汽轮机课程设计报告书

1、军工路男子职业技术学院课程设计报告书专班 姓 学课 程 名 称:院（系、部、中心）：业:级:名:号:起 止 日 期:指 导 教师:透平机械原理课程设计能源与动力工程学院能源与动力工程2013 级JackT131141xxxx- 万福哥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

2、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

3、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

4、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

5、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、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： t 0=3900c 排汽压

6、力： Pc=0.50MPa1.3 任务与要求1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1.1汽轮机热力过程线的拟定；1. 2汽轮机总蒸汽量D0的估算;1. 3 汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算2调节级的热力设计；2. 1调节级选型；2. 2 调节级热力参数的选择；2. 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、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：

7、P1=F0- 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n ri =0.73，发电机效率n g=0.970 (全负荷)，机械效率n孑0.9872.1.3 近似热力过程曲线的初步拟定由Po=2.45MPa to=390"c,确定初始状态点“ 0” 查表知h 0=3216.88kJ/kg, s 0=6.7kJ/(kg.K) 节流后h 1=h0=3216.88kJ/kg, P 1=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

8、表知h zt=2827.37kJ/kg, t zt=187.2470c整机理想焓降 ht =h0-h zt=389.51kJ/kg整机有效焓降 hi*=n ri ht*=280.45kJ/kg从而确定“ z'”点的比焓为H z' *=h0- h*=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n m、发电机效率n g,得总蒸汽量D为D 0=3.6Pe =4.69t/hAh* n m n g2.3汽轮发电机组汽耗

9、率与热耗率的初算发电机组汽耗率do为lOOODod o=- =13.4kg/(kW.h)Pe发电机组热耗率qo为qo=doXA hi =3758.O3kJ/(kW.h)2.4整机相对内效率 整机相对内效率n ri为Ah*n ri =0.73Ah*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 hi*=250kJ/kg , a i=14.5° 假想速度Ca= . 2：hs=707.11m/s取假想速比Xa=0.242由1u=Xa>C=n dmn/60得节圆直径d*=0.327m,根据式G=n dml ieCasin a 1/ v 1得叶高11=0.019

10、m根据同样的方法，假设末级等熵焓降 hz*=74.51kJ/kg，假设末级a 1=11.2° 计算出末级参数dmz=0.380m ,1z=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：123dm=0.327m dm=0.353m dm=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 :节圆直径Mmn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

11、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 his为 his=250kJ/kg调节级进口参数hi=3216.88kJ/kg , Pi=2.3275MPa查表可知si=7.023kJ/(kg.K) , v i=0.12765m"/kg其它已知参数：喷嘴速度系数© =0.947，动叶一速度系数书=0.9i，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 Q i=0.02，导叶反动度Q 2=0.05，第二列动叶反动度 Q 3=0.02，总反动度 Q =0

12、.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- Q ) >< his=227.5kJ/kg 喷嘴速度Cis= 2 hs=674.54m/sCi= © XCis=638.79m/s喷嘴能量损失 hnE= (1- © 2) hns=23.48kJ/kg圆周速度1u= n dm n/60=171.14m/s相对汽流速度w1=475.36m/s静叶出汽角B i=acta =20.12°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

13、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咼损失叶轮摩擦损失、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。级数第一级第二级转速(r/min)1000010000流量 G(kg/s)1.681.57理想焓降hkJ/kg)6574.51速比Xa0.5110.522比容(nn/kg)0.2780.34536静叶出口角a i

14、1114假想速度Cm/s)360.56386.03节圆直径Dm(m)0.3530.38部分进汽度e11叶高l(m)0.0290.036轴直径(m)0.10.1圆周速度U(m/s)191.85199.02级的平均反动度0.040.06级数第一级第二级余速利用系数0.950.95静叶速度系数©0.9370.941动叶速度系数书0.9130.968级前汽流绝对速度C2 (m/s)102.4694.48利用上级余速动能(kJ/kg)4.724.02级滞止比焓降ht*(kJ/kg)69.7278.53静叶实际焓降hn(kJ/kg)58.3772.77静叶出口理想速度cis(m/s)368.53

