汽轮机课程设计多级凝汽式汽轮机组热力设计.doc

Jilin Jian zhu University课程设计计算书设计名称 汽轮机课程设计 学 院 市政与环境工程学院 专 业 热能与动力工程 班 级 热能121 姓 名学 号指导教师 设计时间 2015.7.6-7.17 目录绪论41.近似热力过程曲线的拟定52.估算汽轮机进汽量D063.确定抽汽压力74.各级加热器抽汽量计算84-1 H1高压加热器84-2 H2高压加热器94-3 Hd-除氧器114-4 H3低压加热器124-5 H4低压加热器125.流经汽轮机各级组的蒸汽流量及其内功率计算调节级146.计算汽轮机装置的经济性167.通流部分选型207-1 配气方式和调节型选型207-2调节级几何参数的选择207-3各级平均直径的确定217-3-1 第一压力级平均直径的估取217-3-2本机末级直径的估取217-3-3确定压力级平均直径的变化217-4级数的确定及比焓的分配227-4-1级数的确定227-4-2比焓降分配238.汽轮机双列调节级的热力计算248-1 叶型及其选择248-1-1 叶片型线图248-1-2叶型及有关参数的选择258-2 调节级的热力计算26总结35参考文献36绪论一设计题目 多级凝汽式汽轮机组热力设计二设计内容 1、按所给参数分析并确定热力设计的基本参数； 2、拟定汽轮机近似热力过程曲线和原则性热力系统，进行汽耗量、回热系统热平衡及热经济性的初步计算； 3、确定调节级的形式、比焓降、叶型及尺寸，速比选用0.23/0.26； 4、确定压力级的级数和排气口数，并进行各级比焓降分配； 5、对压力级进行热力计算，求出各级通流部分的几何尺寸、相对内效率和内功率，确定汽轮机实际的热力过程曲线； 6、整理说明书，并给出热力计算结果汇总表。三设计要求 1、运行时有较高经济性； 2、不同工况下工作时均有较高可靠性； 3、在满足经济性和可靠性的同时，还应考虑到汽轮机的结构紧凑，系统简单，布置合理，成本低廉，安装与维修方便，以及零件的通用化和系列等因素。四主要参数 汽轮机额定功率（Pr,kW） 50000 汽轮机涉及功率（Pe,kW） 40000 汽轮机初压（P0,MPa） 8.5 汽轮机初温（t0,） 535 汽轮机工作转速（n,r/min） 3000 汽轮机排气压力（Pc,MPa） 0.0045 给水温度（tfw,） 158 冷却水温度（tc1,） 20 凝汽器出口水温（tc,） 31.5 给水泵压头（Pfp,MPa） 0.28 凝结水泵压头（Pcp,MPa） 1.18 射汽抽气器汽耗量（Dej,t/h） 1.2 射汽抽气器出口水温（tej,） 38.68 射汽抽气器比焓降（hej,kJ/kg） 558.3 回热级数（Z,级） 5前言汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式热能动力机械，与其他原动机相比，他具有单机功率大、效率高、运转平稳和使用寿命长等优点。汽轮机的主要用途是作为发动机的原动机。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，都采用益汽轮机为动力的汽轮发电机组。汽轮机能变速运行，可用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。汽轮机的排气或中间抽气还可以用来满足生产和生活上的供热需要。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得以合理有效地利用。汽轮机必须与锅炉（或其他蒸汽发生装置）、发电机（或其他被驱动机械）、以及凝汽器、加热器、泵等机械设备组成成套装置，共同工作。具有一定温度和压力的蒸汽可来自锅炉或其他气源，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气部分排出。在火电厂中，其排气通常被引入凝汽器，向冷却水放热而凝结，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。1.近似热力过程曲线的拟定 在h-s图上，由Pc=8.5，t0=535可确定汽轮机进气状态点0，并查得初焓h0=3480.09kJ/kg。 设进气机构的节流压力损失P0=0.04P0，得调节级前压力P0=P0-P0=8.5-0.04×8.5=8.16MPa。并由此可确定调节级前蒸汽状态点1，过1点作等熵线向下交P2=0.0048MPa线于2点，查得h2t=2061。86kJ/kg。