汽轮机课程设计报告书--透平机械原理课程设计.docx

军工路男子职业技术学院课程设计报告书 课 程 名 称： 透平机械原理课程设计 院（系、部、中心）：能源与动力工程学院 专 业：能源与动力工程 班 级： 2013级 姓 名： 学 号： 起 止 日 期：2016.12.19-2017.1.6 指 导 教 师： 前 言我校研究的透平机械主要是是以水蒸汽为工质的旋转式动力机械，即汽轮机，常用于火力发电。汽轮机通常与锅炉、凝汽器、水泵等一些列的设备、装置配合使用，将燃煤热能通过转化为高品质电能。与其它原动机相比，汽轮机机具有单机功率大、效率高、运转平稳和使用寿命长等优点，但电站汽轮机在体积方面较为庞大。 汽轮机的主要用途是作为发动机的原动机。与常规活塞式内燃机相比，其具有输出功率稳定、功率大等特点。在使用化石燃料的现代常规火力发电厂、核电站及地热发电站中，都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组，这种汽轮机具有转速一定的特点。汽轮机在一定条件下还可变转速运行，例如驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，我国第一艘航母“辽宁号”就是以汽轮为原动机。汽轮机的排汽或中间抽气还可以用来满足工业生产（卷烟厂、纺织厂）和生活（北方冬季供暖、宾馆供应热水）上的供热需要。在生产过程中有余能、余热的工厂企业中，还可以用各种类型的工业汽轮机（包括发电、热电联供、驱动动力用），使用不同品位的热能，使热能得以合理且有效地利用。 汽轮机与锅炉（或其他蒸汽发生装置，比如核岛）、发电机（或其他被驱动机械，比如泵、螺旋桨等）、 凝汽器、加热器、泵等机械设备组成成套装置，协同工作。具有一定温度和压力的蒸汽可来自锅炉或其他汽源，经主汽阀和调节汽阀进入汽轮机内，依次流过一系列环形安装的喷嘴栅（或静叶栅）和动叶栅而膨胀做功，将其热能转换成推动汽轮机转子旋转的机械功，通过联轴器驱动其他机械，如发电机。膨胀做功后的蒸汽由汽轮机的排汽部分排出。在火电厂中，其排气通常被引入凝汽器，向冷却水或空气放热而凝结，凝结水再经泵输送至加热器中加热后作为锅炉给水，循环工作。 目 录前 言2目 录3一、课程设计任务书51.1 设计题目51.2 已知参数51.3 任务与要求5二、汽轮机近似热力过程线的拟定及汽轮发电机组经济指标的初算62.1 汽轮机近似热力过程线的拟定62.1.1 进汽压力损失的初步估计62.1.2 选取机组的相对内效率、发电效率和机械效率62.1.3 近似热力过程曲线的初步拟定62.2 汽轮机总蒸汽量D0的估算62.3 汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算72.4 整机相对内效率7三、焓降分配与级数确定83.1 第一级平均直径的估计8四、级的热力设计94.1 调节级选型94.2 调节级热力参数的选择94.3 调节级详细热力计算94.4其它压力级的详细计算11五、整机热力性能校核135.1 功率校核135.2 相对内效率校核13六、转子临界转速强度校核146.1 转子临界转速计算146.2 叶片强度校核146.3 叶根强度校核156.4 轮缘强度计算16七、轴封漏气量计算187.1 高压端轴封漏汽187.2 低压端轴封漏汽18八、整机热力过程线和压力级速度三角形汇总208.1整机热力过程线208.2压力级速度三角形汇总21九、热力计算数据汇总表22十、各级叶片型号及参数汇总23参考文献24一、课程设计任务书1.1 设计题目 冲动式机轮机通流部分热力设计1.2 已知参数 额定功率：Pe=350kw 额定转速：n=10000r/min 进汽压力：P0=2.45MPa 进气温度：t0=3900c 排汽压力：Pc=0.50MPa 1.3 任务与要求 汽轮机近似热力过程线的拟定及汽轮发电机组经济指标的初算 1 汽轮机热力过程线的拟定 ； 2 汽轮机总蒸汽量D0的估算 ； 3 汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算 调节级的热力设计 ；1调节级选型；2调节级热力参数的选择；3调节级详细热力计算; 3 整机热力性能校核 4 整机热力过程线和压力级速度三角形汇总 5 热力计算数据汇总表 6 设计小结二、汽轮机近似热力过程线的拟定及汽轮发电机组经济指标的初算2.1 汽轮机近似热力过程线的拟定2.1.1 进汽压力损失的初步估计进汽节流损失： P=0.05*P0=0.1225MPa进汽前压力： P1=P0-P=2.3275MPa2.1.2 选取机组的相对内效率、发电效率和机械效率 由于汽轮发电机组的额定功率：Pr=350kw ,所以取汽轮机相对内效率: ri=0.73，发电机效率g=0.970 (全负荷)，机械效率m=0.9872.1.3 近似热力过程曲线的初步拟定由P0=2.45MPa，t0=3900c，确定初始状态点“0”，查表知 h0=3216.88kJ/kg, s0=6.7kJ/(kg.K)节流后 h1=h0=3216.88kJ/kg, P1=2.3275MPa确定点“1”。过“0”点做定熵线与Pc=0.50MPa的定压线交于“z”点，查表知 hzt=2827.37kJ/kg, tzt=187.2470c整机理想焓降 ht*=h0-hzt=389.51kJ/kg整机有效焓降 hi*=riht*=280.45kJ/kg从而确定“z”点的比焓为 Hz*=h0-hi*=2936.43kJ/kg然后过“z”作等焓线交过“z”的等压线于点2，过“1”、“2”点作光滑曲线即为汽轮机的近似热力过程线 2.2 汽轮机总蒸汽量D0的估算由额定功率Pe、有效焓降hi*、机械效率m、发电机效率g，得总蒸汽量D0为 D0=4.69t/h2.3 汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算发电机组汽耗率d0为 d0=13.4kg/(kW.h)发电机组热耗率q0为 q0=d0hi*=3758.03kJ/(kW.h)2.4 整机相对内效率整机相对内效率ri为 ri=0.73三、焓降分配与级数确定3.1 第一级平均直径的估计 假设第一级理想等熵焓降为h1*=250kJ/kg，1=14.50假想速度 Ca=707.11m/s取假想速比 Xa=0.242由 u=XaCa=dm1n/60得节圆直径dm1=0.327m，根据式 G=dm1l1eCasin1/1得叶高l1=0.019m根据同样的方法，假设末级等熵焓降hz*=74.51kJ/kg,假设末级1=11.20计算出末级参数 dmz=0.380m ,lz=0.036m假设汽轮机分为3 级，具体形式为一列双列复数级和两列压力级，双列复速级部分进汽度e=0.23，各级理想焓降分别为：h1*=250kJ/kg、h2*=65kJ/kg、h3*=74.51kJ/kg各节圆直径分别为： dm1=0.327m、dm2=0.353m、dm3=0.380m各级理想焓降与各节圆直径沿级数方向变化趋势见图2-1、2-2： 图2-1 各级理想焓降沿级数方向变化趋势 图2-2 各节圆直径沿级数方向变化趋势四、级的热力设计4.1 调节级选型 由于整机绝热焓降较大，整机级的设计选择调节级加压力级的形式。由于双列复速级具有可以承担较大焓降这一优点，故调节级确定为双列复速级。4.2 调节级热力参数的选择 调节级承担绝热焓降h1s为 h1s=250kJ/kg 调节级进口参数 h1=3216.88kJ/kg， P1=2.3275MPa 查表可知 s1=7.023kJ/(kg.K)， 1=0.12765m3/kg 其它已知参数：喷嘴速度系数=0.947，动叶一速度系数=0.91，导叶速度系数=0.94，动叶二速度系数=0.97 第一列动叶反动度1=0.02，导叶反动度2=0.05，第二列动叶反动度3=0.02，总反动度=0.09.4.3 调节级详细热力计算（以下公式均来自与汽轮机原理-王新军P38与P40页） 喷嘴理想焓降 hns=（1-）h1s=227.5kJ/kg 喷嘴速度 C1s=674.54m/s C1=C1s=638.79m/s 喷嘴能量损失 hn=（1-2）hns=23.48kJ/kg 圆周速度 u=dm1n/60=171.14m/s 