速、手動控制冷凝器的液面以穩定液位或現場檢查調節閥是否出現故障。
4
脫乙烷塔
脫乙烷塔的正常壓力控制通過塔頂壓力控制“A”閥調節冷凝器的冷劑量來實現，塔頂回流罐頂部設置壓力控制“B”閥，超壓時放火炬。“A”閥和“B”閥分程控制。此外，回流罐頂部設置了流量調節閥，將多余的不凝氣排至裂解氣壓縮機系統以防超壓。
展開 《德國應化》理化所江雷院士、青島大學隨欣/范汶鑫/隋坤艷：抗膨脹梯度聚電解質水凝膠膜作為高性能滲透能發電機
這項工作從根本上為首次從膜和發電機裝置的角度設計具有所需能量轉換性能的 RED 發電機裝置提供了理論和實踐指導。
參考文獻：
doi.org/10.1002/anie.202108549
【專業知識】什么是空氣軸承，跟空氣有關系嗎？與普通軸承有啥區別
目前氣體軸承可用于紡織機械、電纜機械、儀表機床、陀螺儀、高速離心分離機、牙鉆、低溫運轉的制冷機、氫膨脹機和高溫運轉的氣體循環器等。
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容積式旋轉機械前處理網格劃分工具TwinMesh應用介紹
TwinMesh是針對容積式旋轉機械內部流動仿真的網格生成工具，該工具可自動生成高質量的六面體網格，與ANSYS CFX求解器結合，可以對齒輪泵、羅茨泵、擺線泵、雙螺桿式壓縮機/膨脹機/泵、偏心螺桿泵、渦旋壓縮機/膨脹機、汪克爾轉子發動機、滑片泵等容積式流體機械實現其內部流場的CFD仿真。
TwinMesh網格應用的各類模板
首先我們來看一下TwinMesh和ANSYS CFX是如何協作來完成容積式旋轉機械的流動仿真問題。
前處理中，轉子部分的六面體網格由TwinMesh創建，非轉子部件可由ANSYS Meshing /ICEM CFD等模塊生成網格，在TwinMesh中可一鍵生成CFX的求解def文件進行計算。
TwinMesh網格劃分的一般設置流程（以雙螺桿式為例）：
導入轉子型線幾何
生成轉子對嚙合交界面
設定網格尺寸
生成某一轉子位置的網格
檢查網格質量
生成和輸出網格
TwinMesh部分類型網格生成效果
TwinMesh作為一款針對容積式旋轉機械的快速六面體網格生成工具，應用范圍廣，幾乎涉及到了所有類型的容積式旋轉機械產品。與ANSYS CFX求解器的無縫連接使得工程師能夠快速、準確地對該類產品實現CFD仿真，同時借助于ANSYS仿真平臺可進一步實現多物理場的耦合，有助于產品設計質量進一步提升和完善。
展開 高速葉輪機械離心力失效分析UMAT技術
<p>在高端能源動力領域，葉輪機械是心臟中的心臟，它們承擔著能量轉換的重任，沒有他們就沒有大飛機的航空發動機，也沒有我們055大驅燃氣輪機。尤其在能源領域，火力發電所使用的汽輪機，壓縮空氣儲能系統的膨脹機都是的大尺寸的高速葉輪機組，負責幾百兆瓦的能量輸出。
『分享』主動電磁軸承轉子系統振動模態的分析研究
摘要：概要介紹了電磁軸承支承下多質點柔性轉子振動模態計算分析方法，對一套低溫制氧高速透平膨脹機的電
磁軸承轉子系統的振動模態進行了分析，闡述了電磁軸承轉子系統振動模態與傳統油膜軸承轉子系統振動模態的
不同之處，指出了振動模態分析對電磁軸承系統傳感器安裝位置設計的重要性，及傳感器安裝位置的設計原則。
關鍵詞：電磁軸承轉子系統；轉子動力學；臨界轉速；振動模態；傳感器
主動電磁軸承轉子系統振動模態的分析研究.pdf
渦旋壓縮機切向泄漏瞬態流場特性
楊驊等通過近幾年在渦旋壓縮機泄漏方面的研究做了綜述性闡述并對比了噴管泄漏模型、范諾留模型、純氣體二維N-S模型、兩相流泄漏模型等的優缺點，進行了比較全面的總結，提出了渦旋壓縮機泄漏模型未來的研究思路。劉國平等、李超等運用有限元分析軟件中的動網格技術和選用RNG