15、72.28静叶出口实际汽流速度ci (m/s)345.28350.31静叶损失厶hnz (kJ/kg)4.287.94动叶相对汽流速度方向角pi26.8533.58静叶相对汽流速度wi(m/s)145.85131.68动叶理想滞止比焓降Ahbn (kJ/kg)2.794.7动叶出口理想相对速度w2s(m/s)162.76161.82动叶出口汽流实际相对速度w2(m/s)148.6156.64动叶损失厶hbz (kJ/kg)2.20.82动叶相对速度出口角p223.8530.58动叶绝对速度出口角a2125.48109.56动叶出口绝对汽流速度C2(m/s)94.48126.4余速损失AhYkJ

16、/kg)0.520.45轮周有效焓降 hu(kJ/kg)51.1856.75轮周有效效率n0.8650.85轮周功率Pu'(kW)93.0992.42各级出口实际焓值1 (kJ/kg)2964.042895.92叶轮摩擦损失 hf (kJ/kg)0.690.78叶顶漏气损失 h s (kJ/kg)1.371.37隔板漏气损失 hp(kJ/kg)3.023.8级的有效焓降 hi (kJ/kg)49.8448.79级的相对内效率n oi0.7840.761轮周有效功率FU(kW)51.745.38整机功率Fr(kW)358.07重热系数a0.01实际相对内效率noi0.749表4-1其他各

17、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R=358.07偏差A =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n 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n 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p =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

18、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3p =7760kg/m屈服强度(T 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进、出背动叶进出口截面应力进、出进、出动叶背部截面应力背背动叶进出口截面合成应力"进、出进、出动叶背部截面合成应力工背背进、出背由上述计算可知，末级动叶片承担的最大应力小于许用应力， 叶片强

19、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1-1截面的距离a=0.015截面1-1处的半径i-i截面上的离心拉力Ci=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1-1处叶片节距叶根1-1截面上的离心拉应力叶根1-1截面系数汽流力产生的弯矩和弯应力偏心引起的弯矩

20、及弯应力叶根1-1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n -n处的半径R2=0.123m截面n -n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、轴圭寸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 S =0.0003m（以下计算

21、均按照王新军-汽轮机原理P106 P107有关内容进行。）7.1高压端轴圭寸漏汽又由一 知达到临界时的临界齿数为z=3 假设总漏气量为A高压端漏气量A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A根据可得根据轴圭寸齿数复求高压端、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 EXCELS,利用EXCELS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。热力过程线图6-1实际热力过程线图6-2各级焓降变化示意图8.2压力级速度三角形汇总821第一压力级速度三角形

22、图7-1第一压力级速度三角形第二压力级速度三角形图7-2第二压力级速度三角形九、热力计算数据汇总表项目名称符号单位调节级压力级I压力级H流量Gkg/s1.71 十 1.681.57节圆直径dmm0.3270.3530.38圆周速度um/s171.14191.89199.11级前烝汽压力p0MPa2.32750.8860.692级前烝汽温度to0c390282.792255.035级前烝汽焓值h0kJ/kg3221.493018.352962.5级前蒸汽动能Ah0kJ/kg05.252.55级等熵滞止焓降hs*kJ/kg25070.2577.06速比xa0.2420.5110.522平均截面处反

23、动度Q0.090.040.06静叶出口理想速度cism/s674.54368.5367.42动叶出口理想速度co 2sm/s186.47176.58182静叶速度系数00.9470.9370.941动叶速度系数I0.970.9130.968静叶流量系数口 10.90.90.9动叶流量系数口 20.90.90.9静叶出口截面叶高11mm13.124.3532.27动叶出口截面叶高12mm23.2528.8636静叶出口面积A1mm2794.25233.335853.65动叶出口面积Amm23091.35182.565075.4叶栅面积比f3.890.990.893部分进汽度e0.2311静叶损失

24、hnkJ/kg23.484.237.73动叶损失hbkJ/kg1.032.591.04叶栅环形损失糸数E e000余速损失hc2kJ/kg0.270.1283.38余速利用系数"a0.950.950.95余速利用能量h0kJ/kg05.182.42级的理想能量E0kJ/kg25070.1876.93轮周损失56.1513.7316.13轮周效率n u0.7730.8610.85实际轮周效率n u'0.7760.8650.848隔板汽封漏气量GSkg/s0.030.0920.103漏气损失系数E S0.01750.04780.0659轮盘摩擦损失系数Ef0.00640.01060.0081鼓风损失系数E v0.03200弧端斥汽损失系数E e0.0020.02170.0184湿气损失系数Ex000内效率n oi0.7350.7850.7621级有效