4、工作原理：
透平膨胀机是一种高速旋转的热力机械，它是利用工质流动时速度的变化来进行能量转换的，因此也称为速度型的膨胀机。它由膨胀机通流部分，制动器及机体三部分组成。
工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀机获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。透平膨胀机主机剖面示意如图：
膨胀机工质由进气管进入蜗壳，被均匀的分配进入喷嘴，经过喷嘴膨胀，降低了压力和温度后进入工作轮，在工作轮中工质进一步膨胀做功然后经由扩压器排入膨胀机的出口管道，而膨胀功则由工作轮相连的主轴向外输出。由膨胀机主轴输出的能量可被用于驱动1台压缩机或1台发电机，如果输出的能量较小，则可用风机或由制动器来平衡能量，以使透平膨胀机有一个稳定的运行条件。
各参数在膨胀机通流部分的变化趋势，如图示：
5、膨胀机的通流部分
膨胀机通过流体部分是指膨胀机在整个膨胀过程中所流经的部分，如图所示，是工质进行能量转换的主要部件。膨胀工质在通流部分膨胀降温，同时将内能转换成外功输出。
① 气体在蜗壳中的流动
进入蜗壳的介质速度较小，且蜗壳一般设计成无能量转换型，只是将流体均匀地分配并导入喷嘴环，起导向作用。故保证蜗壳内出口介质的轴对称流动是蜗壳形式的基本设计条件。圆形和矩形截面蜗壳使用的比较多，其他形式还有梯形、三角形截面等。 ② 气体在喷嘴中的流动
喷嘴是由1组喷嘴叶片均匀分布而成的1组叶珊。在透平膨胀机中为了使工作轮能有效的获得尽可能大的动量矩，喷嘴总是按圆周分布，并且有一定的倾斜角。气体在喷嘴中完成的能量传换约占总量的50%左右，它是透平膨胀机的主要部件之一。
从结构上看喷嘴由三部分组成：进口段、主体段和出口段。. 进口段是把从蜗壳出来的气体导入喷嘴主体，在进口段去留速度
较小，能量转换很少。
主体段是气体膨胀的主要部分，根据膨胀比的大小可以使收缩型通道，也可以是缩—放型通道。
出口段是由出口正截面，单侧的叶型面和出口圆弧面组成的一个近似三角形的部分。实质上它是一段不完善的喷嘴流道，常称为斜切口。斜切口的形状将影响从喷嘴主体段出来气流的大小和方向。 a. 速度系数
气体在喷嘴内的实际流动过程不是等熵过程，流动损失是不可避免的，不仅有气体和壁面的摩擦，还有气流内部相互间的摩擦，这就引起了气流内部的能量交换。
气流的实际出口速度C1理想的出口温度C1s,动能转换成热量而使焓降减少。对于透平膨胀机来说，实际焓降的减少就意味着制冷量的减少。这一损失通常用速度系数φ来反应。
即φ=C1/C1s,
速度系数φ是一个综合性的经验损失系数，它的影响因素很多，如喷嘴的结构尺寸，叶片形状，加工质量和气流参数等。对于现代大中型透平膨胀机来说，透平系数φ一般在0.92-0.98之间。 b. 喉部和临界截面
曲连续性方程的动量方程可以得到一元稳定等熵流动方程式;
K-1??mP非K?P???P?K? ??2??1-????fZ0RT0K-1?P0??P0???2K
对于某一工质，在稳定流动时，m,Po,Zo,To,R都是常数，式中表述了流道面积f与膨胀过程中压力P的关系。流量密度m/f和压力比P/Po的变化关系如图：
m/f (m/f)max
P*/Po 1 P/Po 流量密度和压力比关系
从式中看，当P/Po=0和P/Po=1时，m/f=0；当0＜P/Pa＜1时，m/f总大于0.很明显在这当中存在1个值P/Po=P*/Po使所对应的流量密度达到最大值 (m/f)max。也就是说，当m不变时，流道截面积f达到最小值。
通常把喷嘴流道的最小截面称为喉部截面，而把当地气流速度等于该地音速的那个截面积称为临界截面。有计算可知，在不考虑损失等熵流动时，出现最大流量密度时的截面(喉部截面)与临界截面相重合。但流动过程存在摩擦，使喉部截面上的气流实际速度小于当地音速，即该截面与临界截面不重合。也就是说存有摩擦的绝热流动中，膨胀比减小了，且临界截面出现在喉部截面之后。 c. 斜切口膨胀
所谓斜切口是指喷嘴叶片由于斜放置，而在出口部存在着一段不完善的喷嘴流道。它对于气流的大小和方向有着重要的影响，必须加以考虑。
气体在喷嘴的斜切口发生的附加膨胀如图，虽然斜切口一边有限流壁面，而另一边是敞开的。当喷嘴前后压力比大于临界压力比时，气体在斜切口不发生附加膨胀。但喷嘴压力小于临界压力比时，则在收缩型喷嘴的斜切口中，气流还将出现附加膨胀而加速，气流朝敞开边偏离ε角。这时喷嘴斜边口出口气角α1，等于喷嘴流道中中心线切斜角α11与偏离角ε之和即：
α1=α11+ε d. 在变负荷下的工作
在空分设备实际运行中，很少有膨胀机运行在设计工况下，产量有时经常需要调节。在空分设备启动过程也是如此，膨胀机往往在偏离设计工况下运行。
分析由b式中可以看出，流量与喷嘴出口截面积及进口压力成正比，与进口温度的平方根成反比。而空分设备运行中透平膨胀机的进口压力往往变化不大，所以只有增大喷嘴出口截面积和降低进口温度来增加流量。在低温装置启动过程中，膨胀机进口气温度高于设计工况，因此在启动过程中透平膨胀机的流量比设计工况要小，这延长了整个装置的启动时间。而进口温度只能随装置温度慢慢下降。为了弥补这一缺陷，使低温装置较快的达到设计工况，只有采取增大喷嘴出口面积来提高流量，从而增加制冷量的措施。
