汽輪機課程設(shè)計資料報告材料書

1、軍工路男子職業(yè)技術(shù)學院課程設(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）：能源與動力工程學院專業(yè)：能源與動力工程班級：2013級姓名： JackT學號:131141xxxx起止日期：指導(dǎo)教師：萬福哥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作為發(fā)動機的原動機。與常規(guī)活塞式燃機相比，其具有輸出功率穩(wěn)定、功率大等特點。在

2、使用化石燃料的現(xiàn)代常規(guī)火力發(fā)電廠、核電站及地熱發(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、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等， 我國第一艘航母“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

3、）、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，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 61.1 設(shè)計題目 61.2 已知參數(shù) 61.3 任務(wù)與要求 7二、汽輪機近似熱力過程線的擬定及汽輪發(fā)電機組經(jīng)濟指標的初

4、算 82.1 汽輪機近似熱力過程線的擬定 82.1.1 進汽壓力損失的初步估計 82.1.2 選取機組的相對效率、發(fā)電效率和機械效率 82.1.3 近似熱力過程曲線的初步擬定 82.2 汽輪機總蒸汽量 D0 的估算 92.3 汽輪發(fā)電機組汽耗率與熱耗率的初算 92.4 整機相對效率 9三、焓降分配與級數(shù)確定 113.1 第一級平均直徑的估計 11四、級的熱力設(shè)計 124.1 調(diào)節(jié)級選型 124.2 調(diào)節(jié)級熱力參數(shù)的選擇 124.3 調(diào)節(jié)級詳細熱力計算 134.4 其它壓力級的詳細計算 16五、整機熱力性能校核 185.1 功率校核 185.2 相對效率校核 18六、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速強度校核 206

5、.1 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算 206.2 葉片強度校核 206.3 葉根強度校核 226.4 輪緣強度計算 24七、軸封漏氣量計算 267.1 高壓端軸封漏汽 267.2 低壓端軸封漏汽 27八、整機熱力過程線和壓力級速度三角形匯總 298.1 整機熱力過程線 298.2 壓力級速度三角形匯總 30九、熱力計算數(shù)據(jù)匯總表 32十、各級葉片型號及參數(shù)匯總 33參考文獻 34一、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： t 0=3900c排汽壓力： Pc=0.50M

6、Pa1.3 任務(wù)與要求1汽輪機近似熱力過程線的擬定及汽輪發(fā)電機組經(jīng)濟指標的初算1.1汽輪機熱力過程線的擬定；1. 2汽輪機總蒸汽量D的估算；1. 3 汽輪發(fā)電機組汽耗率與熱耗率的初算2調(diào)節(jié)級的熱力設(shè)計；2. 1調(diào)節(jié)級選型；2. 2 調(diào)節(jié)級熱力參數(shù)的選擇；2. 3 調(diào)節(jié)級詳細熱力計算 ;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* F0=O.1225MPa進汽前壓力：P1= P0- P

7、=2.3275MPa2.1.2 選取機組的相對效率、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, 所以取汽輪機相對效率 :ri =0.73，發(fā)電機效率n g=0.970 (全負荷)，機械效率n m=0.9872.1.3 近似熱力過程曲線的初步擬定由P°=2.45MPa “=390,確定初始狀態(tài)點“ 0”查表知h0=3216.88kJ/kg, s 0=6.7kJ/(kg.K)節(jié)流后h1=h0=3216.88kJ/kg, P 1=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

8、, t zt=187.2470c整機理想焓降 ht*=h0-hzt=389.51kJ/kg整機有效焓降 hi = n ri ht =280.45kJ/kg從而確定“ z點的比焓為Hz' *=ho- h*=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、有效焓降厶hi*、機械效率n m、發(fā)電機效率n g,得總蒸汽量D0為=4.69t/h_3.6Pe0= hi * n m n g2.3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d 0=1000D

