汽轮机课程设计报告书

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1、军工路男子职业技术学院课程设计报告书课程名称院（系、部、中心）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 级号：JackT131141xxxx起 止 日 期：指导师：万福哥前言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 稳定、功率大等特点。在使用化石燃

2、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（或其他被驱动机械，比如 泵、螺旋桨等

3、）、 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 错误!未定义书签。目 录 错误!未定义书签。一、课程设计任务书错误!未定义书签。设计题目错误!未定义书签。已知参数错误!未定义书签。任务与要求错误

4、!未定义书签。二、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错误!未定义书签 汽轮机近似热力过程线的拟定错误!未定义书签。进汽压力损失的初步估计错误!未定义书签。选取机组的相对内效率、发电效率和机械效率错误!未定义书签。近似热力过程曲线的初步拟定错误!未定义书签。汽轮机总蒸汽量D0的估算错误!未定义书签。汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算错误!未定义书签。整机相对内效率错误!未定义书签。三、焓降分配与级数确定错误!未定义书签。第一级平均直径的估计错误!未定义书签。四、级的热力设计错误!未定义书签。调节级选型错误!未定义书签。调节级热力参数的选择错误!未定义书签调节级详细热力计算错误!

5、未定义书签其它压力级的详细计算错误!未定义书签五、整机热力性能校核错误!未定义书签功率校核错误!未定义书签相对内效率校核错误!未定义书签六、转子临界转速强度校核错误!未定义书签转子临界转速计算错误!未定义书签叶片强度校核错误!未定义书签叶根强度校核错误!未定义书签轮缘强度计算错误!未定义书签七、轴封漏气量计算错误!未定义书签高压端轴封漏汽错误!未定义书签低压端轴封漏汽错误!未定义书签八、整机热力过程线和压力级速度三角形汇总错误!未定义书签整机热力过程线错误!未定义书签压力级速度三角形汇总错误!未定义书签九、热力计算数据汇总表错误!未定义书签十、各级叶片型号及参数汇总错误!未定义书签参考文献错误

6、!未定义书签一、课程设计任务书设计题目冲动式机轮机通流部分热力设计已知参数额定功率：P=350kwe额定转速：n=10000r/min进汽压力：P =0进气温度：t =390oc0排汽压力： P=c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D的估算；01.3 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 .设计小结二、汽轮机近似热力过程线的拟

7、定及汽轮发电机组经济指标的初算汽轮机近似热力过程线的拟定进汽压力损失的初步估计进汽节流损失：A P=*P 二0进汽前压力：P=P-AP=10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： P =350kw ,所以取汽轮机相对内效率 :rn二，发电机效率n =（全负荷），机械效率n =ri g m近似热力过程曲线的初步拟定由P=, t =390oc，确定初始状态点“0” 00查表知h=kg, s=00节流后h=h=kg, P=1 0 1确定点“1”。过“0”点做定熵线与P二的定压线交于“z”点，c查表知h =kg, t =ztzt整机理想焓降A h *=h -h 二kgt

8、0 zt整机有效焓降Ah *=n A h *=kgi ri t从而确定“z”点的比焓为H *=h -Ah *=kgz 0 i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汽轮机总蒸汽量D。的估算由额定功率P、有效焓降Ah*、机械效率n、发电机效率n，得eimg总蒸汽量D为D=3.6PeAhi*nmng=h汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算发电机组汽耗率d为01000Dd =0 =0 Pe发电机组热耗率q为0q =d XAh *=0 0 i整机相对内效率整机相对内效率n为riAh *n =ri Ah * t三、焓降分配与级数确定第一级平均直径的

9、估计假设第一级理想等熵焓降为Ah*=250kJ/kg,a二 11假想速度C = 12 Ahs =s as取假想速比X=a由u=X XC 二 ndin/60 aam得节圆直径d 1二，根据式G=nd il eC sin a /vm 1 a 1 1得叶高l二1根据同样的方法，假设末级等熵焓降Ah*二kg，假设末级a = z1计算出末级参数dmz= ，l=z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二，各级理想焓降分别为：Ah *=250kJ/kg、Ah*=65kJ/kg、Ah*=kg1 2 3各节圆直径分别为：d 1=、d 2=、d 3=mmm各级理想焓降与