因此，整机的理想比焓降htmac=h0-h2t=3480.09-2061.86=1418.23kJ/kg。 估取汽轮机相对内效率ri=85.5%。 整机的有效比焓降himac=htmac×ri =1418.23×0.85=1212.59kJ/kg，汽轮机排汽比焓hz=h0-himac=3480.09-1212.59=2267.5kJ/kg。用直线连接1、Z两点，在中间点3处沿等压线下移20-25kJ/kg得到点3。用平滑的曲线连接1、3、Z三点，得到该机在设计工况下的近似热力过程曲线，如图1所示。 图1 50MW凝汽式汽轮机近似热力过程曲线本汽轮机回热系统如图2所示，图中H1,H2为高压加热器，H3,H4为低压加热器，Hd为除氧器，共五级回热抽汽。图22.估算汽轮机进汽量D0 设m=1.12，机械效率m=0.97，发电机效率g=0.97，汽轮机漏汽量D=3%De，且有： （上式中没有考虑汽轮机轴封漏气）3.确定抽汽压力该汽轮机采用大气压力式除氧器，除氧器压力为0.118MPa，对应的饱和水温度ted=104.25,考虑到非调节抽汽随负荷变化的特点，为了维持所有工况下除氧器都能定压运行，供给除氧器的回热抽汽压力一般比除氧器的压力高0.02-0.03 MPa。本机采用70%负荷以下时除氧器与H2高压加热器共汽源的运行方式，所以，除氧器的回热抽汽压力仅比除氧器工作压力高出0.024 MPa。根据给水温度tfw=158可得H1高压加热器给谁出口温度tw2=158，且除氧器出口水温twd=104.3，根据温升（等比焓升）分配原则，的H2高压加热器给谁出口温度： 取tw2=131。用同样方法选取各低压加热器的出口水温tw2（见表1）。根各加热器的出口水温tw2及出口端差t，可得加热器疏水温度te=tw2+t，查得te对应的饱和压力Pe（见表1）。在拟定近似热力曲线上求出各回热抽汽比焓值he，如图3所示。图34. 各级加热器抽汽量计算5.4-1 H1高压加热器5.其给水量为该加热器平衡方程式为式中，-加热器效率，一般取=0.98（下同）。该级回热抽气量为：上式中有关符号的意义及数值见表1和表2。高压加热器热平衡图如图4（a）所示。 图4 加热器平衡图 (a)加热器 (b)加热器 (c)除氧器4-2 H2高压加热器 该加热器热平衡图如图4（b）所示，先不考虑漏入高压加热器的那部分轴封漏气量以及上级加热器流入本级加热器的疏水量，则该级加热器的计算抽气量为： 表1 50MW 凝汽式汽轮机加热器汽水参数加热器号抽气压力（）抽气比焓（kJ/kg）抽气管压损（%）加热器工作压力饱和水温（）饱和水比焓（kJ/kg）出口端差（）给水出口水温（）给水出口比焓（kJ/kg）0.72482938.080.6668163688.635158666.890.35042805.080.3224136572.055131550.660.14192672.0170.1178104.25437.040104.25437.040.05822556.080.053583347.54380334.950.02072437.080.019059246.97356234.42、考虑上一级加热器疏水流入高压加热器并放热可使本级抽气量减少的相当量为： 考虑前轴封一部分漏气量，漏入本级加热器并放热可使本级会热抽气量减少的相当量为： 式中-轴封漏气比焓值，相当于调级后气室中蒸汽的比焓，本级高压加热器实际所需回热抽气量为： 4-3 -除氧器除氧器为混合式加热器，其热平衡图如图4（c）所示。分别列出除氧器的热平衡方程式和质量平衡方程式如下：将已知数据代入上述两式中，整理后得：联立上式求解可得：除氧器抽气量 （t/h）凝结水量 （t/h）4-4 低压加热器该级加热器热平衡图与高压加热器的热平衡图相同，其回热抽气量为4-5 低压加热器该级加热器凝结水进口水温与凝汽器压力及流经抽气冷却器的温升有关。当，凝汽器压力=0.0043MPa时，对应的凝结水饱和温度=31.5，比焓值=2558.43kJ/kg。凝结水流经抽气冷却器的温升可根据冷却器的热平衡公求得其比焓升为：式中 为抽气冷却器中蒸汽的比焓降。为抽气汽耗量，两者为已知数据考虑传热效率等因素，凝结水泵压头=1.18MPa，该压力下水在3040之间比焓升对应的温升=35，取=3。H4低压加热器凝结水进口水温对应的比焓值的计算抽气量为： 的疏水流入引起末级回热抽气量减少的相当量为： 的实际回热抽气量为 5.流经汽轮机各级组的蒸汽流量及其内功率计算调节级 （调节级后压力为3.11MPa，比焓值=3181kJ/kg。