（动力工程及工程热物理专业论文）炊事挂车用低参数微型汽轮机开发研究.pdf

土 鼻 ， r e s e a r c ho nm i c r os t e a mt u r b i n eo fl o wp a r a m e t e r s f o rr o l l i n gk i t c h e n at h e s i ss u b m i a e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gj i a n w e i s u p e r v i s o r ：p r o f q i ux i n g q i c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 6 ， 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数掘是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本沦文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：利雌同期：力形年乡月力同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 盎邀； 指导教师签名：聋丘丝陋 同期：2 o t 年乡月罗d 同 r 期：7 d f f 年乡月歹秒r i ， 摘要 本文以低参数微型汽轮机为研究对象，对适用于炊事挂车系统的低参数微型向心汽 轮机进行了开发研究。用其将挂车系统过剩的低品味蒸汽热能转化为机械动能并最终转 化为电能，从而提高整个系统的热能利用效率，达到节能降耗的目的。 在进行低参数微型汽轮机热力气动设计计算时，论文选取压力略高于大气压为 0 11 m p a ，温度略高于饱和蒸汽为1 0 5 的低温蒸汽参数作为微汽轮机的出口蒸汽参数。 低温蒸汽具有易于液化、放热量大的特点，提高了挂车系统的传热效率，减少了蒸汽用 量。 论文应用v b 语言编制了低参数微汽轮机热力气动计算程序，并以此为工具对微汽 轮机的热力气动参数进行了优化设计，得到了适用于挂车系统的低参数微汽轮机最佳热 力气动参数设计方案。 在叶轮结构设计中论文采用二次计算法计算得出了叶轮中的应力分布规律校核了 叶轮的强度，并分别推导了离心力和气流气动力在叶片根部产生的最大弯曲应力计算公 式，验证了叶片的强度。 在进行微汽轮机的密封润滑结构设计时，本文采用了向心径流式迷宫密封和分瓣式 石墨密封环相结合的型式，简化了微汽轮机的内部结构，减轻了重量，并取得了较好的 密封效果。 关键词：低参数；微汽轮机；叶片强度；径向迷宫密封；分瓣式密封环 巳 曩 r e s e a r c ho nm i c r os t e a mt u r b i n eo fl o wp a r a m e t e r s f o rr o l l i n gk i t c h e n z h a n gj i a n - w e i ( p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i u x i n g q i a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e s i g na n di n v e s t i g a t i o no far a d i a li n f l o wm i c r os t r e a m t u r b i n eo p e r a t e di nl o wp a r a m e t e r s t h i sa p p a r a t u si su s e dt oc o n v e r tt h er e m a i n i n gs t r e a mo f l o w l e v e lt h e r m a le n e r g yp r o d u c e di nt h er o l l i n gk i t c h e ni n t oe l e c t r i c a le n e r g y , h e n c eb o o s t i n g t h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h es y s t e ma n da t t a i n i n gt h ep u r p o s eo fe n e r g ys a v i n g s d u r i n gt h ec a l c u l a t i o n so ft h e r m o d y n a m i c sa n dp n e u m a t i c sp a r a m e t e r so ft h em i c r o