多级汽轮机的热力设计及末级长叶片气动

一、热力设计的内容二、总体参数的确定三、通流部分各段参数的确定四、焓降分配与级数的确定五、各级参数的初步估算六、通流部分详细计算七、末级长叶片的设计流程

汽轮机通流部分热力设计

及末级长叶片的气动设计一、热力设计的内容汽轮机热力设计的任务：按给定的设计条件，确定通流部分的几何尺寸，力求获得高的相对内效率。汽轮机的通流部分：即汽轮机本体中汽流的通道，包括调节阀、级的通流部分和排汽部分。二、总体参数的确定1）汽轮机的容量2）汽轮机的蒸汽初参数3）汽轮机排汽参数4）汽轮机的转速额定功率Nr（铭牌功率）：指汽轮机在长期连续运行中所能保持的最大功率。1）汽轮机的容量经济功率Nec（设计功率）：是设计计算汽轮机通流部分尺寸所依据的功率。

经济功率的大小要依据所设计的机组将来实际运行时所承担的负荷变化情况来确定。

经济功率可以选得小于额定功率，也可以等于额定功率。对发电机组

尖峰负荷的机组：经济功率选较小值，约为额定功率的75%~80%；1）汽轮机的容量（续）

承担基本负荷的大功率机组：经济功率选较大值，约为额定功率的90%~95%，或等于额定功率；

机组是带基本负荷还是带尖峰负荷，不只决定于机组的容量大小而要由电力供求情况和电网容量的大小来确定。对发电机组

汽轮机的容量（续）1）额定工况汽轮机的铭牌功率通常等于额定功率。该工况的热耗率为汽轮机的保证值。2）能力工况3）最大保证功率工况4）超压5%工况5）设计流量工况汽轮机工况的定义：对发电机组

汽轮机的容量（续）机电炉参数容量的匹配1）锅炉出口与汽轮机进口参数之间的关系；2）再热式机组冷热再热端参数之间的关系；3）回热抽汽口至加热器间的管道压损；蒸汽参数：发电机功率的配置：应等于或大于汽轮机的最大保证功率或最大连续功率。锅炉的最大连续蒸发量(BMCR)：应大于汽轮机的能力流量。对发电机组汽轮机的容量（续）对工业用汽轮机：采用API612标准

1995年6月第4版美国石油学会标准：石油、化工和燃气工业装置用《特种用途汽轮机规范》1.4.22正常运行点：是要求经常运行并要求效率最佳的工况点。该点一般是卖方保证其性能在本标准规定的容差范围内的运行点。汽轮机的容量（续）工业用汽轮机：项目单位正常点额定点最大工况转速rpm121251221512825功率kW661672127933进汽压力MPa(a)5.0(5.29/4.71)进汽温度℃435(445/425)进汽流量t/h~28.84~31.36~35.10排汽压力MPa(a)0.010排汽温度℃45.8最大连续转速rpm12825调速范围Rpm8550~12825跳闸转速rpm14108例:N8.0-5.0/4352）汽轮机的蒸汽初参数蒸汽初参数通常是根据系列标准来确定的。它是随机组容量增大而提高的。2）汽轮机的蒸汽初参数（续）2）汽轮机的蒸汽初参数（续）当汽轮机进汽温度提高至560C~580C以上时，需要使用奥氏体钢，这种钢材成本昂贵、工艺性能差，给机组制造和运行维护带来困难。520C~565C高级珠光体钢容许强度的温度。1）高压缸厚度显著增加，可达100mm以上，法兰厚度可达300mm以上；2）分别采用隔板套或多层汽缸的结构，汽缸形状也尽量均匀对称；3）采用整段转子的结构。针对高参数所采用的结构：3）汽轮机的排汽参数电站凝汽式汽轮机的排汽参数冷却水温(0C)101520252730背压(MPa)0.003~0.0040.004~0.0050.005~0.0060.006~0.0070.007~0.0080.008~0.010背压式汽轮机的背压额定背压(MPa)0.30.51.01.32.43.6调整范围(MPa)0.2~0.40.4~0.70.8~1.31.0~1.62.1~2.63.4~3.8对凝汽式汽轮机：4）汽轮机的转速高转速：电站用汽轮机的转速是由电网周波决定的。发电机的极数只能成对地增加或减少，所以大型汽轮机的转速只能选用两档：50Hz:3000r/min1500r/min60Hz:3600r/min1800r/min为避免减速齿轮的传动损失，都采用直接带动发电机。A）大容量机组B）小功率或中等容量高参数的机组为提高效率，采用更高转速，通过减速齿轮机构与发电机连接，也可直接用来拖动水泵或风机。4）汽轮机的转速（续）西门子工厂工业汽轮机系列主要参数基本型号最大功率(kW)转速(r/min)初压/初温(MPa/°C)最高背压(MPa)HG25/16HG32/20HG40/25HG50/32MG25/20MG32/25MG40/32MG50/40EMG25/20EMG32/25EMG40/32EMG50/405000800012500200009000140002250026000140002250036000560008800~160007000~125005600~100004500~800016000~2000013000~1600010000~125008000~1000016000~2000013000~1600010000~125008000~1000013.73/54013.73/54013.73/54013.73/54013.73/54013.73/54013.73/54013.73/54013.73/54013.73/54013.73/54013.73/5404.54.54.54.54.54.54.51.471.471.471.47注：HG高压背压式；MG高速背压式；EMG高速抽汽背压式。三通流部分各段参数的确定抽汽汽轮机各段设计参数的确定C6.5-8.4/4.0项目单位正常工况额定工况最大工况凝汽工况转速rpm11945122141282511945功率kW6578723679606117进汽压力MPa(a)8.40进汽温度℃515进汽流量t/h77.81080.15083.24025.0抽汽压力MPa(a)4.03.568（解列）抽汽温度℃433.7432.7433.0445.2抽汽流量t/h606060/排汽压力MPa(a)0.012排汽温度℃49.4排汽量t/h17.01819.25222.18523.848多级透平中，任何一级的焓降可表示为：四焓降分配与级数的确定第一级的平均直径：末级的平均直径：例：N8.0-5.0/435机组d1及dz估算1)正常工况流量的估算

