汽轮机长叶片初步设计(共25页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上汽轮机长叶片计算目 录一、 设计内容-3二、 设计要求-3三、 已知技术条件参数-3四、 长叶片级概述-3五、 长叶片中蒸汽流动方程式-4六、 叶型设计-6七、 扭曲叶片设计方法简介-7八、 设计计算-131、 设计思路整定-132、 已知条件-133、 计算过程-13（1），,的确定-13（2）、级的热力计算-13（3）、理想等环量流型沿叶高的变化规律计算-15（4）、小结-16 4、绘制各截面的速度三角形-17 5、各截面流量的计算-24总 结-25参考文献-25摘 要本次设计从电厂汽轮机长叶片的热力设计与计算的角度出发，着重介绍了多级汽轮机长叶片的蒸汽流动方程式

2、，叶片设计，简单径向平衡法，并对汽轮机的叶片进行等截面计算，绘制了各截面的速度三角形，并对叶片各截面的流量进行计算等内容。This design gets going at the angle of design and calculation for heat power of the steamers long lamina, puts its emphasis on the equation for the steam flow. lamina design and simple radial equity of the multileuel steamer long lamina. I

3、t divides the lamina designed into 10 equal shares to do calculation on equal sections protracts the speed triangle for each section , as well as works out flux on each section.一.设计内容1、 建立长叶片中的蒸汽流动方程，选择叶型；2、 采用径向平衡方法，使汽流在级的轴向间隙保持径向平衡，从而设计叶片沿叶高的扭曲规律与汽流参数的变化规律相适应，使级后汽流参数分布均匀。3、 分析计算喷嘴出口汽流角沿叶高的变化规律；4、

4、分析计算动叶进口汽流角沿叶高的变化规律；5、 分析计算动叶出口汽流角沿叶高的变化规律；6、 分析计算动叶出口汽流角沿叶高的变化规律；7、 级的反动度沿叶高的变化规律。二.设计要求：1、 运行时具有较高的经济性；2、 不同工况时均有高的可靠性。三.技术条件与参数： 1、600MW2、 转速30003、 主汽压力：24.2：主汽温度：5664、 低压缸排汽压力：4.95、 其他参数由低压缸通流部分设计组提供。四.长叶片级概述：在汽轮机级内，当叶片比较高时，级平均直径处的汽流参数与顶部和根部的汽流参数比较相差很大，此时就不能用平均直径处的汽流参数值代替顶部和根部的汽流参数值了，而且必须考虑汽流参数沿

5、叶高的变化，这样的级称为长叶片级。一般地讲，当初的平均直径和动叶片高度之比（级的径高比）小于810时，应考虑汽流参数沿叶高的变化，否则级效率将显著下降。进入低压缸次末级和末级的蒸汽压力，温度都较低，其体积流量很大，次末级，尤其是末级必须有足够的通流面积，才能使体积流量很大的蒸汽顺利通过。因此，要采用尽可能长的末级动叶片。五.长叶片中蒸汽流动方程式： 研究长叶片级的汽流动力问题，在设不再研究静动叶片汽流道内的气动计算，只研究如图5-1所示的三个特征截面0-0、1-1、2-2的气动力计算。通过这三个截面的气动力计算，即可在现在叶型资料的基础上合理地进行长叶片的成型。由于这三个截面在本质上相同，将重

6、点研究截面1-1的气动力计算。为了保证整个长叶片级都是较高的效率，同时为了找出便与在工程实践中应用的流动规律，把复杂的具有粘性的不稳定的实际流动，简化为理想的三元流动模型。为此，作如下假设： （1）、不考虑蒸汽的粘性对流动的影响； （2）、近似将汽流看作为稳定流； （3）、假定所有圆周向流面都是围绕着一根共同轴线的任意回转面流动，称为轴对称流动； （4）、忽略叶片对汽流的作用力，近似地认为间隙中的汽流参数沿轴向不变。 现根据以上几项假定来分析汽流在通流部分轴向的间隙的受力情况，在截面1-1上取一个微元体A，并按图5-2那样将微元体的运动分解为子午面内的运动和绕汽轮机转轴（既Z轴）的回转面内的运

7、动。如果把轴向间隙中汽流速度C分解为子午向分量，轴向分量和却向，则它们之间存在，和的关系 若将子午面内汽流各分速绘于图5-3中，则可以清楚地看到以下的关系： 式中：流面上某点的曲率半径 速度对Z轴的倾角为了避免繁琐的数字推导，这里将不采用三元流的欧拉方程。而直接从微元体的径向受力平衡条件求出长叶片蒸汽流动方程式。若微元体A的质量为，则在此微元体上所受的力为：1、 静压力： 根据汽流与轴对称和轴向参数不变的假定，微元体沿圆周向和轴向两侧的静压力应互相抵消，因此在微元体上只存在径向压力差，其值为。2、 离心力： 微元体上受到的离心力有两部分，一部分是由于汽流在圆周方向的却向分速所产生的离心力，其方