相对汽流速度 w1=475.36m/s 静叶出汽角 1=actan=20.120 动叶一理想比焓降 5 kJ/kg 动叶出口气流相对速度 动叶一损失 动叶一出口绝对气流速度 动叶一出口相对气流角 0 导叶出口绝对气流速度 导叶损失 动叶二进口相对汽流速度 动叶二进口相对汽流角 动叶二理想比焓降 动叶二出口汽流相对速度 动叶二损失 动叶二出口汽流绝对速度 动叶二出汽角 余速损失 轮周有效焓降 轮周效率 叶高损失 叶轮摩擦损失、漏气损失、湿汽损失忽略不计级有效比焓降 级的相对内效率 级的内功率 4.4其它压力级的详细计算 其他各压力级计算过程与第一级相同。用EXCEL 软件计算。过程不再书写，只将各级计算的结果列于表中。表4-1 其他各压力级计算五、整机热力性能校核5.1 功率校核 汽机额定功率Pe=350kw由本说明书4.4节可知汽机实际运行功率Pr=358.07 偏差 = 汽机运行功率满足要求5.2 相对内效率校核 预估汽机相对内效率 ri=0.73 由本说明书4.4节可知汽机实际运行时相对内效率 rir=0.749 偏差 = 汽机相对内效率满足要求六、转子临界转速强度校核6.1 转子临界转速计算 转子材料选用30Cr1Mo1V，于网上找到其物性参数，具体如下所示： 转子密度 =7760kg/m3 转子弹性模量 E=192GPa 惯性矩 转子横截面积 转子一阶临界转速 转子转速低于材料允许的一阶临界转速，转子转速满足要求。6.2 叶片强度校核由于末级叶片动叶处于汽轮机工况最为恶劣的地方，故只需校核第二列压力级动叶强度。若其承受应力小于许用应力，则认为其强度达到要求。具体校核步骤如下所示：叶片选用材料：1Cr13材料密度 =7760kg/m3屈服强度 0.2t=420MPa许用应力 动叶离心拉应力 动叶在圆周方向承受的作用力 动叶在轴向方向承受的作用力 动叶气流力合力动叶底部截面弯矩查阅汽轮机设计课程参考资料-苏字叶型P156页可知动叶截面系数 动叶进出口截面应力 动叶背部截面应力 动叶进出口截面合成应力 动叶背部截面合成应力 由上述计算可知，末级动叶片承担的最大应力小于许用应力，叶片强度满足使用条件。6.3 叶根强度校核由于末级叶片动叶处于汽轮机工况最为恶劣的地方，故只需校核第二列压力级动叶叶根强度。若其承受应力小于许用应力，则认为其强度达到要求。末级承担焓降较大，叶根型式考虑使用叉型叶根。叉型叶根具体形式为双叉双铆钉。如图6-1所示。具体校核步骤如下所示：叶根底部截面到叶根I-I截面的距离 a=0.015截面I-I处的半径 i-i截面上的离心拉力 C1=5569.24N/m叶根叉数 ZH=2铆钉直径 d=0.005m每叉宽度 b=0.05叶片数目 ZH=56偏心距 E=0.0005截面I-I处叶片节距 叶根I-I截面上的离心拉应力 叶根I-I截面系数 汽流力产生的弯矩和弯应力 偏心引起的弯矩及弯应力 叶根I-I截面合成应力 叶根承受应力小于许用应力，叶根强度满足使用条件图6-1 叉形叶根6.4 轮缘强度计算 汽机末级位置处的轮缘承担了最大的应力。故只需校核末级位置处的轮缘强度即可。 截面-处的半径 R2=0.123m 截面-以上的轮缘部分的离心力 Crim= 轮缘宽度 b1=0.075m 轮周上一排铆钉数目 Zr=56 轮缘承受拉应力 轮缘承受应力小于许用应力，轮缘强度满足使用需要。七、轴封漏气量计算本汽轮机采用迷宫式轴封，平齿，如图7-1，取d=0.1m。图7-1 迷宫式轴封示意图齿间距s=0.01m；齿宽=0.001m；齿高h=0.003；颈项间隙=0.0003m（以下计算均按照王新军-汽轮机原理P106、P107有关内容进行。）7.1 高压端轴封漏汽又由知达到临界时的临界齿数为z=3假设总漏气量为 高压端漏气量 根据 可得 7.2 低压端轴封漏汽 根据 可知，达到临界时的临界齿数为z=2低压端漏气量 根据 可得 根据轴封齿数复求高压端、低压端漏气量，有 总漏气量 满足要求八、整机热力过程线和压力级速度三角形汇总8.1整机热力过程线将各关键位置处的焓值与熵值输入EXCEL中，利用EXCEL强大的计算与绘图能力得到较为真实的的热力过程线，如下图6-1所示