10、各节圆直径沿级数方向变化趋势见图2-1、2-2：图2-1各级理想焓降沿级数方向变化趋势图2-2各节圆直径沿级数方向变化趋势四、级的热力设计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。调节级热力参数的选择调节级承担绝热焓降Ah为1sAh =250kJ/kg1s调节级进口参数h=kg， P=11查表可知s1=，Vi=kg其它已知参数：喷嘴速度系数二,动叶一速度系数二，导叶速度系数 =, 动叶二速度系数 二第一列动叶反动度叮，导叶反动度叮，第二列动叶反动度叮，总反动 度Q二.调节级详细热力计算(以下公式均

11、来自与汽轮机原理-王新军P38与P40页) 喷嘴理想焓降Ah = (1-Q)XAh =kgns 1s喷嘴速度C =p2 xAhns=sIsnsC 二 XC =s11s喷嘴能量损失Ah =(1-2)Ah =kgngns圆周速度u二nd in/60=sm相对汽流速度w1二-2口1口1口口口01 +二S静叶出汽角B =actan口1口口口口1=1-动叶一理想比焓降? *1 = QA 齐 + 口t =5 kJ/kg 11口 2000动叶出口气流相对速度2口 =& = 48577口/口2 = 2A 占=442.05D/D动叶一损失A Dp口 = （1 口2） A & = 20.28DD/DD动叶一出口绝

12、对气流速度2 =动叶一出口相对气流角(2_2口2口2口口口口 + 口2 = 281.54D/D = 3 = 17.120 21导叶出口绝对气流速度 1口 = Jq2A+ O2/2000 = 324.18D/D 1 =? ；口 = 304.73D/D导叶损失A 二门=（1-口2）能=6.12DD/DD 口2000动叶二进口相对汽流速度 1 = Jd1 2 + 口2 2口1 2口2 = 157.39D/D动叶二进口相对汽流角 / = 口口 ； ；= 43.9301； ； -口动叶二理想比焓降? 乙=Q132；n + 丄=5口口/口U2 13 iU 2000动叶二出口汽流相对速度2口 = J2ADb

13、2 + 口； 2 = 18647口/口口2口= 口2口 = 180.88D/D动叶二损失A 口口2口 = (1 - 2) A & = 1.028DD/DD动叶二出口汽流绝对速度口2口 =口2口一2口2口 匚 + 口2 = 10246口/动叶二出汽角 = ；= 101.6302巴-口余速损失A 二=Dis = 5.25DD/DD 口22000轮周有效焓降A 口 = A 口1口 一 A 口 一 A 口口1口 一 A 口 一 A 口口2口aDD2 = 192.58DD/DD轮周效率 = 0.776口 a 叶高损失Ah 戸=OAflh = & 76DD/DD 口口叶轮摩擦损失、漏气损失、湿汽损失忽略不

14、计级有效比焓降A 口 = A 口 Ah口 = 183.82DD/DD级的相对内效率 =0.735oil 口 U1D级的内功率 口 = = 261.02口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KkJ/kg)6574.51速比Xa0.5110.522比容(m/kg)0.2780.34536静叶出口角a1114假想速度(m/s)360.56386.03节圆直径Dm(m)0.3530.38部分进汽度e11叶高l(m)0.0

15、290.036轴直径(m)0.10.1圆周速度U(m/s)191.85199.02级的平均反动度Q0.040.06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动叶速度系数血0.9130.968级前汽流绝对速度2 (m/s)102.4694.48利用上级余速动能kJ/kg)4.724.02级滞止比焓降t*(kJ/kg)69.7278.53静叶实际焓降n (kJ/kg)58.3772.77静叶出口理想速度is (m/s)368.5372.28静叶出口实际汽流速度(m/s)345.28350.31静叶损失AhnZ (kJ/kg)4.287.94动叶相对汽流速度方向角P

16、26.8533.58静叶相对汽流速度(m/s)145.85131.68动叶理想滞止比焓降血bn*(kJ/kg)2.794.7动叶出口理想相对速度2s (m/s)162.76161.82动叶出口汽流实际相对速度(m/s)148.6156.64动叶损失z (kJ/kg)2.20.82动叶相对速度出口角P23.8530.58动叶绝对速度出口角a125.48109.56动叶出口绝对汽流速處(m/s)94.48126.4余速损失Ahc (kJ/kg)0.520.45轮周有效焓降A(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(k