8、向是沿半径向外；另一部分是 由于子午面上流线弯曲所引起的向心加速度所产生的离心力，其径向分量为，其方向恰与的方向相反。3、 惯性力：微元体上受到的惯性力是由于汽流沿子午流线方向的加速度所产生的，其值为，其方向与子午加速度方向相反，它的径向分量为。根据微元体在径向保持平很的条件，则所有施加与微元体的力，在径向的投影之和应为零，即：=0 5-2式中=由于假定汽道内蒸汽的流动是与轴对称的，所以与圆周相位角无关，即，于是。已知为微元体的质量，其中表示汽流的密度。若以单位质量计算，则用通除式（5-2），经整理后得到微元体的完全径向平衡方程式也就是研究任意流型的蒸汽流动方程式： 5-3式中流线弯曲点处，子

9、午加速度所产生的惯性力的径向投影；子午流线弯曲点处，曲率半径所引起的离心力的径向投影。 以上公式均取自参考文献2P7577在设计扭叶片时，为了使汽流在级的轴向间隙中保持径向平衡，叶片沿叶高的扭曲规律应与汽流参数的变化规律相适应，从而使级后汽流参数分布均匀。目前，汽轮机的设计与制造中，普遍采用了这种径向平衡法，它能够较好地满足这些要求，保证叶片有较高的效率。六.叶型设计在汽轮机级内，汽流参数沿叶高的变化是客观存在的，并且要遵循气体流动方程。1、 沿叶高圆周速度不同 引起的损失在长叶片级中，从叶根到叶顶，其圆周速度相差也较大。这时，如果动叶仍按平均直径处的速度三角形进行设计，则除了平均直径处外，其

10、他各直径处的汽流在流进动叶片时，都将产生不同程度的撞击现象，都将造成能量损失。并且由于，也会发生很大的变化，造成级后汽流扭曲使下一级汽流进口条件恶化，产生附加能量损失。2、 沿叶高节距不同引起的损失由于汽轮机叶栅是环形叶栅，当较小时，从叶棍到叶顶，叶栅节距相差较大。各个叶栅都有一个最佳相对节距，大于或小于这个最佳值，都会使叶栅损失增加，效率降低。3、 轴向间隙中汽流径向流动所引起的损失当蒸汽从喷管叶栅和动叶栅流出时，由于有圆周方向的分速和存在，使蒸汽在动静叶栅进出的轴向间隙中受到离心力的作用。因为没有采取径向平衡措施，使汽流在轴向间隙中发生径向流动。这种径向流动是不会推动叶轮旋转做功的，构成了

11、汽轮机级的损失，而这种损失在长叶片中尤为显著。综上所述，为了避免在长叶片级中由于按照平均直径上的汽流参数进行设计所带来的附加损失，以获得较高的级效率，就必须把长叶片设计成进出口角，以及截面积沿叶片高度变化的变截面叶片，以适应圆周速度和汽流参数沿叶高变化的规律。通常当时，扭叶片不直叶片提高效率为1.5%2.5%；当时，提高效率3%4%；当时，提高效率7%8%。可见值越小，采用扭叶对级效率的提越显著。目前由于扭叶片加工工艺水平的提高，成本下降，使扭叶片的应用范围逐渐扩大。我们设计所参照的哈汽厂生产的600MW反动式汽轮机全部静叶和动叶均采用了扭叶片。哈汽600MW超临界机组动叶片的结构所述详见参考

12、文献4。对于反动式低压缸动叶片，共有7级。末级动叶片采用自带围带并带凸台拉筋的结构，叶片为锻造制成。其叶根也采用圆弧纵树型叶根，与转子上的叶根槽相匹配，这种拉筋形式不受高受力载荷影响，但需要频率试验，检查真实频率，因为振动会导致材料疲劳及叶片表面产生裂纹。末级动叶片在运行可能引起叶片腐蚀的高湿度区，为了将腐蚀减小到最小，在每一个叶片的进汽边装有腐蚀性很好的肽合金片。综上所述，本次设计中末级动叶片选用自带围带凸台拉筋结构的变截面长扭叶片。七、扭曲叶片设计方法简介 目前扭曲叶片级设计普遍采用径向平衡法，即在级的轴向间隙中确定汽流的平衡条件，使之不产生径向流动，因此建立汽体流动的模型，从而得到不同轴

