汽輪機課程設(shè)計報告書

1、軍工路男子職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計報告書 課 程 名 稱： 透平機械原理課程設(shè)計 院（系、部、中心）：能源與動力工程學(xué)院 專 業(yè)：能源與動力工程 班 級： 2013級 姓 名： JackT 學(xué) 號： xxxx 起 止 日 期：2016.12.19-2017.1.6 指 導(dǎo) 教 師： 萬福哥 前 言我校研究的透平機械主要是是以水蒸汽為工質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式動力機械，即汽輪機，常用于火力發(fā)電。汽輪機通常與鍋爐、凝汽器、水泵等一些列的設(shè)備、裝置配合使用，將燃煤熱能通過轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)電能。與其它原動機相比，汽輪機機具有單機功率大、效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)和使用壽命長等優(yōu)點，但電站汽輪機在體積方面較為龐大。 汽輪機的主要用途是

2、作為發(fā)動機的原動機。與常規(guī)活塞式內(nèi)燃機相比，其具有輸出功率穩(wěn)定、功率大等特點。在使用化石燃料的現(xiàn)代常規(guī)火力發(fā)電廠、核電站及地?zé)岚l(fā)電站中，都采用以汽輪機為原動機的汽輪發(fā)電機組，這種汽輪機具有轉(zhuǎn)速一定的特點。汽輪機在一定條件下還可變轉(zhuǎn)速運行，例如驅(qū)動各種泵、風(fēng)機、壓縮機和船舶螺旋槳等，我國第一艘航母“遼寧號”就是以汽輪為原動機。汽輪機的排汽或中間抽氣還可以用來滿足工業(yè)生產(chǎn)（卷煙廠、紡織廠）和生活（北方冬季供暖、賓館供應(yīng)熱水）上的供熱需要。在生產(chǎn)過程中有余能、余熱的工廠企業(yè)中，還可以用各種類型的工業(yè)汽輪機（包括發(fā)電、熱電聯(lián)供、驅(qū)動動力用），使用不同品位的熱能，使熱能得以合理且有效地利用。 汽輪機與鍋

3、爐（或其他蒸汽發(fā)生裝置，比如核島）、發(fā)電機（或其他被驅(qū)動機械，比如泵、螺旋槳等）、 凝汽器、加熱器、泵等機械設(shè)備組成成套裝置，協(xié)同工作。具有一定溫度和壓力的蒸汽可來自鍋爐或其他汽源，經(jīng)主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥進入汽輪機內(nèi)，依次流過一系列環(huán)形安裝的噴嘴柵（或靜葉柵）和動葉柵而膨脹做功，將其熱能轉(zhuǎn)換成推動汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械功，通過聯(lián)軸器驅(qū)動其他機械，如發(fā)電機。膨脹做功后的蒸汽由汽輪機的排汽部分排出。在火電廠中，其排氣通常被引入凝汽器，向冷卻水或空氣放熱而凝結(jié)，凝結(jié)水再經(jīng)泵輸送至加熱器中加熱后作為鍋爐給水，循環(huán)工作。 目 錄前 言2目 錄3一、課程設(shè)計任務(wù)書51.1 設(shè)計題目51.2 已知參數(shù)51.3 任

4、務(wù)與要求5二、汽輪機近似熱力過程線的擬定及汽輪發(fā)電機組經(jīng)濟指標(biāo)的初算62.1 汽輪機近似熱力過程線的擬定62.1.1 進汽壓力損失的初步估計62.1.2 選取機組的相對內(nèi)效率、發(fā)電效率和機械效率62.1.3 近似熱力過程曲線的初步擬定62.2 汽輪機總蒸汽量D0的估算62.3 汽輪發(fā)電機組汽耗率與熱耗率的初算72.4 整機相對內(nèi)效率7三、焓降分配與級數(shù)確定83.1 第一級平均直徑的估計8四、級的熱力設(shè)計94.1 調(diào)節(jié)級選型94.2 調(diào)節(jié)級熱力參數(shù)的選擇94.3 調(diào)節(jié)級詳細(xì)熱力計算94.4其它壓力級的詳細(xì)計算11五、整機熱力性能校核135.1 功率校核135.2 相對內(nèi)效率校核13六、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)

