汽轮机课程设计指导书

汽轮机课程设计指导书华北电力大学2011.12第一部分 汽轮机课程设计指导书一、课程设计的目的与要求1系统地总结、巩固并应用汽轮机原理课程中已学过的理论知识，通过课程设计重点掌握汽轮机热力设计的方法、步骤。2汽轮机热力设计的任务，一般是按照给定的设计条件,选择一些主要参数包括平均反动度，速比，确定流通部分的几何参数，包括级的平均直径，叶型，叶高，几何角力求获得较高的相对内效率。就汽轮机课程设计而言其任务通常是指各级几何尺寸的确定及级效率和内功率的计算。3汽轮机设计的主要内容与设计程序大致包括：(1) 分析并确定汽轮机热力设计的基本参数，如汽轮机容量、进汽参数、转速、排汽压力或循环水温度、回热加热级数及给水温度、供热汽轮机的供汽压力等。(2) 分析并选择汽轮机的型式、配汽机构型式、通流部分形状及有关参数。(3) 拟定汽轮机近似热力过程线和原则性热力系统，进行汽耗量与热经济性的初步计算。(4) 根据汽轮机运行特性、经济要求及结构强度等因素，比较和确定调节级的型式、比焓降、叶型及尺寸等。(5) 根据流通部分形状和回热抽汽压力要求，确定压力级的级数，并进行各级比焓降分配。(6) 对各级进行详细的热力计算，求出各级流通部分的几何尺寸、相对内效率和内功率，确定汽轮机的实际热力过程线。(7) 根据各级热力计算的结果，修正各回热抽汽点压力以符合实际热力过程线的要求。(8) 根据需要修正热力计算结果。(9) 绘制流通部分及纵剖面图。4通过设计对整个汽轮机的结构作进一步的了解，明确主要部件在整个机组中的作用、位置及相互关系。5通过设计了解并掌握我国当前的技术政策和国家标准、设计资料等。6所设计的汽轮机应满足以下要求：(1) 运行时具有较高的经济性。(2) 不同工况下工作时均有高的可靠性。(3) 在满足经济性和可靠性要求的同时，还应考虑到汽轮机的结构紧凑、系统简单、布局合理、成本低廉、安装与维修方便以及零部件通用化、系列标准化等因素。7由于课程设计的题目接近实际，与当前国民经济的要求相适应，因而要求设计者具有高度的责任感，严肃认真。应做到选择及计算数据精确、合理、绘图规范，清楚美观。二、课程设计题目 以下为典型常规题目，也可以设计其他类型的机组。机组型号： B25-8.83/0.981机组型式：多级冲动式背压汽轮机新汽压力：Po=8.83Mpa (90ata)新汽温度：to=535排汽压力：Pc=0.981Mpa (10ata)额定功率：Pel=25000KW转速：n=3000rpm三、课程设计的内容与步骤（一）设计工况下的热力计算1确定机组配汽方式（采用喷嘴配汽）2调节级选型（采用单列级）3主要参数 已知设计参数Po=8.83Mpa ，to=535 ， Pc=0.981Mpa， Pel=25000KW ，n=3000rpm 选取设计参数设计功率 一般凝汽式机组有统一系列标准，而背压机组在国内目前尚无统一系列标准。可取：设计功率=经济功率=额定功率。 汽轮机相对内效率ri 选取某一ri 值，待各级详细计算后与所得ri 进行比较，直到符合要求为止。 机械效率： 取m= 99% 发电效率： 取 g= 97% 给水回热系统及参数：采用两级加热器,一级除氧器。系统及参数详见给水回热系统图。图1 给定题目的回热加热系统4近似热力过程线的拟定（1）进汽机构的节流损失Po 阀门全开时，Po=(0.030.05)Po，通常取调节级喷嘴前Po=0.95Po（2）排汽管中压力损失Pc ：对于本机,认为Pc=Pc， 即Pc=0（3）末级余速损失hc2 ：本机取C2=70m/s（4）调节级效率 调节级效率较低，而中间级效率较高。假定调节级ri=70% 而调节级后压力Pa=5.88Mpa， 作为初拟热力过程线的参数。可采用分段拟定热力过程线。图2 调节级热力过程线5汽轮机总进汽量的初步估算 3.6*PelDo= *m+D (ht mac)*rigmPel汽轮机的设计功率，kW(ht mac)汽轮机通流部分的理想比焓降，kJ/kgri汽轮机通流部分相对内效率之初估值；g机组的发电机效率；m机组的机械效率；m考虑回热抽汽引起汽量增大的系数,它与回热级数、给水温度、汽机容量及参数有关，取m=1.05；D是考虑门杆漏汽及前轴封漏汽的蒸汽余量，（t/h） D=Dl+Dv给定前轴封漏汽Dl=3.8t/h，门杆漏汽Dv=1.2t/h ；Do是汽轮机总进汽量。