13、向间隙中汽流参数沿叶高的变化规律。简单径向平衡法是假定汽流在级的轴向间隙中作与轴对称的圆柱面流动，这是按二元流建立的气体流动模型，此计算方法较好的克服了一元流理论中的缺陷，使级的效率显著的提高，在长叶片设计中得到了广泛的应用。随着单机功率不断增大，末级叶片高度也越来越大，有的叶片高度可达1320mm，其使轴向间隙中的汽流流动不再保持与轴对称的圆柱面流动。因此再用简单径向平衡法来确定这种长叶片的扭曲规律，就难以符合汽流的实际情况，而使级效率降低。对于的长叶片，应采用完全径向平衡流型的特性方程，即三元流动的方程式进行设计。 根据径向平衡理论，在某些特定条件下，可求得长叶片不同的扭曲规律或流型，常用

14、的几种流型有：（1）等环量流型（2）等角流型（3）等密度流型（4）可控涡流型等。其中前三种扭曲规律，基于简单径向平衡理论，它们有一个共同缺点，就是反动度或动静叶片轴向间隙内的汽流压力沿叶高增大，而且变化较剧烈。另外，为了减小叶顶反动度，必须减小叶根反动度，当叶片的时，根部可能会出现负反动度，有时甚至达到，因此使气流在根部汽道中形成扩压段，产生较大的附加损失；如涡流、倒流、局部超声速以及吸汽等现象；若使0，又会造成顶部反动度过大，有的甚至达到=0.8.0以上，使漏气损失增大。因此，必须采用三元流或完全径向平衡法来设计<3的长叶片，可控涡流型就是由此求得的。由于设计水平有限，所以采用简单径向

15、平衡法。简单径向平衡法是假定气流在轴向间隙中作与轴对称的圆柱流动，即其径向分速为零（），或流线的倾斜角为零，其曲率半径为无限大。由于考虑到气流与轴的对称关系，即 。于是，由式（5-3）求得简单径向平衡方程式为： （7-1）简单径向平衡方程式说明了静动叶栅出口处间隙中气流压力沿叶高的变化只与气流的圆周分速度沿叶高的分布有关，而轴向间隙中的气流压力将随沿叶高增加而增加。式（7-1）表明了当轴向间隙中气流以轴对称的圆柱面流动时的一般流动规律，它与的变化有关。因此在不同的特定条件下，可以求出的变化规律。再根据一定的变化规律代入式（7-1）中，求得叶片在某一特定条件下的扭曲或流型，即轴向间隙中气流参数沿

16、叶高变化的特定规律。本次设计采用的是理想等环量也称自由旋流型（=常数），是应用最早和最广的一 种流型，而对于其他几种常用的简单径向平衡的流型，如：等 角流型（=常数），喷嘴出口等环量和动叶出口连续流流型，等密流流型（ =常数）等暂在作论述。理想等环量流型的特定条件是气流为无旋流动，且在通流部分1-1截面上气流的轴向分速 沿叶高保持不变，即 =常数。于是，由运动方程式和式（7-1）得： （7-2）由于=0，=常数，由图5-2或公式可得，故式（7-3）可写成 积分后得：ln+lnr=0或 (7-3)上式说明为了使轴向间隙中汽流保持径向平衡，必须满足的规律，即沿叶高的速度环量2是不变的，所以这时汽流

17、无旋流，它的能量转换效率也是较高的。由于这种流型的速度环量不变，所以又称为等环量流型。可以看出，为了保持径向平衡，喷嘴出口汽流的圆周分速必须随半径的增加而减小。一定的汽流流型的长叶片是由级的主要参数和等相互配合形成的。因此要根据流型的特定条件定出这些参数沿叶高的变化规律，再按这些规律确定具体的流型。现将理想等环量流型的参数沿叶高的变化规律分述如下：1. 喷嘴出口汽流角沿叶高的变化规律若已知汽流根据截面上的喷嘴出汽角，则由图（7-1）中可得： tan面对任意半径处则有：再根据等环量流型的条件：及于是：或 同理，若已知中径基元级喷嘴出口角，则任意半径处的角为： （7-5）可见喷嘴出口汽流角是随半径