5、速強度校核146.1 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算146.2 葉片強度校核146.3 葉根強度校核156.4 輪緣強度計算16七、軸封漏氣量計算187.1 高壓端軸封漏汽187.2 低壓端軸封漏汽18八、整機熱力過程線和壓力級速度三角形匯總208.1整機熱力過程線208.2壓力級速度三角形匯總21九、熱力計算數(shù)據(jù)匯總表22十、各級葉片型號及參數(shù)匯總23參考文獻(xiàn)24一、課程設(shè)計任務(wù)書1.1 設(shè)計題目 沖動式機輪機通流部分熱力設(shè)計1.2 已知參數(shù) 額定功率：Pe=350kw 額定轉(zhuǎn)速：n=10000r/min 進汽壓力：P0=2.45MPa 進氣溫度：t0=3900c 排汽壓力：Pc=0.50MPa 1.3

6、任務(wù)與要求 汽輪機近似熱力過程線的擬定及汽輪發(fā)電機組經(jīng)濟指標(biāo)的初算 1 汽輪機熱力過程線的擬定 ； 2 汽輪機總蒸汽量D0的估算 ； 3 汽輪發(fā)電機組汽耗率與熱耗率的初算 調(diào)節(jié)級的熱力設(shè)計 ；1調(diào)節(jié)級選型；2調(diào)節(jié)級熱力參數(shù)的選擇；3調(diào)節(jié)級詳細(xì)熱力計算; 3 整機熱力性能校核 4 整機熱力過程線和壓力級速度三角形匯總 5 熱力計算數(shù)據(jù)匯總表 6 設(shè)計小結(jié)二、汽輪機近似熱力過程線的擬定及汽輪發(fā)電機組經(jīng)濟指標(biāo)的初算2.1 汽輪機近似熱力過程線的擬定2.1.1 進汽壓力損失的初步估計進汽節(jié)流損失： P=0.05*P0=0.1225MPa進汽前壓力： P1=P0-P=2.3275MPa2.1.2 選取機

7、組的相對內(nèi)效率、發(fā)電效率和機械效率 由于汽輪發(fā)電機組的額定功率：Pr=350kw ,所以取汽輪機相對內(nèi)效率: ri=0.73，發(fā)電機效率g=0.970 (全負(fù)荷)，機械效率m=0.9872.1.3 近似熱力過程曲線的初步擬定由P0=2.45MPa，t0=3900c，確定初始狀態(tài)點“0”，查表知 h0=3216.88kJ/kg, s0=6.7kJ/(kg.K)節(jié)流后 h1=h0=3216.88kJ/kg, P1=2.3275MPa確定點“1”。過“0”點做定熵線與Pc=0.50MPa的定壓線交于“z”點，查表知 hzt=2827.37kJ/kg, tzt=187.2470c整機理想焓降 ht*=

8、h0-hzt=389.51kJ/kg整機有效焓降 hi*=riht*=280.45kJ/kg從而確定“z”點的比焓為 Hz*=h0-hi*=2936.43kJ/kg然后過“z”作等焓線交過“z”的等壓線于點2，過“1”、“2”點作光滑曲線即為汽輪機的近似熱力過程線 2.2 汽輪機總蒸汽量D0的估算由額定功率Pe、有效焓降hi*、機械效率m、發(fā)電機效率g，得總蒸汽量D0為 D0=4.69t/h2.3 汽輪發(fā)電機組汽耗率與熱耗率的初算發(fā)電機組汽耗率d0為 d0=13.4kg/(kW.h)發(fā)電機組熱耗率q0為 q0=d0hi*=3758.03kJ/(kW.h)2.4 整機相對內(nèi)效率整機相對內(nèi)效率ri

9、為 ri=0.73三、焓降分配與級數(shù)確定3.1 第一級平均直徑的估計 假設(shè)第一級理想等熵焓降為h1*=250kJ/kg，1=14.50假想速度 Ca=707.11m/s取假想速比 Xa=0.242由 u=XaCa=dm1n/60得節(jié)圓直徑dm1=0.327m，根據(jù)式 G=dm1l1eCasin1/1得葉高l1=0.019m根據(jù)同樣的方法，假設(shè)末級等熵焓降hz*=74.51kJ/kg,假設(shè)末級1=11.20計算出末級參數(shù) dmz=0.380m ,lz=0.036m假設(shè)汽輪機分為3 級，具體形式為一列雙列復(fù)數(shù)級和兩列壓力級，雙列復(fù)速級部分進汽度e=0.23，各級理想焓降分別為：h1*=250kJ/