17、J/kg)2964.042895.92叶轮摩擦损失/hf (kJ/kg)0.690.78叶顶漏气损失丛 (kJ/kg)1.371.37隔板漏气损失/p (kJ/kg)3.023.8级的有效焓降/ii (kJ/kg)49.8448.79级的相对内效率兔0.7840.761轮周有效功率/kW)51.745.38整机功率Pr(kW)358.07重热系数a0.01实际相对内效率入0.749表 4-1 其他各压力级计算五、整机热力性能校核功率校核汽机额定功率P =350kwe由本说明书节可知汽机实际运行功率P=r偏差A 二-口 = 0.023 0.03口汽机运行功率满足要求相对内效率校核预估汽机相对内效

18、率n 二 ri由本说明书节可知汽机实际运行时相对内效率n=rir偏差a -= 0.025 10000口口2 7 of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。叶片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：lCrl3材料密度P =7760kg/m3屈服强度o =420MPa许用应力o = 247.06 口L 口1.7动叶离心拉应力 口 = 2Drd = 60.44口动叶在圆周方向承受的作用力 = （-口2口）= 11.75D口口2动叶在轴向方向承受的作用力

19、= （-口?口）+ （口 一 = 21.8D口口212动叶气流力合力口 = H + 右=24770动叶底部截面弯矩0 =丄匕=0.40D/D02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 = 0.89口口3进、出 = 0.561CC3背动叶进出口截面应力= = 0.44MPa进、出进、出动叶背部截面应力= 口0 = 0.61MPa背 背动叶进出口截面合成应力工= n + = 58.60MPa进、出口进、出动叶背部截面合成应力工= n + = 58.80MPa背背，进 = 247.06口。口 = 247.06口出口背由上述计算可知，末级动叶片承担的最大应力小于许用应力，叶片强

20、度满足 使用条件。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I-I截面的距离a=截面IT处的半径口 = 0.143Di-i截面上的离心拉力C 二R二m11叶根叉数Z=2H铆钉直径d=每叉宽度b=叶片数目ZH=56偏心距E=截面IT处叶片节距t = 2DDi = 0.016 2叶根I-I截面上的离心拉应力n =一0+01一 = 74.49口 口 （-0.5口）口口口

21、2叶根I-I截面系数=(-.5口)2口口口2 = 3.06 * 10-7口36汽流力产生的弯矩和弯应力n = Dn （口 + 口） = 0.36D/D口u 2 =上=0.865口口口1偏心引起的弯矩及弯应力 口 = ( + ) = 5.57D/D H = s+ = 13.79口 口 口1叶根I-1截面合成应力 = 口 + + = 89.13 。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II-II处的半径R2=截面II-II以上的轮缘部分的离心力C 二2QR2 = 5195.87口rim

22、 2轮缘宽度b1=轮周上一排铆钉数目Zr=56轮缘承受拉应力=口2卫+3口口=2 （2口口2-）（口_口口口2）18.26口 轮缘承受应力小于许用应力，轮缘强度满足使用需要。七、轴封漏气量计算本汽轮机采用迷宫式轴封，平齿，如图 7-1，取 d=。图 7-1 迷宫式轴封示意图齿间距s=;齿宽A二；齿高h=;颈项间隙二（以下计算均按照王新军-汽轮机原理P106、P107有关内容进行。高压端轴封漏汽又由占I0.298知N 0.423D+0.5570.9922.3275= 0. 4262达到临界时的临界齿数为 z=3假设总漏气量为AG = 0.01G = 0.0198kg/s高压端漏气量AG1 = 0

23、.7?G = 0.0139kg/s据得根可8-1Z低压端轴封漏汽0.50692= 0.795根据 口 I0.2980 0.423口+0.557可知，达到临界时的临界齿数为 z=2低压端漏气量AG1 = 0.3? G = 0.006kg/s根据Z = 82根据轴封齿数复求高压端、低压端漏气量，有aD1 = 0.0137DD/DADZ = 0.0057口口/口2总漏气量a = AD1 + aD2 = 0.0194DD/D= 0014 = 0.0098 0.011.98满足要求八、整机热力过程线和压力级速度三角形汇总整机热力过程线将各关键位置处的焓值与熵值输入EXCEL中，利用EXCEL强大的计算与

24、绘图能力得到较为真实的的热力过程线，如下图 6-1 所示。3-2503 20031503-10 Q3A5O3W0195 QZ900热力过程线gPlN6.9fi77.027.047.Q67.0S?丄7.127.147.167. IB图 6-1 实际热力过程线图 6-2 各级焓降变化示意图压力级速度三角形汇总第一压力级速度三角形图 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II流量Gkg/s1.711.681.57节圆直径dmmO.327O.353O.38圆周速度um/s171.14191.89199.