9、0 =13.4kg/(kW.h) Pe發(fā)電機組熱耗率q0為q0=d0XA hi =3758.03kJ/(kW.h)2.4整機相對效率整機相對效率n ri為n ri = h* h*=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 hi*=250kJ/kg , a i=14.50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得節(jié)圓直徑dm1=0.327m,根據(jù)式1 G=n dml 1eCasin a 1/ v 1得葉高11=0.019m根據(jù)同樣的方法，假設(shè)末級等熵焓降hz*=74.51kJ/kg

10、，假設(shè)末級a 1=11.2°計算出末級參數(shù)dmz=0.380m ,1z=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/kg、 h2* =65kJ/kg、 h3*=74.51kJ/kg各節(jié)圓直徑分別為：123dm=0.327m> dm=0.353m> dm=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)

11、節(jié)級加壓力級的形式。由于 雙列復(fù)速級具有可以承擔較大焓降這一優(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)級承擔絕熱焓降 his為 his=250kJ/kg調(diào)節(jié)級進口參數(shù)hi=3216.88kJ/kg , Pi=2.3275MPa查表可知3si=7.023kJ/(kg.K) , v i=0.12765m/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)書=0.91，導(dǎo)葉速 度系數(shù)© '=0.94，動葉二速度系數(shù)書'=0.97第一列動葉反動度Q 1=0.02，導(dǎo)葉反動度Q 2=0.05，第二列動葉反動度Q 3=0.02，總反動度

12、Q =0.09.4.3調(diào)節(jié)級詳細熱力計算(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- Q) xa his=227.5kJ/kg噴嘴速度Cis= 2 hns =674.54m/sCi=© xCis=638.79m/s噴嘴能量損失 h*= (1-© 2)A hns=23.48kJ/kg圓周速度1u= n dm n/60=171.14m/s相對汽流速度w1=475.36m/s靜葉出汽角B 1=actanW 坷=20.12動葉一理想比焓降5 kJ/kg動葉出口氣流相對速度應(yīng) t = 48577m/sW2 屮 J2 &則=442,05m

13、/s動葉一損失A如応=0 - 旳旳； = 242R燈/鋼動葉一出口絕對氣流速度1'2 =一 2叫 1（2口“2 十逬=281.54/5動葉一出口相對氣流角 = -3 = 17.120導(dǎo)葉出口絕對氣流速度c'lb. = $】工/1$ + c/2000 = 32448m/5cL =4)cu= 30473m/s導(dǎo)葉損失（i -屮鼻）詰動葉二進口相對汽流速度w；壬 Jc'J + u2 - 2cfu2 = 157.39m/、= 43.93°動葉二進口相對汽流角0 = actan ,1C|ros«rL - w動葉二理想比焓降= Q皿兀+爲=5燈丿切動葉二出口汽流

14、相對速度+ W1 = 18647m/.sw2b = ip w2if£ = 180,83m/s動葉二損失從歐=(1-滬證瞌=1.028燈/切動葉二出口汽流絕對速度呱=w務(wù)- 2w渤叫3% 十訪=102.46m/.S動葉二出汽角詡抽業(yè)n優(yōu) 2 = acton.:- = 101.63WjJCOS - U余速損失也爲二爲=5.25k切輪周有效焓降血=% - % - 應(yīng)礙-出;L 旳覽-血2 = 192.58kJ/kg輪周效率- = 0-776葉咼損失=S.76k/k(j葉輪摩擦損失、漏氣損失、濕汽損失忽略不計級有效比焓降A(chǔ) 也丄=Aft/c = 1 S3.Q2kJ/kg級的相對效率1- =

15、0735級的功率Nel = GhiX = 26r02kW4.4其它壓力級的詳細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, 只將各級計算的結(jié)果列于表中。級數(shù)第一級第二級訂轉(zhuǎn)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靜葉出口角a1114假想速度Cm/s)360.56386.03節(jié)圓直徑Dm(m)0.3530.38部分進汽度e11葉高l(m)0.0290.036軸直徑(m)0.10.1圓周速度U(m/s)191.85199.021級的