10、kg、h2*=65kJ/kg、h3*=74.51kJ/kg各節(jié)圓直徑分別為： dm1=0.327m、dm2=0.353m、dm3=0.380m各級理想焓降與各節(jié)圓直徑沿級數(shù)方向變化趨勢見圖2-1、2-2： 圖2-1 各級理想焓降沿級數(shù)方向變化趨勢 圖2-2 各節(jié)圓直徑沿級數(shù)方向變化趨勢四、級的熱力設(shè)計4.1 調(diào)節(jié)級選型 由于整機絕熱焓降較大，整機級的設(shè)計選擇調(diào)節(jié)級加壓力級的形式。由于雙列復(fù)速級具有可以承擔(dān)較大焓降這一優(yōu)點，故調(diào)節(jié)級確定為雙列復(fù)速級。4.2 調(diào)節(jié)級熱力參數(shù)的選擇 調(diào)節(jié)級承擔(dān)絕熱焓降h1s為 h1s=250kJ/kg 調(diào)節(jié)級進口參數(shù) h1=3216.88kJ/kg， P1=2.32

11、75MPa 查表可知 s1=7.023kJ/(kg.K)， 1=0.12765m3/kg 其它已知參數(shù)：噴嘴速度系數(shù)=0.947，動葉一速度系數(shù)=0.91，導(dǎo)葉速度系數(shù)=0.94，動葉二速度系數(shù)=0.97 第一列動葉反動度1=0.02，導(dǎo)葉反動度2=0.05，第二列動葉反動度3=0.02，總反動度=0.09.4.3 調(diào)節(jié)級詳細(xì)熱力計算（以下公式均來自與汽輪機原理-王新軍P38與P40頁） 噴嘴理想焓降 hns=（1-）h1s=227.5kJ/kg 噴嘴速度 C1s=674.54m/s C1=C1s=638.79m/s 噴嘴能量損失 hn=（1-2）hns=23.48kJ/kg 圓周速度 u=d

12、m1n/60=171.14m/s 相對汽流速度 w1=u12-2u1c1cos1+c12=475.36m/s 靜葉出汽角 1=actanc1sin1c1cos1-u1=20.120 動葉一理想比焓降 hb1*=1h1s*+w=5 kJ/kg 動葉出口氣流相對速度 w2t=2hb1*=485.77m/s w2=2hb1*=442.05m/s 動葉一損失 hb1=1-2hb1*=20.28kJ/kg 動葉一出口絕對氣流速度 c2=w22-2w2u2cos2+u22=281.54m/s 動葉一出口相對氣流角 2=1-3=17.120 導(dǎo)葉出口絕對氣流速度 c1s=2h1s+c22/2000=324.

13、18m/s c1=c1s=304.73m/s 導(dǎo)葉損失 hn=1-2c1s22000=6.12kJ/kg 動葉二進口相對汽流速度 w1=c12+u2-2c12u2=157.39m/s 動葉二進口相對汽流角 1=actanc1sin1c1cos1-u=43.930 動葉二理想比焓降 hb2*=13h1s*+w122000=5kJ/kg 動葉二出口汽流相對速度 w2bt=2hb2*+w12=186.47m/s w2b=w2bt=180.88m/s 動葉二損失 hb2=1-2hb2*=1.028kJ/kg 動葉二出口汽流絕對速度 c2b=w2b2-2w2bu2cos2+u22=102.46m/s 動

14、葉二出汽角 2=actanw2sin2w2cos2-u=101.630 余速損失 hc2=c2b22000=5.25kJ/kg 輪周有效焓降 hu=h1s-hn-hb1-hn-hb2-hc2=192.58kJ/kg 輪周效率 u= huh1s=0.776 葉高損失 hl=ahu*l=8.76kJ/kg 葉輪摩擦損失、漏氣損失、濕汽損失忽略不計級有效比焓降 hi1=hu-hl=183.82kJ/kg級的相對內(nèi)效率 oi1=hi1h1s=0.735級的內(nèi)功率 Ne1=Ghi1=261.02kW4.4其它壓力級的詳細(xì)計算 其他各壓力級計算過程與第一級相同。用EXCEL 軟件計算。過程不再書寫，只將各

