一、概述

螺杆膨胀机是依靠气体体积膨胀，驱动螺杆转子旋转，将热能转换为机械能的一种热机。螺杆膨胀机技术的开发符合“低碳经济”的大趋势，是实现节能减排、必将在21世纪获得长足发展的一种新兴动力机械，有广阔的前景，可广泛应用于工业余热回收、地热发电、生物质发电等领域，可直接驱动发电机，也可直接拖动泵、风机等机械设备。

 其结构与双螺杆压缩机基本相同，并按气体压缩的逆原理工作。主要由一对互相啮合的螺杆转子和机壳组成，转子与转子、转子与机壳之间以间隙密封，形成容积可连续变化的工作腔，含有热量的气态工质进入工作腔绝热膨胀，驱动转子旋转做功，膨胀做功的同时，工质的压力和温度降低，以此实现热功转换。

二、分类

按低品位热源是否直接驱动螺杆膨胀机做功，可以将螺杆膨胀机发电系统分为常规循环系统与有机朗肯循环系统。

1、常规循环系统  又称单循环系统，是将含热流体直接引入螺杆膨胀机主机，由其推动主机膨胀作功，该类型系统较为简单，适用于高温高压流体的能量回收。受膨胀能力限制，直接驱动螺杆膨胀动力机的热源应用范围为低于300℃的0.15～3.0MPa的蒸汽或压力0.8MPa以上、高于170℃的热水等。

2、有机朗肯循环系统（ORC） 又称双循环系统，是将工质与含热流体进行热交换之后，将气态的工质引入螺杆膨胀机主机，推动主机膨胀作功。对小于的0.1MPa的蒸汽或压力0.8MPa以下、高于85℃的热水可以采用二次循环有机工质螺杆膨胀机系统进行余热回收。而对200度以上的烟气可采用配余热锅炉的螺杆膨胀机组进行余热回收。

三、工作原理

螺杆膨胀机主机主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等极少的零件组成，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地臵于气缸中。螺杆膨胀机主机是按照螺杆压缩机的逆原理来工作的，其基本结构和螺杆压缩机相同，工作过程相反，螺杆转子可用现有的螺杆压缩机的生产技术来进行生产，但其制造工艺和控制系统要比螺杆压缩机复杂的多。

                                           图1、螺杆膨胀机主机示意图

    图2、螺杆膨胀机主机实物图

    图3、螺杆膨胀机工作原理示意图

    图4、螺杆膨胀机工作过程P-V图

     螺杆膨胀机的工作周期由齿间容积中的吸气、膨胀和排气三个过程组成。

    1、吸气过程：有机工质从进气管中流入齿间容积A（如上图左图），吸气结束时，齿间容积A就形成了一个由转子和机壳共同围成的密闭空间；

 2、膨胀过程：齿间容积A中的高温高压有机工质在齿间容积中有膨胀的力并对转子施加一个转矩，推动螺杆转动，随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐渐加长、容积增大，压力和温度下降，当气体移到位置D时，膨胀过程结束，这时螺杆齿间容积达到最大；

 3、排气过程：有机工质随着转子的不断旋转，通过与齿间容积接通的排气口排出。完成整个膨胀过程。从膨胀的始点到终点，随着膨胀过程的进行，其中气体的压力、温度和焓值（蒸汽具有的做功能力）下降，比容和熵值增加，气体的内能转化为机械能对外做功。上述的气体吸气、膨胀、排气三个过程不断循环重复，并不断对外做功。

四、主机内效率

 一般用实际焓值降低与理想膨胀过程焓值降低（等熵焓降）的比值来衡量螺杆膨胀机主机的效率，称为等熵效率或内效率。螺杆膨胀机的内效率与主机型线设计、加工精度、工质、工作状态稳定性等密切相关，目前螺杆膨胀机主机的等熵效率（又称内效率）一般可达65%-75%，而开山股份朗肯循环螺杆膨胀发电机主机在一定条件下的等熵效率可高达85%以上。

   五、性能特点：

 1、优点  与同类型汽轮机相比，有以下不可比拟的优点

 （1）、适用范围广。适用过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相、热水；余热烟气、废气等。

   （2）、结构简单。主要部件是正反两根螺杆和外壳，安装维修容易。

 （3）、除机械密封外，无其它磨损件，螺杆转速不高，机组寿命长，维护费用低，安全可靠。

   （4）、对汽水品质要求不高，有自洁能力。

   （5）、变工况能力十分优越。从120%~10%负荷变化波动的前提下，不仅运行可靠，而且高效平稳。

   （6）、维护费用和使用技术门槛很低，是小型汽轮机的替代产品。

   （7）、采用新型微机调速控制装置，机组启动和带负荷很简单，正常运行可实现全自动无人值班。

 2、缺点：

 （1）、造价贵。由于需要很小的工作间隙（可达微米级），螺杆转子齿面是一空间曲面，转子与转子、转子与机壳之间需要很高的配合精度，需用特制的刀具在价格昂贵的专用设备上进行加工，相应的轴承、齿轮、轴封也都需要很高的精度。

 （2）、受转子刚度、轴承寿命等限制，螺杆膨胀机只能适用于中、低压范围，承压一般不超过3MPa、温度不超过300℃。