s t r e a mt u r b i n e t h ep r e s s u r eo ft h eo u t l e ti ss e ta to 11m p aa n dt h et e m p e r a t u r eo ft h es t r e a m i ss e ta t10 5 a st h er e l a t i v e l yl o w t e m p e r a t u r es t r e a mi se a s yt ob ec o n g e a l e da n dah u g e t h e r m a le n e r g yi sg i v e no u ti nt h i sp r o c e s s ，t h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h er o l l i n gk i t c h e ni s e n h a n c e da n dt h ea m o u n to f s t r e a mu s e di sl e s s e n e d a p r o g r a mb a s e do nv bi sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h et h e r m o d y n a m i c sa n dp n e u m a t i c s p a r a m e t e r so ft h em i c r os t r e a mt u r b i n e b a s e do nt h ep r o g r a m ，t h es t r u c t u r eo ft h et u r b i n ei s o p t i m i z e d f i n a l l yt h eo p t i m a lt h e r m o d y n a m i c sa n dp n e u m a t i c sp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ei m p e l l e ri sr e p r e s e n t e d 。w i t ht h em e t h o do ft w i c ec a l c u l a t i o n i nt h i sp a p e ra n da c c o r d i n g l yt h es t r e n g t ho fi m p e l l e ri sc h e c k e d f o r m u l a so fm a xs t r e s s r e s u l t e df r o mc e n t r i f u g a lf o r c ea n da e r o d y n a m i cf o r c ea r ed e r i v e d ，a n df i n a l l yt h es t r e n g t ho f b l a d ei sc h e c k e d i nt h ed e s i g n i n go ft h es e a l i n gs t r u c t u r ef o rt h em i c r os t r e a mt u r b i n e ，w ec o m b i n ear a d i a l i n f l o wl a b y r i n t ha n das e g m e n t a lt y p eg r a p h i t es e a l i n gr i n gt o g e t h e r t h i st y p eo fs e a l i n g s i m p l i f i e st h ei n n e rs t r u c t u r eo ft h em i c r os t e a mt u r b i n e ，d e c r e a s e si t sw e i g h ta n da c q u i r e sa p r o p e rs e a l i n ge f f e c t k e yw o r d s ：l o wp a r a m e t e r ；m i c r os t e a mt u r b i n e ；s t r e n g t ho fi m p e l l e r ；r a d i a li n f l o w l a b y r i n t h ；s e g m e n t a lr i n go fg r a p h i t e 目录 第一章绪论。