15、級計算的結(jié)果列于表中。表4-1 其他各壓力級計算五、整機熱力性能校核5.1 功率校核 汽機額定功率Pe=350kw由本說明書4.4節(jié)可知汽機實際運行功率Pr=358.07 偏差 =Pr-PePe=0.0230.03 汽機運行功率滿足要求5.2 相對內(nèi)效率校核 預(yù)估汽機相對內(nèi)效率 ri=0.73 由本說明書4.4節(jié)可知汽機實際運行時相對內(nèi)效率 rir=0.749 偏差 =rir-riri=0.02510000 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于材料允許的一階臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足要求。6.2 葉片強度校核由于末級葉片動葉處于汽輪機工況最為惡劣的地方，故只需校核第二列壓力級動葉強度。若其承受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，則認(rèn)為其強

16、度達(dá)到要求。具體校核步驟如下所示：葉片選用材料：1Cr13材料密度 =7760kg/m3屈服強度 0.2t=420MPa許用應(yīng)力 s=t21.7=247.06MPa動葉離心拉應(yīng)力 t=2lRm=60.44MPa動葉在圓周方向承受的作用力 Pu=G(c1u-c2u)Z2=11.75N動葉在軸向方向承受的作用力 Pa=G(c1a-c2a)Z2+p1-p2tl=21.8N動葉氣流力合力Pt=Pu2+Pa2=24.77N動葉底部截面彎矩M0=Ptl2=0.40N/m查閱汽輪機設(shè)計課程參考資料-蘇字葉型P156頁可知動葉截面系數(shù) W進、出=0.89cm3 W背=0.561cm3動葉進出口截面應(yīng)力 進、出

17、=M0W進、出=0.44MPa動葉背部截面應(yīng)力 背=M0W背=0.61MPa動葉進出口截面合成應(yīng)力 進、出=t+進、出=58.60MPa動葉背部截面合成應(yīng)力 背=t+背=58.80MPa進、出s=247.06MPa背s=247.06MPa由上述計算可知，末級動葉片承擔(dān)的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，葉片強度滿足使用條件。6.3 葉根強度校核由于末級葉片動葉處于汽輪機工況最為惡劣的地方，故只需校核第二列壓力級動葉葉根強度。若其承受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，則認(rèn)為其強度達(dá)到要求。末級承擔(dān)焓降較大，葉根型式考慮使用叉型葉根。叉型葉根具體形式為雙叉雙鉚釘。如圖6-1所示。具體校核步驟如下所示：葉根底部截面到葉根I-I

18、截面的距離 a=0.015截面I-I處的半徑 R1=0.143mi-i截面上的離心拉力 C1=F2lR1=5569.24N/m葉根叉數(shù) ZH=2鉚釘直徑 d=0.005m每叉寬度 b=0.05葉片數(shù)目 ZH=56偏心距 E=0.0005截面I-I處葉片節(jié)距 t=2R1Z2=0.016葉根I-I截面上的離心拉應(yīng)力 t=C+C1t-0.5dZHb2=74.49MPa葉根I-I截面系數(shù) W1=(t-0.5t)2ZHb26=3.06*10-7m3汽流力產(chǎn)生的彎矩和彎應(yīng)力 Ms=Pul2+a=0.36N/m bs=MsW1=0.865MPa偏心引起的彎矩及彎應(yīng)力Mc1=C+C1e=5.57N/m bc=

19、Mc1W1=13.79MPa葉根I-I截面合成應(yīng)力 1=t+bs+bc=89.13葉根承受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，葉根強度滿足使用條件圖6-1 叉形葉根6.4 輪緣強度計算 汽機末級位置處的輪緣承擔(dān)了最大的應(yīng)力。故只需校核末級位置處的輪緣強度即可。 截面-處的半徑 R2=0.123m 截面-以上的輪緣部分的離心力 Crim=F2lR2=5195.87N 輪緣寬度 b1=0.075m 輪周上一排鉚釘數(shù)目 Zr=56 輪緣承受拉應(yīng)力 t2=Z2C+23Crim(2R2-Zrd)(b1-ZHb2)=18.26MPa 輪緣承受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，輪緣強度滿足使用需要。七、軸封漏氣量計算本汽輪機采用迷宮式軸封，平齒，如圖7-1，取d=0.1m。圖7-1 迷宮式軸封示意圖齒間距s=0.01m；齒寬=0.001m；齒高h(yuǎn)=0.003；頸項間隙=0.0003m（以下計算均按照王新軍-汽輪機原理P106、P107有關(guān)內(nèi)容進行。）7.1 高壓端軸封漏汽pap0=0.9922.3275=0.4262又由pzp00.2980.423z+0.557知達(dá)到臨界時的臨界齒數(shù)為