待调节级型式选定及热力计算后求得，第一次估算时，可估取调节级理想比焓降及级效率后在h-s图的近似热力过程曲线上查得）第一级组 第二级组 第三级组 第四级组 第五级组 第六级组 整机内功率 6.计算汽轮机装置的经济性机械损失 汽轮机轴端功率 发电机出线端功率 符合设计工况的要求，说明原估计的蒸汽量正确汽耗率 不抽气时（回热抽气停用）估计汽耗率： 汽轮机装置的热耗率： 汽轮机装置的绝对电效率：本机计算结果列于表2内表2 50MW凝汽式汽轮机热平衡计算数据汽轮机初压MPa8.5射汽抽气器汽耗量t/h1.2汽轮机背压MPa0.0045/0.0043汽轮机初温535射汽抽气器比焓降kJ/kg558.3凝汽器出口水温31.5汽轮机初比焓kJ/kg3480.09汽轮机总进气量t/h142.79抽汽冷却器出口水温34.5工作转速nr/min3000前轴封漏气量t/h1给水泵压头MPa0.28冷却水温20流入凝汽器蒸汽量t/h112.557凝结水压头MPa1.18热平衡计算数据加热器抽气压力MPa0.72480.35040.14190.05820.0207抽气比焓kJ/kg2938.02805.02672.02556.02437.0加热器压力MPa0.66680.32240.11780.05350.0190下饱和水温度163136104.258359下饱和水比焓kJ/kg688.63572.05437.04347.54246.971kg蒸汽放热量kJ/kg2249.372232.952234.962208.462190.03被加热的凝结水量t/h143.99143.99124.637124.637124.637加热器进口水温131104.25805634.5加热器进口水比焓kJ/kg550.66437.04334.95234.42144.56加热器出口端差55033热平衡计算数据加热器凝结给水出口水温tw2158131104.258056出口水比焓kJ/kg666.89550.66437.04334.95234.42给水比焓升kJ/kg116.23113.62102.09100.5389.86抽气量计算抽气量Deit/h7.5927.4764.8155.7894.891前轴封回收相当量t/h0.934上级加热器疏水相当量t/h0.3960.266实际抽气量t/h7.5926.1461.5135.7894.625汽轮机装置的热力特性数据排气比焓kJ/kg2267.5机械损失kW443.1不抽汽时汽耗率kg/（kW·h）3.098等比熵排气比焓kJ/kg2061.86联轴器端功率kW4386.3给水温度158理想比焓降kJ/kg1418.23发电机效率97给水比焓kJ/kg666.89有效比焓降kJ/kg1212.59发电机端功率kW42547.7热耗率kg/（kW·h）9416.6汽轮机内效率85.5汽轮机总进气量t/h142.79绝对电耗率38.24汽轮机内功率kW44306.7汽耗率kg/（kW·h）3.3567.通流部分选型7-1 配气方式和调节型选型 本机设计为凝汽式汽轮机 其配气方式为喷嘴配气方式，调节级为双列调节级，因为双列调节级能承担较大的比焓降，为160-500kJ/kg,本机取350kJ/kg。调节器后压力为3.11MPa，调节级速度比，速度比取低得反动度和部分进去度选小值反动度 为第一列动叶反动度 取为导叶反动度 取为第二列动叶反动度 取假设是全部进气量在临界状态下通过调节级所需要德喷嘴当量面积，则： 体积流量 进入喷嘴的蒸汽初速：7-2调节级几何参数的选择考虑制造工艺、调节级叶片的高度及第一压力级平均直径，本机调节级平均直径取7-3各级平均直径的确定7-3-1 第一压力级平均直径的估取 式中 取；级理想比焓将，假设=50 kj/kg则 7-3-2本机末级直径的估取则 （m） 式中 通过末级的蒸汽流量，kg/s 末级动叶出汽角，一般取 末级余速损失系数，一般，取=0.020 末级动叶排气比容， 查得 末级径高比， 本机取则 7-3-3确定压力级平均直径的变化采用作图法确定压力级平均直径的变化规律，如图5所示，在横坐标上任取长度为的线段BD，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，如图5中的AB与。根据所选择的通道形状，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。