18、r的增加而增大的。 图2. 动叶进口汽流角沿叶高的变化规律由图(7-1)，对任意半径处的也可以写出下列关系式： 将等环量流型的条件，及代入上式中即可得 （7-6）同理，若已知中径基元级的参数，也可以用下式表示 （7-7）可见动叶进口汽流角也是随半径增加而增大的，但它比角增加要快倍。汽流速度沿半径由根部至顶部逐渐减小，但为了保证轴向分速沿半径不变，速度的减小必然导致角的增加。另外，由于圆周速度u随半径的增加而增加，故相对速度的方向角有将随半径增加而增加，加上角增加也使角相应地增加，所以角增加得快。这说明动叶片进口边比静叶片出口边扭得更强列。相对速度可用根部参数表示为： （7-8）或 （7-9）由

19、上式可见，相对速度将随半径的增加而下降。但这个结论只是在<时才正确；当>时，相对速度将随半径增加而增加。这是因为在这个条件下，当半径增加时，下降，而增加，由式（7-9）可知相对速度将增加。3 动叶出汽角沿叶高的变化规律由图7-1用根据等环量的参数变化规律，及等关系式，可以求得相对速度的方向为： 当或轴向排汽时，常数 .（7-11）4.动叶出汽角沿叶高的变化规律绝对速度的方向角可表示为：汽流的动叶出口相对速度及绝对速度可以分别用根部参数表示如下： 可见，当汽流角时，速度随半径的增大而下降；当汽流角时，速度保持为常数，即 常数。同样，由式（7-13）可知，当轴向排汽时，相对速度随半径的

20、增加而增加，而当非轴向排汽时，则随半径的变化将视具体情况而定。对于动叶出口汽流角随半径的变化，由式（7-10）可知，当轴向排汽时，角大于，它的正切为负值；当半径增加时，的绝对值要减小，所以角要增加。而当时，角的变化将视具体情况而定。汽流角小于时，随半径r的增加而增加，当大于时，其正切为负值，故随半径增加而减小。5级的反动度沿叶高的变化规律 等环量级轮周功沿叶高的变化可以表示为：式中 w 转轴的角速度。由于常数及常数；所以等环量级的轮周功沿叶高是不变的，即常数。这就说明了若喷嘴进口参数是均匀的，则其理想焓降沿叶高是是不变的，即级的进口压力 和出口压力沿叶高是不变的。由于径向平衡要求喷嘴出口压力由

21、根部向顶部逐渐增加，故动叶中的焓降是随半径增加而增加的，即级的反动度随半径的增加而增加。根据反动度的定义，任意半径上的反动度为： 将值代入式（7-17）中，得 当很小时, ,则上式可近似地表示如下： 同理，若已知中径基元级的参数，级的反动度也可表示为： 由此可见，反动度沿叶高不但逐渐增大，而且变化比较剧烈。根据以上分析，由于等环量级在轴向间隙中保持了汽流的径向平衡，避免了汽流由于径向流动所产生的附加损失；由于扭叶片各截面型线与各相应的汽流速度三角形相适应，汽流角沿叶高的变化规律和动叶几何角沿叶高的变化规律相适应，且各基元级的气动特性与相对节距都处于较佳的范围内，从而避免了动叶进口的撞击损失和相

22、对节距变化较大的损失；此外，由于等环量级后汽流参数分析是均匀的，还避免了级后汽流弯曲所引起的损失。由于这些缘故，所以级的效率能得到提高。将以上的计算式绘于图中，即可的等环量级各项参数沿叶高的变化规律图。有关计算与分析详见第八节设计计算。八.设计计算1. 设计思路整定：（1） 喷嘴与动叶中径基元处的汽流出口角的选择范围。（2） 根据范围内不同的 ，值进行相关的热力计算，得到相应效率，比较大小，选择效率较高时对应的值；（3） 将长叶片分为十等分（共十一个截面），采用简单径向平衡法理想等环量流型计算各个截面的等随叶高的变化规律。（4） 将（3）中的计算结果绘于图中，得到这些参数沿叶高的变化规律2.

23、已知条件：600MW超临界机组，额定转速n=3000r/min，主汽压力24.2MPa，主汽温度，低压缸排汽压力4.9Kpa，级的平均反动度。本次设计所参照的哈汽厂制造的600MW超临界一次再热三缸四排汽单轴凝汽式机组，CLN600-24.2/566/566，其末级长叶片长度为1029mm。低压缸提供参数：级的平均直径dm=2260mm，喷管的理想滞止比焓降。3. 计算过程：（1）的确定进行级的热力设计时，根据级蒸汽容积流量的大小，通常可考虑在下列范围中选择出口角；高中压级低压级。(参考文献1，64页)对于纯冲动级，对于一般冲动级，对于反动级，。（参考文献3，20页）因为，为反动级，所以取基元