k-
湍流模型對渦旋壓縮機流場進行三維數值模擬，得到了各壓縮腔隨時間周期性變化的流場、溫度場分布規律。Liu等采用有限元分析軟件對壓縮空氣儲能用渦旋膨脹機的工作過程進行了數值模擬，研究了渦旋膨脹機非穩態工作時性能的影響規律以及渦旋膨脹機不同進氣溫度對工作腔內流場的分布特性，該研究對壓縮空氣儲能用渦旋壓縮機流場特性的研究具有重要意義。
上述學者采用數值模擬的方法對渦旋機械工作腔內瞬態流場和溫度場進行研究，獲得了腔內流場和溫度場分布特點等流場信息，但是并未完整反映徑向間隙對工作腔內瞬態流場和溫度場的變化特性。且多采用非結構網格，通過網格拉伸和網格重構劃分動網格區域，導致動、靜渦旋盤的徑向間隙設置往往大于0.1 mm，與實際模型相比誤差較大，不符合實際且計算速度慢。
本文建立了渦旋壓縮機三維非穩態CFD數值模型，整體采用結構化網格劃分渦旋盤流體區域，研究了徑向間隙對腔內流場和溫度場的影響規律，分析總結了進出口流量、嚙合間隙處泄漏氣體速度和溫度的分布規律以及動、靜渦旋齒嚙合過程中工作腔壓力、速度、溫度分布不均勻原因。
展開 SoftInWay與其資深合作伙伴ANAX Power的訪談交流對話
ANAX Power是一家清潔能源發電公司，它們和SoftInWay合作，設計研發透平膨脹機，使用天然氣作為工質，不進行燃燒的情況下，進行電力生產。
希望本次視頻對話內容能給國內的工程師伙伴提供新的思路和啟發，為中國清潔能源的發展添磚加瓦。
ANAX官網：https://www.anaxpower.com/
SoftInWay中文網站：https://www.softinway.com/cn/
聯系我們：china@softinway.com
看3D打印組合室壁和熱交換器如何適用于斯特林發動機
制造的零件包括用于微型燃氣輪機的熱交換器、渦輪機械和燃燒部件，還包括那些用于燃料電池的相變換熱器和綜合廢熱回收系統，以及用于高效內燃機散熱的部件。本期，3D科學谷通過HiETA最近所獲得通過的專利《Combined Chamber Wall and Heat Exchanger》 （組合室壁和熱交換器 ）來與谷友深入了解HiETA的熱交換器開發的更多細節。
圖片：裝配HiETA的MiTRE的 Delta Motorsport汽車發動機，來源：TCT
熱交換器對發動機的重要性
傳統上，熱交換產品通常由焊接在一起的薄片材料制成。設計的復雜性使得生產具有挑戰性并且耗時，而且用于焊接工藝的材料增加了部件的整體重量。
采用傳統的制造方法無法經濟有效的減少低壓燃燒氣體和高壓充氣氣體之間存在嚴重的傳熱不平衡。
根據之前的專利WO-A-2006/064202和WO-A-2008/047096，這其中介紹了熱交換器問題的部分解決方案，公開了基于粉末的增材制造方法，通過SLM選區金屬熔化3D打印技術可以制造緊湊的熱交換器。SLM選區金屬熔化3D打印技術允許制造具有更高表面/體積比的更緊湊的熱交換器，
另一個潛在的解決方案是基于商用渦旋壓縮機技術的Brayton循環熱力發動機。根據專利WO-A-2003/069130，這項專利公開了這樣一種熱力發動機，其主要機械部件是冷渦旋壓縮機和熱渦旋膨脹機，每個熱渦旋壓縮機通常包括殼體、固定渦旋和繞動渦旋，以及相關的閥、管道、軸承和其他組件。
WO-A-2003/069130專利還公開了一種翅片形式的加熱表面，加熱室設置在渦旋殼體的外圓周上。
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