7-4级数的确定及比焓的分配7-4-1级数的确定7-4-1-1级数的确定先求压力级平均直径在图5上将BD线段分为10等分，如图5中1-29点，从图中量出各段长度，求出平均直径7-4-1-2压力级平均理想比焓降 式中根据范围选择，取则 7-4-1-3级数的确定 （取整）式中压力级组理想比焓将；重热系数，取则取级 图5 压力级平均直径变化规律校核：式中系数，取；压力级组的内效率，则在误差范围内，估取正确7-4-2比焓降分配7-4-2-1各级平均直径的求取 将图5中线段BD重新分为13份，在平均变化曲线AC上求出各级的平均直径，如图7-4-2-2各级比焓分配根据求出的各级平均直径，选取相应的速度比，根据式求出各级的理想比焓降，将参数列成表3表3比焓降分配辅助用表格级号平均直径速度比试算理想比焓降dmxaht11.0070.4952.121.0600.4957.731.0810.4960.041.1020.4962.451.1340.4966.161.1990.4973.971.2240.4977.081.2800.5080.991.3280.5087.0101.4000.5096.7111.4740.50107.2121.5730.50122.1131.1400.50132.7141.7630.50153.4总和1229.27-4-2-3各级比焓降的修正调整时应注意以下几点：除氧器的抽汽压力应大于其额定值，以免负荷变小时不能保证充分除氧；除氧器前一级抽汽压力不可过高，否则容易引起给水除氧器内德自生沸腾；满足给水温度要求。8.汽轮机双列调节级的热力计算8-1 叶型及其选择8-1-1 叶片型线图 叶栅中叶片的横截面形状成为叶型，其周线称为型线。如图6所示为汽轮机叶栅参数示意图。图6 叶栅参数T叶栅节距；b叶栅弦长；喷嘴与动叶的安装角；B叶栅宽度8-1-2叶型及有关参数的选择8-1-2-1叶型的选择 本汽轮机喷嘴气流速度的马赫数在之间，所以选用带b的跨音速叶栅，具体选取如下：喷嘴 TC2b型 叶宽30.2mm 安装角39°第一列动叶片 TP1b型 叶宽38mm 安装角81°导叶 TP3A 叶宽32mm 安装角80°第二列动叶片 TP5A型 叶宽38mm 安装角79°8-1-2-2叶片弦长的选择弦长 式中 B叶栅宽度，（mm） 喷嘴与动叶安装角则：喷嘴 第一列动叶 导叶 第二列动叶 8-1-2-3相对节距和叶片数Z的确定喷嘴或导叶的相对节距，在选定型叶片时估取，则喷嘴或导叶的节距动叶的节距则喷嘴取 第一列动叶，取 导叶取 第二列动叶取 喷嘴数 （取整，偶数）式中平均直径，mm 取；部分进气度， ，取则喷嘴叶片数取导叶及动叶片数则：第一列动叶片数取导叶片数取第二列动叶片数取8-2 调节级的热力计算已知：级流量G=39.66kg/s，级前参数MPa，kJ/kg，级后压力MPa，转速n=3000r/min,反动度，m/s。由在h-s图上查得级理想焓降kJ/kg，压力比=3.11/8.16=0.380<0.4,所以可取1425%，级总反动度： 喷嘴中理想比焓降（kJ/kg）初速动能 （kJ/kg）滞止理想比焓降 kJ/kg喷嘴出口汽流理想速度 喷嘴速速系数取0.95 喷嘴出口汽流实际速度 喷嘴后压力查得，喷嘴压力比，所以采用渐缩喷嘴，喷嘴出口面积即喷嘴喉部面积: 喷嘴出口叶片高度 mm第一列动叶中理想比焓降 kJ/kg第一列动叶中理想进口汽流方向 调节级圆周速度 m/s则 第一列动叶进口汽流速度 m/s第一列动叶进口速度动能 kJ/kg第一列动叶滞止比焓降 kJ/kg第一列动叶出口汽流理想速度 m/s第一列动叶速度系数取第一列动叶出口汽流实际速度 m/s第一列动叶出口绝对速度的方向和大小： m/s第一列动叶动能损失kJ/kg第一列动叶余速损失kJ/kg导叶中理想比焓降 kJ/kg导叶进口汽流方向 导叶进口汽流速度 m/s导叶进口速度动能 kJ/kg导叶滞止比焓降 kJ/kg导叶出口理想速度 m/s导叶出口速度系数 ，则导叶出口实际速度 m/s导叶出口绝对速度方向和大小： m/s导叶余速损失 kJ/kg第二列动叶的理想比焓降 kJ/kg进口汽流方向 第二列动叶进口汽流速度 m/s第二列动叶进口速度动能 kJ/kg第二列动叶滞止比焓降 kJ/kg第二列动叶出口汽流理想速度 m/s第二列动叶速度系数，则第二列动叶出口汽流实际速度 m/s第二列动叶出口绝对速度方向和大小： m/s第二列动叶损失 kJ/kg第二列动叶的余速损失 kJ/kg第一列动叶出口面积 部分进汽度 第一列动叶高度 mm面积比 导叶出口面积 导叶高度 mm面积比 第二列动叶出口面积 第二列动叶高度 面积比 将以下计算得数据列入表4图7、图8、图9分别为本汽轮机双列调节级的通道形式、热力过程曲线及速度三角形示意图 