1 1 1 课题背景及研究意义1 1 1 1 课题背景1 1 1 2 课题研究意义2 1 2 研究现状3 1 2 1 热力气动设计计算3 1 2 2 热力气动优化设计3 1 2 3 低参数微汽轮机研制进展5 1 3 研究内容、方法及技术路线6 1 3 1 研究内容6 1 3 2 研究方法和技术路线6 第二章微汽轮机热力气动理论- 一8 2 1 基本假设和基本方程式8 2 1 1 基本假设8 2 1 2 基本方程式8 2 2 导向装置中蒸汽流动9 2 3 叶轮流道中蒸汽流动1 1 第三章微汽轮机热力气动计算程序开发1 3 3 1 微汽轮机热力计算程序开发环境1 3 3 2 微汽轮机热力计算程序功能及布局1 3 3 2 1 程序功能1 3 3 2 2 程序布局1 4 3 3 微汽轮机热力计算程序特点1 7 3 4 小结1 8 第四章低参数微型汽轮机热力气动参数优化设计1 9 4 1 炊事挂车系统热量计算校核1 9 4 1 1 初始设计参数的确定1 9 囊 4 1 2 热量供需计算校核2 0 4 2 低参数微汽轮机热力气动参数优化设计2 2 4 2 1 导向喷嘴中热力气动计算2 2 4 2 2 叶轮流道中热力气动计算2 4 4 2 3 热力气动参数优化设计2 6 4 3 微汽轮机变工况热力气动核算3 1 4 4 小结3 3 第五章低参数微型汽轮机通流部分结构设计3 4 5 1 微汽轮机导向喷嘴结构设计3 4 5 2 微汽轮机叶轮叶型及叶轮壳尺寸设计3 6 5 2 1 叶轮尺寸设计3 6 5 2 2 叶片叶型、尺寸及叶轮壳设计3 7 5 3 微汽轮机套装叶轮装配过盈量及叶轮应力分布计算分析4 0 5 3 1 叶轮应力计算理论：4 0 5 3 2 微汽轮机叶轮装配过盈量计算4 4 5 3 3 微汽轮机叶轮工作转速下内孔径向应力计算4 7 5 3 4 微汽轮机叶轮应力分布计算4 8 5 4 微型汽轮机叶片强度校核计算5 0 5 5 小结5 2 第六章低参数微汽轮机密封及其他部件设计5 3 6 1 微汽轮机向心径流式迷宫密封设计5 3 6 1 1 迷宫密封机理5 3 6 1 2 迷宫密封选型设计5 5 6 2 微汽轮机分瓣式石墨密封环设计5 8 6 3 微汽轮机转轴设计计算6 l 6 3 1 微汽轮机轴强度校核6 1 6 3 2 微汽轮机轴临界转速的计算6 2 6 4 微汽轮机其他部件设计6 3 6 4 1 连接紧固螺栓6 3 6 4 2 微汽轮机轴承选用6 4 6 5d 、结6 4 第七章结论与展望6 5 7 1 结论6 5 7 2 不足与展望6 6 参考文献6 7 附录6 9 附录1 低参数微汽轮机热力气动设计计算程序代码6 9 附录2 叶轮设计图纸o 7 4 附录3 叶轮壳体设计图纸7 4 附录4 分瓣式石墨密封环设计图纸7 5 附录5 密封环套设计图纸：7 5 附录6 微汽轮机机体设计图纸7 6 附录7 轴设计图纸一：7 6 附录8 轴侧端盖设计图纸7 7 附录9 叶轮侧端盖设计图纸7 7 附录1 0 微汽轮机装配图纸 ：o0 7 8 致谢一7 9 v 中 毒 彳一截面面积，m 2 ； 口一轮背厚度，1 t i i t i ； 扣叶片高度，i i l l n ； c 。一等熵膨胀速度，州s ； c 一喷管中蒸汽速度，m s ； d 1 一叶轮外经，m ； d 2 _ 叶轮内经，m ； g 一质量流量，k g s ； 。一轮周功率，w ； 办一焓值，k j k g ： k 一绝热指数，无量纲； 船一转度，r p m ； p 一绝对压力，m p a ； 尺一气体常数，j ( k g k ) ； s 一熵值，k j ( k g k ) ； 丁一热力学温度，k ； l 一扭矩，n 。m ； f 一温度，； 一轮周速度，m s ； v 一蒸汽比容，m 3 k g ； w 一相对速度，m s ； x 。一级速比，无量纲； 卜轮径比，无量纲； z _ 叶片数，无量纲； z 一迷宫齿数，无量纲； 主要符号表 a l 一入口气流角，。； 口2 一出口气流角，。； 届一入口相对气流角，。； 尾一出口相对气流角，。； 万一叶片厚度，i l l n l ： 占。一临界压比，无量纲； 妒一导向装置速度系数，无量纲； 刁一系统能量利用率，无量纲； 巩一轮周效率，无量纲； _ 泊松比，无量纲； p 一蒸汽密度，k g m 3 ； 缈一角速度，r a d ； 一叶轮流道速度系数，无量纲； 卜级反动度，无量纲；， 一i 囊 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 汽轮机是一种将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械，又称蒸汽透平。可 作为发电机的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可以利 用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要【l 】。