16、平均反動度Q0.040.06級數(shù)第一級第二級余速利用系數(shù)0.950.95靜葉速度系數(shù)©0.9370.941動葉速度系數(shù)書0.9130.968級前汽流絕對速度C2 (m/s)102.4694.48利用上級余速動能(kJ/kg)4.724.02級滯止比焓降ht*(kJ/kg)69.7278.53靜葉實際焓降hn(kJ/kg)58.3772.77靜葉出口理想速度cis(m/s)368.5372.28靜葉出口實際汽流速度ci (m/s)345.28350.31靜葉損失厶hnz (kJ/kg)4.287.94動葉相對汽流速度方向角B i26.8533.58靜葉相對汽流速度wi(m/s)145.

17、85131.68*動葉理想滯止比焓降 hbn (kJ/kg)2.794.7動葉出口理想相對速度w2s(m/s)162.76161.82動葉出口汽流實際相對速度w2(m/s)148.6156.64動葉損失厶hbz (kJ/kg)2.20.82動葉相對速度出口角B 223.8530.58動葉絕對速度出口角a 2125.48109.56動葉出口絕對汽流速度C2(m/s)94.48126.4余速損失厶hc(kJ/kg)0.520.45輪周有效焓降 hu(kJ/kg)51.1856.75輪周有效效率n0.8650.85輪周功率Pu (kW)93.0992.42各級出口實際焓值l(kJ/kg)2964.0

18、42895.92葉輪摩擦損失 hf (kJ/kg)0.690.78葉頂漏氣損失 hs (kJ/kg)1.371.37隔板漏氣損失 hp (kJ/kg)3.023.8級的有效焓降 hi (kJ/kg)49.8448.79級的相對內(nèi)效率n oi0.7840.761輪周有效功率FU(kW)51.745.38整機功率Fr(kW)358.07重熱系數(shù)a0.01實際相對內(nèi)效率n oi0.749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R=358.07偏差t = 0.023 < 0.03 =汽機運行功率滿足要求5.2相對

19、效率校核預(yù)估汽機相對效率n ri =0.73由本說明書4.4節(jié)可知汽機實際運行時相對效率n rir =0.749偏差= 0.025 <0.03 =牯汽機相對效率滿足要求六、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速強度校核6.1轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算轉(zhuǎn)子材料選用30Cr1Mo1V,于網(wǎng)上找到其物性參數(shù)，具體如下所示： 轉(zhuǎn)子密度p =7760kg/m3轉(zhuǎn)子彈性模量E=192GPa慣性矩/ = = 4.91 *轉(zhuǎn)子橫截面積 = 0.0078 m2轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速=歲= 46868 r/min > 1OOOO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，

20、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，則認為其強度達到要求。具體校核步 驟如下所示：葉片選用材料：1Cr13材料密度p =7760kg/m3屈服強度(T °.2t=420MPa許用應(yīng)力ctJ 占 247.06JM動葉離心拉應(yīng)力at = pm2IRik = 60,44AfPa動葉在圓周方向承受的作用力=1 1.75/V動葉在軸向方向承受的作用力p廠竺空*加卩2）杜=21肋2動葉氣流力合力Pt = JP：十巧=24.77N動葉底部截面彎矩查閱汽輪機設(shè)計課程參考資料-字葉型P156頁可知動葉截面系數(shù)W進、出=0旳or?IV = 0,561cm3動葉進出口截面應(yīng)力=0A

21、4MPa動葉背部截面應(yīng)力(7背= 0.61 MPa動葉進出口截面合成應(yīng)力進、匕-+ "進、止=阪 60MPa|動葉背部截面合成應(yīng)力£<7背=叭 + 背58* fiOMPcz己廠迥 出丈=27.06MPa工咋 < as = 247.06MPa由上述計算可知，末級動葉片承擔的最大應(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，則認為其強度達到要求。末級承擔焓降較大，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