图7 双列组通道形式 图8、双列级热力过程曲线 图9 双列级速度三角形 表4 双列级热力计算数据表序号名称符号单位喷嘴第一列动叶导叶第二列动叶1蒸汽流量Gkg/s39.662级前压力P0MPa8.163级前蒸汽比焓h0kJ/kg3480.094级前蒸汽比容m3/kg0.4325级平均直径mm11006级后压力MPa3.117级理想比焓降kJ/kg3508级假象速度m/s691.169圆周速度m/s172.7810速度比0.2411部分进汽度e0.41612进口蒸汽温度53513进口蒸汽压力MPa8.163.773.423.3614进口蒸汽比焓kJ/kg3480.093219.43188.23172.615叶栅进汽角(°)19.1119.1124.4137.4516进口汽流初速m/s0624.71478.32302.3217初速动能kJ/kg0195.13114.4045.7018反动度%16.421.7943.43619叶栅理想比焓降kJ/kg274.22557.476.2812.0320叶栅后理想比焓kJ/kg3209.43161.93181.93160.6 续表421叶栅前滞止压力MPa8.165.663.693.4922滞止理想比焓降kJ/kg345.962252.60120.6857.7323叶栅前滞止比容m3/kg0.04320.130.1720.19824叶栅后压力MPa3.773.423.363.1125叶栅后比容m3/kg0.1710.2020.2080.213526叶栅压力比0.3710.5770.8440.89927出口汽流理想速度m/s831.794710.76491.26339.7828速度系数0.950.90.920.9329出口汽流实际速度m/s790.205639.68451.96315.9930流量系数0.9731出口面积44.512125.24182.52267.9632叶栅损失kJ/kg33.7349.9918.547.8033排气速度m/s192.6234余速方向(°)60.3835余速损失kJ/kg18.5536轮周效率%70.937单位蒸汽轮周功kJ/kg288.238轮周效率%75.1239轮周有效比焓降kJ/kg216.540相对误差%9.75941叶高损失kJ/kg16.60 续表442轮周有效比焓降kJ/kg193443轮周效率%65.344扇形损失kJ/kg0.08245叶轮摩擦损失kJ/kg3.28046部分进汽损失kJ/kg14.2147级有效比焓降kJ/kg188.848级效率%56.349内功率kW7487.8总结通过这次多级汽轮机热力过程的设计，我进一步熟悉了汽轮机的主要结构，提高了综合利用汽轮机的能力，为学习以后的课程和今后的工作中专研学科专业技术打下扎实基础。多级汽轮机人力过程设计对理论与实践相结合的重要意义是增强动手能力，加强对理论的理解和认识。 在多级汽轮机热力过程的设计过程中，刚喀什汽轮机的设计师，由于对知识的不熟悉，不知道如何动手。于是通过参考同学的成果以及查阅一定的资料，终于开始了行动。遇到困难是不可避免的，而且由于理论的种种不足很多计算似乎无法进行，只有参考前辈设计计算才勉强为之下来。最为重要的是设计是一个学习和实践的过程，只有行动了才能真正遇到问题，真正解决问题，真正有所收获。 总而言之，收获很大，对汽轮机有了更加全面和具体的认识，也进一步提高了实践能力。 在汽轮机原理课程设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点： (1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；(3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力；(4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。参考文献1黄树红.汽轮机原理.中国电力出版社，2008.2沈士一.汽轮机原理M.北京：中国电力出版社，2007.3肖增弘等.汽轮机设备及系统.中国电力出版社，2008.4翦天聪主编.汽轮机原理.华中理工大学出版社，2004.5黄保海等.汽轮机原理与构造M.北京：中国电力出版社，2002.6冯慧雯.汽轮机课程设计参考资料M.水利电力出版社，1992.7韩中合等.火电厂气机设备运行.北京：中国电力出版社，2002.8.8曹祖庆.汽轮机的变工况特性M.北京：水利电力出版社，1992.