与其他动力机械相比，汽 轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能通过的流量大，因而具有转速高、 效率高、单机功率大、结构紧凑、安全可靠和环保性好等特点。 自1 8 8 3 年，瑞典工程师拉瓦尔( c a r lg u s t a vp a t r i kd el a v a l ) 解决了有关的喷嘴设 计和强度设计等较为复杂的技术问题并制成第一台具有实际应用价值的单级冲动式汽 轮机至今汽轮机技术已经有一百多年的发展历史【2 】。尤其在最近的几十年随着工业科技 水平，制造加工水平及高级计算机技术的突飞猛进及其在汽轮机领域的广泛应用使得汽 轮机的设计制造技术也得到了飞速的发展。汽轮机的设计和制造需要多个工业部门和科 学领域的合理分工和密切配合，其制造水平标志着一个国家科技和工业的实力。 汽轮机的应用已经渗透到国民经济各个领域，关系着人们的生产生活，推动了电力 和化工行业的壮大，促进了经济的发展，同时科技的不断进步也给汽轮机技术的发展带 来了新契机，使其呈现出多样化的发展形势。一方面，大型超大型汽轮机正在向高参数、 高功率、高转速、高效率、高可靠性、高寿命、高自动化控制等方向发展【3 钏。随着计 算机辅助设计，计算机辅助制造，计算机辅助工程，计算流体动力学等先进技术在设计 环节的应用使得大型超大型汽轮机产品技术逐步成熟，装机量也日趋稳定；另一方面， 小型微型汽轮机特别是向心径流式汽轮机以其结构紧凑、方便灵活、高效节能、安全可 靠、经济实用等诸多优点正越来越吸引着人们的目光。这种分散式的微型汽轮机对工质 参数要求不高，能够充分利用余热、乏汽、地热、太阳能能资源满足小型电力系统和用 户的特殊要求，因此越来越受到人们的关注与重视并开始逐渐深入人们生产生活。 某炊事挂车系统利用锅炉产生的蒸汽向蒸箱供热以蒸熟米饭，其中锅炉产生蒸汽参 数为0 2 m p a ，1 3 0 。c ，流量为3 4 k g h ，蒸箱出1 2 1 为大气压。锅炉产生的蒸汽为过热蒸汽， 过热度为1 0 。c ，蒸汽在进入蒸箱加热米饭时先转变为0 1 m p a 下的饱和蒸汽，饱和蒸汽 再部分转变为饱和水，此过程产生的焓降即为蒸汽传递给米饭的热量。由于锅炉蒸汽过 热度较高压差较大，蒸汽在进入蒸箱后流速较快停留时间较短液化率较低造成蒸箱内传 一， _ t 第一章绪论 热效率很低，同时大量的蒸汽未来得及液化便以气体的形式排出蒸箱致使蒸汽能耗损失 严重且回收困难，整个系统热效率也极为低下。 o 2 m p a1 3 0 ( 2 4 5 l 储水罐2 - 给水装置3 锅炉 4 微汽轮机5 一发电装置6 一蒸箱 。 图1 - 1 炊事挂车系统示意图 f i g l - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f r o l l i n gk i t c h e ns y s t e m 本课题以应用于某炊事挂车系统的低参数微汽轮机为研究对象，主要目的是开发研 究适用于炊事挂车系统的低参数微型汽轮机，将挂车系统多余的蒸汽热能转化为机械动 能并最终转化为电能，从而实现节能减排提高整个系统的综合热效率。加入低参数微汽 轮机后炊事挂车系统如图1 1 所示，设计要求蒸箱能在3 0 m i n 内蒸熟1 2 0 人所食用米饭， 并且要求微汽轮机体积小，重量轻，功率不小于1 0 0 w 。炊事挂车系统工作时，储水罐 中的水经过给水装置送至挂车锅炉中，水经锅炉加热转变成高温过热蒸汽，高温蒸汽进 入微型汽轮机对其做工使其运转带动发电机发电。做功后的蒸汽压力和温度参数均降低 转变成压力接近大气压过热度较小的低温蒸汽( 0 1 1 m p a ，1 0 5 。c ) ，微汽轮机排汽经管 道进入蒸箱加热米饭。由于排汽压力和温度均较低属低温蒸汽，而低温蒸汽具有易于液 化，液化时产生大量汽化潜热等特点，因此进入蒸箱的低温蒸汽大部分将液化并放出大 量的热，使得蒸箱内传热效率得到显著提高。这样不但避免了高温蒸汽直接加热蒸箱做 米饭而造成的多余蒸汽及热量浪费的现象，还充分利用了锅炉过剩部分的蒸汽能量将其 转变成动能提高了炊事挂车系统的综合热效率，也使得系统的蒸汽排放得到明显降低便 于其冷凝回收循环利用。 1 1 2 课题研究意义 随着人们节能节能减排和环保意识的提高以及生产生活的需要，具有诸多优点的低 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 参数微型汽轮机逐渐受到人们的重视并且越来越广范地应用于各个领域。在日照丰富电 力又稀缺的高原地区可充分利用丰富的太阳能产生蒸汽来驱动微型汽轮机发电以满足 人们的日常生活用电；在地热资源丰富的地区应用低参数微型汽轮机可为人们提供生产 生活所需动力；而在野战炊事挂车上安装微型汽轮机发电机组既能充分地利用炊事挂车 产生的多余蒸汽又能在野外为部队提供宝贵的电力资源。