25、11级前烝汽压力p0MPa2.3275O.886O.692级前烝汽温度toOc39O282.792255.O35级前烝汽焓值hOkJ/kg3221.493O18.352962.5级前烝汽动能 hOkJ/kgO5.252.55级等熵滞止焓降hs*kJ/kg25O7O.2577.O6速比xaO.242O.511O.522平均截面处反动度QO.O9O.O4O.O6静叶出口理想速度cism/s674.54368.5367.42动叶出口理想速度3 2sm/s186.47176.58182静叶速度系数O.947O.937O.941动叶速度系数O.97O.913O.968静叶流量系数U1O.9O.9O.9动

26、叶流量系数卩2O.9O.9O.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A2mm23O91.35182.565O75.4叶栅面积比f3.89O.99O.893部分进汽度eO.2311静叶损失hnkJ/kg23.484.237.73动叶损失hbkJ/kg1.O32.591.O4叶栅环形损失系数OOO余速损失hc2kJ/kgO.27O.1283.38余速利用系数uO.95O.95O.95余速利用能量hOkJ/kgO5.182.42级的理想能量EOkJ/kg25O7O.

27、1876.93轮周损失56.1513.7316.13轮周效率nuO.773O.861O.85实际轮周效率nuO.776O.865O.848隔板汽封漏气量GSkg/sO.O3O.O92O.1O3漏气损失系数O.O175O.O478O.O659轮盘摩擦损失系数gfO.OO64O.O1O6O.OO81鼓风损失系数gvO.O32OO弧端斥汽损失系数geO.OO2O.O217O.O184湿气损失系数gxOOO内效率noiO.735O.785O.7621级有效率hikJ/kg183.7543.O24O.58内功率NoikW261.O251.7645.38十、各级叶片型号及参数汇总双列复速级喷嘴叶拦型号岀口

28、角口1寅裝甬口产叶片茨虞En叶片弦长bn叶片数目Zn誌直T叶高TC-2Eh._s2390. D3O2_0. 03818ID0. 023630,013.动叶一叶片型号出汽角牡2薛甬辭廿片叶片弦长bb叶片数目恥艇T叶高TFDA：6,2FI0._3, 04_,0. DOT_se0,0270,017导叶叶片型号出口角安裝角叶片iAiBn叶片弦长bn叶片数目氐栽距T叶高TP-和2179_o 045A. 04573G3B0. 0270. 0211动叶二叶片型号出汽角艮2安族角肝叶片宽度13匕叶片弦长bb叶片数目Zb裁距T叶高TP-5A34. 1790. 050. 051 IS3SA. 52030. 023

29、2圧力级一静叶叶片型专出口角04安装ay叶片宽度En叶片弦长tm叶片数目2n截跖叶高TC-LA11_32. U0. 032_0. C61382B_0._0447_jp- 0243动叶叶片型出汽角3 2麦装庠叶片实度Eb叶片弦长bb叶片埶目En截距T叶高TF-3A23. 9790.03_0. 03261640. 019580. 0283压力级二静叶叶片型号出口角安娱甬Qy叶片越厦Bn叶片弦长bn叶片数目n栽距T叶高TC-U：1.232. 5 o 0320. 061 3S3D0. 0460. 0323动叶叶片型号出汽角F 2安装甬Oy叶片宽度13匕叶片弦长bb叶片数目盘艇T叶髙参考文献1 王新军.李亮.汽轮机原理.西安：西安交通大学出版社.2013.2 冯慧雯.汽轮机课程设计参考资料M.水利电力出版社.1992.3 韩中合等.火电厂气机设备运行.北京：中国电力出版社.4 曹祖庆汽轮机的变工况特性M.北京：水利电力出版社.1992.