最大工况流量的估算2)d1的估算由前知：流量Gvwo=39.35t/h=10.932kg/s

调节级d1的估算2)第一压力级d1的估算3)末级dz的估算流量Gz=28.54t/h=7.93kg/s3)末级dz的估算4)末级环形排汽面积的估算确定各级焓降和级数确定汽轮机级数及焓降用图(1)各段的平均焓降(2)压力级级数：确定重热系数经验公式：(3)Z取整焓降分配图分为（Z-1）校核末级焓降，调整中间级焓降五各级进出口参数的估算六通流部分级的详细计算通流部分级详细计算方法及注意事项：速度三角形：w1uc2uu1u2c1uw2uw1uc2uu1u2c1uw2u速度三角形特点：级的热力过程膨胀线：几个主要参数的选择：1）喷嘴出汽角

1和动叶出汽角2的选择2）部分进汽度的选择3）盖度的选择4）冲动级内反动度的选择通流部分级详细计算方法及注意事项（续）：1）喷嘴出汽角1、2的选择

1：影响到汽轮机的做功能力、效率及叶片高度适当

1做功能力、轮周效率

1过小1、*2减小，使汽流在动叶栅中转折厉害动叶损失增加在高压段一般冲动级1=110~140

反动级1=140~200在低压级1逐级增大，后面几级冲动级达200左右复速级中为不使1、*2太小，1可取大些，130~1802：冲动级：复速级：2）部分进汽度e的选择部分进汽度e的选择原则：1)使叶栅的端部损失及部分进汽损失之和最小；2)考虑结构因素的影响。一般压力级：e=1

调节级：e<1；e≯0.8但e≮0.15

反动级：e=1３）盖度的选择盖度过小：会使汽流撞击动叶栅而造成损失。原因：制造和安装误差，运行时动静部分变形不一致，汽流向外扩散等原因。盖度过大：使停滞的蒸汽被吸到动叶汽道中扰乱汽流。叶高与盖度之间的关系

４)冲动级内反动度的选择

4)冲动级内反动度的选择(续)

选择原则：根部不漏汽也不吸汽。a)根部反动度较大时：产生根部漏汽现象；b)根部反动度很小或为负值时：产生根部吸汽现象；c)根部反动度r=0.03~0.05时：不漏汽也不吸汽。因为：☆泵浦效应

☆射汽抽汽效应ej=0.01~0.02☆叶轮反动度4)冲动级内反动度的选择(续)

汽轮机动静叶栅的面积比汽轮机动静叶栅的面积比(续）汽轮机动静叶栅的面积比(续）汽轮机动静叶栅的面积比(续）汽轮机动静叶栅的面积比(续）汽轮机动静叶栅的面积比(续）七、长叶片的设计流程

长叶片的设计和制造是一个复杂的系统工程。它不仅在气动、成型设计及强度、振动分析方面需精心设计，而且在材料研制和频率测试调整等方面都要求有较高的技术水平和综合能力。

所以末级长叶片的水平，往往标志着一个国家汽轮机和机械工业的发展水平。六、长叶片的设计流程1）热力气动设计；2）机械设计；3）气动性能试验、机械和强度振动试验。长叶片开发流程图长叶片开发流程图长叶片气动设计目的1）高效率☆采用全三元的设计计算技术：由于末级叶片一般占机组总功率的6~10%；提高其效率对机组效率影响较大；☆采用叶型损失小的叶片；☆降低排汽余速损失。2）配置优化末级动叶与静叶的配置优化，末级动叶与排汽涡壳的配置优化。

末级长叶片系列制造厂额定功率叶片高度平均直径径高比叶顶速度环形面积(MW)(m)(m)=d/l(m/s)m2哈汽600(引进型）0.8672.6323.035504×7.169上汽300(引进型）0.8672.6073.015452×7.101上汽3000.702.0352.914304×4.475东汽3001.002.6002.605652×8.168北重3000.8512.5212.965302×6.740哈汽2000.6652.00