6调节级的详细热力计算（1）确定调节级进汽量DgDg=Do-Dv （ t/h）（2）确定速比Xa和理想比焓降ht取Xa=0.3535， 取调节级平均直径dm=1100mm ，计算时取dm=dn=db由u=*dm*n/60和Xa=u/Ca ，ht=Ca2/2 (备注：软件中 是指数符号) ，检查ht是否在70125kJ/kg范围内。（3）平均反动度m的选取：取m=6.5%（4）计算嘴理想比焓降hnhn=(1-m)* ht（5）计算喷嘴前后压比n根据Po、ho以及hn查焓熵图，得到喷嘴后压力P1和比容V1t由n=Po/Po判断流动状态，选择喷嘴叶型和喷嘴出口角1。 (参见喷嘴叶型表)（6）计算喷嘴出口汽流速度C1 C1=*C1t ，取 =0.97 （7）计算喷嘴损失hnhn=(1-2)* hn（8）确定喷嘴出口面积AnAn=Gn*V1t/n*C1tGn喷嘴流量，kg/sV1t喷嘴出口理想比容，m3/kgn喷嘴流量系数，取n=0.97（9）确定部分进汽度e确定部分进汽度的原则是选择部分进汽度e和喷嘴高度ln的最佳组合，使叶高损失hl和部分进汽损失he之和为最小。由An=e*dm*ln*sin(1)得ln=An/ (e*dm*sin(1)而hl=l*Eo=a1/ln*Xa2*Eo ， 取a1=9.9he=e*Eo=(w+s)*Eo鼓风损失系数e=Be*1/e*(1-e-ec/2)*Xa3 ，取 Be=0.15，ec=0.4斥汽损失系数s=Ce*1/e*Sn/dn*Xa，取Ce=0.012，Sn=3 (喷嘴组数) ，dn=dm=1100mm令y=hl+he令其一阶导数为零，即求y的极值，最终可得到e ，设计时选取e值比计算值稍大些。（10）确定喷嘴高度lnln= An/ (e*dm*sin(1)（11）动叶高度lb=ln+ （为盖度）（12）选取盖度对于本机组来说调节级：=2.5mm 压力级：=2.0mm (ln20mm) =2.5mm (20ln40mm) =3.0mm (ln40mm)（13）检验根部反动度rr=1-(1-m)*db/(db-lb)r应在0.030.05范围内，否则应重新选择。（14）求动叶进口汽流相对速度w1和进汽角1tg1=c1*sin（1）/（c1*cos（1）-u）w1=C1*sin（1）/sin（1）hw1=w12/2（15）计算动叶前滞止压力P10由h1=h1t+hn和hw1查焓熵图 （16）确定动叶理想比焓降hb和动叶滞止理想比焓降hb0 hb=m*hthb0=hb+hw1（17）计算动叶出口汽流相对速度w2w2t=w2=*w2t ，由m和w2t 查图得到（18）计算动叶损失hbhb=(1-2)* hb 0（19）求取动叶后蒸汽压力P2和比容V2由hb和hb查焓熵图得到（20）确定动叶出口面积AbAb=Gb*V2/w2 ，因未考虑叶顶漏汽,故Gb=Gn（21）确定动叶出口汽流角2sin(2)=Ab/(e*db*lb)根据1和2和动叶叶型表选取动叶叶型（22）计算动叶出口汽流绝对速度从C2和出汽角22=arctg（w2*sin（2）/（w2* cos（2）-u）（23）计算余速损失hc2hc2=0.5*C22（24）计算轮周效率比焓降hu （无限长叶片）hu=hto-hn-hb-hc2（25）计算级消耗的理想能量EoEo=hco+ht-1*hc2对于调节级Eo=hto=ht（26）计算轮周效率u（无限长叶片）u=hu/Eo（27）校核轮周效率单位质量蒸汽对动叶所作的轮周功Wu=u*(c1*cos(1)+c2*cos(2)轮周效率u=Wu/Eo用两种方法计算所得轮周效率应相近，其误差要求u=|u-u|/u*100%1%说明前面计算有误，须重新计算。（28）计算叶高损失hlhl=a/l*hu ，式中取系数a=1.6，已包括扇形损失（29）计算轮周有效比焓降huhu=hu-hl（30）计算轮周效率uu=hu/Eo（31）计算叶轮摩擦损失hfhf=Pf/G其中Pf=K1*（u/100）3*dm2/v ，取K1=1.07 v=(v1+v2)/2（32）计算部分进汽损失hehe=hw+hs鼓风损失hw=w*ht ，w=Be*1/e*(1-e-ec/2)*Xa3 斥汽损失hs=s*ht ， s=Ce*1/e*Sn/dn*Xa（33）计算级效率和级内功率级的有效比焓降hi=hu-hf-he级效率i=hi/Eo级内功率Pis=G*hi（34）确定级后参数级后压力P2和比焓h2由焓熵图查出。