22、驟如下所示：葉根底部截面到葉根1-1截面的距離a=0.015截面1-1處的半徑珀=0.143mi-i截面上的離心拉力Ci=F® "i=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1-1處葉片節(jié)距t = = 0.016葉根1-1截面上的離心拉應(yīng)力葉根1-1截面系數(shù)=74. 49MPa=3.06 *汽流力產(chǎn)生的彎矩和彎應(yīng)力MS =兒( + «) = O-36/V/m朋=2 二 °，S65MPa偏心引起的彎矩及彎應(yīng)力=(C-Ci)e = 557N/m葉根1-1截面合成應(yīng)力叭=叭+處

23、+吒=39. 13 < 0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n -n處的半徑R2=0.123m截面n -n以上的輪緣部分的離心力rim= 5195. 87/V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)力曠征喬麗喬話=2Pa< |(j|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、軸圭寸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

24、h=0.003 ;頸項間隙 S =0.0003m（以下計算均按照王新軍-汽輪機原理P106 P107有關(guān)容進行。）t 0.5577.1高壓端軸圭寸漏汽Pa0.992-0,4262Po232750.298又由達到臨界時的臨界齒數(shù)為z=3假設(shè)總漏氣量為咼壓端漏氣量AG = 0.01C = 0.0198/s= 0.7AG = 0,0139k.t/s根據(jù)gS = A8可得7.2低壓端軸封漏汽根據(jù)PaP(0.5=0-7950.6920.298阮0.423 + O.S57可知，達到臨界時的臨界齒數(shù)為 z=2低壓端漏氣量根據(jù)A G 0.3AC' 0.006ki/5可得根據(jù)軸圭寸齒數(shù)復(fù)求咼壓端、低壓端

25、漏氣量，有AGj = 0.0137/s&G2 = a(M57icg/g總漏氣量At； =+ AG； = 0.0194/s0.0194L99=0,C09R < 0.01滿足要求八、整機熱力過程線和壓力級速度三角形匯總8.1整機熱力過程線將各關(guān)鍵位置處的焓值與熵值輸入 EXCELS,利用EXCELS大的計算與繪圖 能力得到較為真實的的熱力過程線，如下圖 6-1所示。熱力過程線圖6-1實際熱力過程線圖6-2各級焓降變化示意圖8.2壓力級速度三角形匯總821第一壓力級速度三角形圖7-1第一壓力級速度三角形第二壓力級速度三角形圖7-2第二壓力級速度三角形九、熱力計算數(shù)據(jù)匯總表壓力級I壓力級

26、H項目名稱符號單位調(diào)節(jié)級流量Gkg/s1.711.681.57節(jié)圓直徑dmm0.3270.3530.38圓周速度um/s171.14191.89199.11級前烝汽壓力p0MPa2.32750.8860.692級前烝汽溫度to0c390282.792255.035級前烝汽焓值h0kJ/kg3221.493018.352962.5級前蒸汽動能A hOkJ/kg05.252.55級等熵滯止焓降hs*kJ/kg25070.2577.06速比xa0.2420.5110.522平均截面處反動度Q0.090.040.06靜葉出口理想速度cism/s674.54368.5367.42動葉出口理想速度co 2

27、sm/s186.47176.58182靜葉速度系數(shù)00.9470.9370.941動葉速度系數(shù)I0.970.9130.968靜葉流量系數(shù)口 10.90.90.9動葉流量系數(shù)口20.90.90.9靜葉出口截面葉高11mm13.124.3532.27動葉出口截面葉高12mm23.2528.8636靜葉出口面積A1mm2794.25233.335853.65動葉出口面積匸A2mm23091.35182.565075.4葉柵面積比r f3.890.990.893部分進汽度e0.2311靜葉損失hnkJ/kg23.484.237.73動葉損失hbkJ/kg1.032.591.04葉柵環(huán)形損失糸數(shù)000余速損失hc2kJ/kg0.270.1283.38余速利用系數(shù)a0.950.950.95余速利用能量hOkJ/kg05.182.42級的理想能量EOkJ/kg25070.1876.93輪周損失56.1513.7316.13輪周效率nu0.7730.8610.85實際輪周效率n u'0.7760.8650.848隔板汽封漏氣量GS