24、处 。（2）级的热力计算以下参数均为中径基元处的参数，时：圆周速度：喷嘴出口速度：现代汽轮机的喷嘴速度系数常数。为了方便计算，一般取 ，而把其中与喷嘴高度有关的损失抽出来另用经验公式计算。（参考文献3，13页）喷嘴出口相对速度：的方向角：动叶出口的相对速度：式中，动叶速度系数，取。动叶出口汽流绝对速度：的方向角：轮周效率：式中，假想速度，由于此级为汽轮机的最末级，故不考虑余速利用，即。同理，计算出时的相关数据，列于下表8-1表8-1 级的热力计算主要数据项目单位m/s182.275186.273190.47194.845199.39238.97041.4443.8346.12948.35m/s

25、522.715523.958525.29526.706528.207m/s194.154199.129204.36209.819215.50337.27439.53641.743.78345.776%83.65783.3182.9082.4581.97*注：以上公式均引自参考文献3.第一章级的轮周效率虽不是最终的经济指标，但它是衡量汽轮机级的工作经济性的一个重要指标，对它的讨论，有助于找出级的经济运行的最佳工况。由于本次设计现有资料有限，无法估算级的各项损失，故选定表8-1中轮周效率最高时对应的为最佳喷嘴出口角。经比较，时对应的最高。（3）理想等环量流型沿叶高的变化规律计算将叶片分为十等分，加

26、上根部的0-0截面共有十一个截面。根部直径。设各截面的叶高为，则：时，有关计算如下： 喷嘴出口汽流角得到， 动叶进口汽流角得到， 动叶出口汽流角得到， 动叶出口汽流角得到， 级的反动度同理，可算出其余十个截面的相关数据，列于表8-2中，并绘制出等环量级各项参数沿叶高的变化规律图8-1。（4）小结由图8-1可见，喷嘴出口汽流角沿叶高逐渐增大；动叶进口汽流角也是沿叶高逐渐增大的，且角的增长量比角大得多，说明动叶片进口边比静叶片出口边扭曲得更强烈；在轴向排汽时，动叶出口汽流角沿叶高逐渐减小，角则沿叶高逐渐增大；反动度沿叶高增大，在根部出现了负的反动度，这是不利于设计的。表8-2 各参数沿叶高的变化规

27、律010020030040050060070080090010007.1678.3179.45910.59511.72112.83913.94715.0416.1317.20218.279.06711.57914.86419.40826.13636.88955.14683.32-67.24-47.365-35.592-22.517-25.230-28.778-31.659-34.37-36.918-39.306-41.54-43.63-45.584-47.422-22.97-20.033-17.74-15.908-14.408-13.163-12.114-11.217-10.44-9.772-

28、9.167-0.626-0.20930.06330.25150.38690.4950.5650.62470.67220.7110.7430.5450.6330.7220.81020.89870.9871.0761.1641.2531.3411.430.2330.2900.3810.4980.6710.9471.4152.134-1.725-1.215-0.9131.7671.5411.3651.2241.1081.0140.9320.8630.8030.7520.7050.5510.6400.7280.8150.9020.9881.0731.1571.2411.3231.4050.6040.6

29、770.7720.8490.9220.9901.0551.1141.1711.2231.2724. 绘制各截面的速度三角形当时，计算如下：圆周速度：动叶进口绝对速度： 由于轴向速度沿叶高不变，所以，故动叶进口相对速度：由 动叶出口相对速度 ：=0.94=520.828式中动叶速度系数:= = =146.665将以上计算结果及表中所对应的相关角度绘制成截面的速度三角形，如图所示图8-2 截面速度三角形同理：其余十个截面的有关计算结果列于下表83表8-3 各截面速度三角形相关参数01002003004005006007008009001000193.267224.667256.067287.313

30、18.867350.269381.667413.067444.47475.867507.267727.467571.115446.935345.122260.266190.95139.746115.43124.31155.253196.856935.378593.936439.279432.652462.332520.828577.936646.31716.77788.317859.66761.181390.523200.010175.058172.788196.665219.876254.17291.02330.45324.1918.824792.494697.535623.467564.2

31、94515.877475.613441.76412.624387.616365.6657.1678.3179.45910.59511.72112.83913.94715.0416.1317.20218.27-22.517-25.230-28.778-31.659-34.37-36.918-39.306-41.54-43.63-45.584-47.4229.06711.57914.86419.40826.13636.88955.14683.32-67.24-47.365-35.592-22.97-20.033-17.74-15.908-14.408-13.163-12.114-11.217-10.44-9.772-9.167以下是100到1000中十个