最后，画出动叶出口速度三角形，级的热力过程线，标出参数。7压力级比焓降分配及级数确定本机组采用整段转子，整段转子的叶片根部直径一般采用相同的值。这样，一方面是加工方便，另一方面可使很多级的隔板体通用。（1）第一压力级平均直径dmI的确定这里给定dmI=981mm 检验喷嘴高度ln ，使ln 不小于1215mm，否则应减小dmI或采用部分进汽度。首先选取Xa I=0.4365，m=0.07，1=11.5度， 计算htI、hnI和h1t ， htI=Ca2/2=0.5*(*dm*n/60/Xa)2hnI=(1-m)* htIh1t=ho-hnI查焓熵图求V1t第一压力级喷嘴流量为调节级流量减去前轴封漏汽量，即GnI=GoI=Gg-Gl (kg/s)喷嘴出口汽流速度C1t由连续性方程有GnI=n*An*C1t/V1t ， 其中流量系数n取0.97而 An=e*dmI*lnI*sin(1)，其中取e=1求出ln，检验其正确性（2）末级平均直径的确定给定dm z=1019.5mm（3）确定压力级平均直径的变化根据汽轮机原理所描述的蒸汽通道形状，确定压力级平均直径的变化规律，通常采用作图法。在纵坐标上任取长度为a的线段BD（一般a=25cm），用以表示第一压力级至末级动叶中心之轴向距离。在BD两端分别按比例画出第一压力级与末级的平均直径值。根据选择的通道形状，用光滑曲线将A、C两点连接起来。AC曲线即为压力级各级直径的变化规律。（4）压力级的平均直径dm（平均）将BD线等分为m等分，取1、2、3m-1点。为了减小误差，建议6。从图中量出割断长度，求出平均直径。dm（平均）=（AB+（1-1）+（2-2）+CD）/（m+1）*k ，式中的k 为比例尺。（见图3）图3 压力级平均直径变化曲线图（5）压力级的平均比焓降ht（平均）选取平均速比Xa（平均）=0.4367， 则ht（平均）=0.5*（*dm（平均）*n/60/Xa（平均）2（6）压力级级数的确定ZZ=(1+)* ht p/ ht（平均）式中ht(p)-压力级的理想比焓降 ，为重热系数，本机=0.05 ，将Z取整。 （7）各级平均直径的求取求取压力级级数后，再将上图中BD线段重新分为(Z-1)等分，在原拟定的平均直径变化曲线上，求出各级的平均直径。（8）各级比焓降分配根据求出的各级平均直径，选取相应的速比，求出各级的理想比焓降htht=0.5*(*dm*n/60/Xa)2为了便于比较和修正,一般以表格的方式列出（9）各级比焓降的修正在拟定的热力过程线上逐级作出各级理想比焓降ht，计算h。h=(1+)* ht p-ht如果h较大时可平均分配给各级，很小时可以加在末一、二级上。（10）检查各抽汽点压力值，是否符合要求，其误差应小于2%，如果相差太大，应适当调整各级的比焓降。（11）最后按照各级的dm和ht求出相应的各级速比Xa。注意末级的计算，应待末二级详算后，根据末二级后的压力与排汽压力来确定htz和Xaz。8压力级的详细热力计算图4 压力级热力过程线（1）由上一级的计算结果，已知本级的Po，ho，Po 0，ho 0，hco，由压力级比焓降分配，已知本级的ht，ht 0，dm，Xa，Go。（2）选取平均反动度反动度的选择有两种方式选定一个合适的根部反动度r，估取动叶高度，然后用下式确定相应的平均直径处的反动度 m=1-（1-r）*（db-lb）/db估取一平均反动度m，待级热力计算后再校核根部反动度。（3）计算喷嘴的理想比焓降hnhn=（1-m）*ht（4）计算喷嘴的滞止理想比焓降hn 0hn 0=hn+hco（5）计算喷嘴的出口汽流理想速度C1t（6）计算喷嘴出口汽流实际速度C1C1=*C1t ， 这里取=0.97（7）计算喷嘴损失hnhn=（1-2）*hn 0（8）计算圆周速度uu=*dm*n/60（9）计算级的理想速度Ca（10）计算假想速比XaXa=u/Ca（11）确定喷嘴等比熵出参数h1t,V1t 和 P1首先由ho和hn求出喷嘴出口理想比焓值h1t ，h1t=ho-hn然后在焓熵图上，从进口状态等比熵膨胀到h1t查出等比熵出口比容V1t和出口压力P1。 （12）计算喷嘴前后压力比nn=P1/Po 0（13）选取喷嘴型式和出汽角1由n和喷嘴叶型表选取1（14）计算喷嘴出口面积AnAn=G*V1t/n/c1t ，这里取n=0.97（15）计算喷嘴高度ln根据估算，叶片较高，故取e=1ln=An/(e*dm*sin(1)为了设计制造的方便，取喷嘴的计算高度为整数值。（16）计算喷嘴出口实际比焓降h1h1=h1t+hn（17）计算动叶进口汽流角1和相对速度w11=arctg(c1*sin（1）/（c1*cos（1）-u）)w1=（c1 2+u2-2*u*c1*cos（1）0.5hw1=w1 2/2（18）计算动叶前的滞止压力Po 0h10=h1+hw1 （19）计算动叶理想比焓降hbhb=m*ht（20）计算动叶滞止理想比焓降hb 0hb 0= hb+hw1 （21）计算动叶出口理想汽流速度w2t （22）计算动叶出口实际汽流速度w2w2=*w2t ， 由m和w2t 查图得到（23）计算动叶损失hbhb=(1-2)* hb（24）确定动叶后参数P2、V2根据h1, hb和 hb查焓熵表得P2、V2 （25）计算动叶出口面积AbAb=G*V2/w2（26）计算动叶高度lblb=ln+， 这里为盖度，参照调节级中的给定。（27）检验根部反动度r=1-（1-r）*（db-lb）/db应在0.03-0.05范围内，否则应该重新选择。（28）计算动叶出汽角22=arcsin（Ab/（e*dm*lb）（29）根据1和2在动叶叶型表中选取动叶型号（30）确定动叶出口绝对速度C2和方向角22=arctg=(w2*sin(2)/(w2*cos(2)-u)（31）计算余速损失hc2hc2=C2 2/2（32）计算轮周有效比焓降hu（无限长叶片）hu=ht 0-hn-hb-hc2（33）计算级的理想能量EoEo=hco+ht-1*hc2这里hco=o*(hc2)abv ，(hc2)abv是上一级的余速动能，o表示本级利用上一级的份额，而1表示本级余速动能为下一级所利用得份额。如果相邻两极部分进汽度相同，平均直径变化不大，轴向间隙较小，则上级余速动能可被下级完全利用，即1（o）=1.0 。如果相邻两极部分进汽度不同或平均直径有突变时，上级余速动能不能被下级利用，即1（o）=0 ，如调节级和末级后1=0 。如果相邻两极部分进汽度相同，平均直径无突变，但级间有抽汽或旁通调节阀时，可取1（o）=0.7 。（34）计算轮周效率u（无限长叶片）u=hu/Eo（35）校核轮周效率单位质量蒸汽对动叶所作的轮周功Wu=u*(C1*cos(1)+C2*cos（2）)轮周效率uu=Wu/Eou=|u-u|/u*100%u应小于1%。若u 1%，说明前面计算有误，须重新计算。（36）计算叶高损失hlhl=a/l*hu式中取a=1.6，已包括扇形损失（37）计算轮周有效比焓降hu （考虑叶轮摩擦损失）hu=hu-hl（38）计算轮周效率u（考虑叶轮摩擦损失）u=hu/Eo（39）计算叶轮摩擦损失hfhf=Pf/G其中，Pf=K1*(u/100)3*dm2/v ， 取K1=1.07（40）计算漏汽损失h选取：隔板汽封齿的平均直径dp=590mm，隔板汽封间隙p=0.5mm，汽封齿数Zp=10，则有隔板漏汽损失hp=Ap/An/*hi这里Ap=*dp*p (m2)hi=ht 0-hn-hb-hl-hc2再选取：叶顶轴向间隙z=1.5mm，围带边厚度s=0.3mm，z(平均)= z/lb，由m与（db/lb）查取t，由z/s查取1，由z和u/Ca 查取2，则有动叶顶部漏汽损失ht=1*z(平均)* t/(2*sin(1)* hi级的总漏汽损失h=hp+ht（41）计算级内各项损失之和hh=hl+hf+h（42）计算级的有效比焓降hihi=hu-h（43）计算级效率ii=hi/Eo（44）计算级内功率Pi sPi s=G*hi（45）确定级后参数h30=h3=ht 0-hi，或者 h3=h2+h+hc2查焓熵图可得P3 0，P2