本课题以应用于炊事挂车上的 微型汽轮机为基点对小功率低参数向心式微型汽轮机进行尝试研究，为低参数微型汽轮 机的大功率微型化方向的发展奠定基础。同时课题对低参数微型汽轮机在其他领域的应 用推广以及能源的高效利用也有着非常积极的意义。 1 2 研究现状 1 2 1 热力气动设计计算 汽轮机热力气动设计计算经过几十年的发展先后经历了四个阶段： ( 一) 2 0 世纪初基于一元可压缩稳定流动理论及平面叶栅静吹风实验数据的一维经 验设计，主要代表方法为速度三角形法，其主要适用于叶片径高比较大的直叶片或曲率 半径较大的圆弧叶片等短叶片设计【5 矧。目前汽轮机的研究工作在许多方面仍然依赖于 简单明了的一元流动理论。 ( 二) 2 0 世纪6 0 年代以后，随着空气动力学理论及计算机技术的进步，计算气动 力学逐渐取代叶栅吹风实验数据，出现了以简单径向平衡方程为代表的二维热力气动设 计方法。我国的仲华教授在1 9 5 2 年应用流线曲率法解决了s l ，s 2 流面问题并提出了准 三维设计理论【7 罐】。其主要适用于稍复杂的扭叶片气动设计计算。 ( 三) 2 0 世纪9 0 年代以后，随着空气动力学的进一步完善，以及计算机技术的长 足发展出现了采用准三元全三元流动理论设计的复杂弯扭叶片的三维设计方法。在计算 流体动力学求解三维n s 方程方法及叶片三维数控加工技术成熟的基础上，汽轮机热力 气动三维设计体系己成熟并广泛应用，其主要用来分析设计具有扭弯掠结构的叶片【9 d 们。 1 2 2 热力气动优化设计 目前世界各国的汽轮机热力气动优化设计方法种类很多标准多样，每一种方法都或 多或少带有一些经验性质，热力气动设计计算方法的选用反映出汽轮机制造厂家的历史 与经验。 美国g e 公司t o n g 博士应用遗传算法成功优化飞机发动机涡轮的气动设计【1 1 】。 n a s ag l e e n 研究中心的o y a m a 博士基于进化计算和n s 方程进行了四级压气机及跨音 3 第一章绪论 速叶片的多目标优化设计【1 2 1 。美国佛罗理达大学s h y y 教授针对超音速透平设计提出了 基于响应面模型的全局优化气动优化设计方法对汽轮机级进行三维粘性流计算获得了 效率高于一般仅用三维设计的叶片的新型叶片【1 3 】。 国内在汽轮机热力气动优化设计上虽做了大量的研究工作，但与国外相比还有一定 差距。对于向心透平常用的一维优化设计方法有如下三种： 1 比较法：此优化设计方法的做法是按照给定的设计条件，根据设计经验针对每 个设计参数选择多个数值，并将这些参数任意组合成多种方案。对于每一种方案再加入 多个速比数值方案，然后根据这些组合方案的数据计算得出每种方案的呷u x a 关系曲线。 从这些繁多的方案中淘汰一些效率较低结构较差甚至不合理的，对剩余的方案进行详细 的计算，最终得到一个轮周效率和气动结构最好的设计参数组合方案。这种方法计算工 作量浩大，工作效率较低【14 1 。 2 最佳速比法：这种方法将设计的注意力集中到级速比x a ，反动度q 以及叶轮入 口气流角a ，这几个参数范围内。通过对建立的数学模型进行分析得到最高饥对应的最 佳速比x 。例如“零涡”分析法中认为叶轮出口周向分速为零，并假定导向装置速度 系数和叶轮流道速度系数相等且伊= = l 以及气= 0 皈= 9 f f ) ，求得q 和x 。的最佳值之间 的近似表达式： 1 掣2 习鬲云忑 。 。( 1 - 1 ) 上式表明，q 和a ，增大，则相应的最佳速比也增大。 同样，比较典型的还有利用求极值的方法导出与最高轮周效率相对应的x 。和q ： 聊= 古【1 沙。 - 1 一【坚m 辫1 】2 一l 一够一 k _ 2 汗雾茅一 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 式中，2 综合数，无量纲： 卜轮径比，无量纲； 利用上述公式可以很快地按照给定的a l 、仍、y 等参数来确定方案的x a 和q 。从理 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 论上来看，这种方法确实能获得最高的效率极其对应的关键设计参数。但这种方法太片 面过于理想化，忽略了向心透平设计中的其他重要因素。因此由这种优化方法设计的透 平方案很多只限于理论，实际加工中其结构方案可能根本无法实现【1 5 1 。 3 筛选法：这种方法通过改进前两种方法的种种不合理因素已经具备了很强的实 用性。应用这种优化设计方法进行设计时，在选择透平的关键设计参数时，不但从理论 上出发考虑获得较高的轨，最可贵之处还在于它外同时还将透平结构设计中的转速，叶 型，材料许用强度等更全面的设计参数的限制作用纳入考虑范围之内，从而能够更加全 面地分析其他设计参数在透平优化设计中的对关键参数选取的限制和影响。由此在进行 详细热力计算之前就能够根据对这些参数和限制条件的分析淘汰一些不合理方案筛选 出一些较好的方案。从而使得这种优化设计方法效率很高，能