汽轮机课程设计指导书

1、汽轮机课程设计指导书 目 录一、课程设计的目的与意义1二、设计题目及已知条件22.1 机组概况22.2 本次设计与改造的基本要求4三、设计过程63.1 汽轮机的热力总体任务63.2 汽轮机变工况热力核算的方法介绍63.3 本课程设计的基本方法73.3.1 级的变工况热力核算方法倒序算法83.3.2 级的变工况热力核算方法顺序算法183.4 上述计算过程需要注意的问题23四、参考文献：34附：机组原始资料35I 汽轮机课程设计一、课程设计的目的与意义汽轮机是按照经济功率设计的，即根据给定的设计要求如功率、蒸汽初参数、转速以及汽轮机所承担的任务等，确定机组的汽耗量、级数、通流部分的结构尺寸、蒸汽参

2、数在各级的分布以及效率、功率等。汽轮机在设计条件下运行称为设计工况。由于此工况下蒸汽在通流部分的流动与结构相适应，使汽轮机有最高的效率，所以设计工况亦称为经济工况。由于要适应电网的调峰以及机组实际运行过程中运行参数的偏差等原因，汽轮机不可能始终保持在设计条件下，即负荷的变化不可避免的，蒸汽初终参数偏离设计值，通流部分的结垢、腐蚀甚至损坏，回热加热器停用等在实际运行中也时有发生等等。汽轮机在偏离设计条件下的工作，称为汽轮机的变工况。在变工况下，蒸汽量、各级的汽温汽压、反动度、比焓降等可能发生变化，从而引起汽轮机功率、效率、轴向推力、零件强度、热膨胀、热应力等随之改变。通过本课程设计加深、巩固汽轮

3、机原理中所学的理论知识，了解汽轮机热力设计的一般步骤，掌握每级焓降以及有关参数的选取，熟练各项损失和速度三角形的计算，通过课程设计以期达到对汽轮机的结构进一步了解，明确主要零部件的位置与作用。具体要求就是按照某机组存在的问题，根据实际情况，制定改造方案，通过理论与设计计算，解决该汽轮机本体存在的问题，达到汽轮机安全、经济运行的目的1-4。二、设计题目及已知条件内容：某12MW背压机组小流量工况下通流部分改造方案的制定机组型式：B12-5010型背压式汽轮机配汽方式：喷嘴配汽调节级选型：复速级设计工况下的参数：附录2.1 机组概况该机组是武汉汽轮机厂早期生产的B12-5010型背压式汽轮机。调节

4、级为复速级，3个压力级，级的类型为冲动级。(1)机组额定参数主蒸汽压力：4.9MPa主蒸汽温度：435总进汽流量：150t/h排汽压力：0.98MPa额定功率：12MW额定转速：3000rpm(2)原机组改造技术参数与要求 由于实际供热负荷的改变，曾对该机组进行过通流部分改造，改造原则为减小汽轮机的通流面积，以适应新的蒸汽流量，避免产生鼓风工况。由于受到现场施工难度限制，采取了保持喷嘴高度和动叶高度不变，封堵部分喷嘴的改造方案，该机组改造前为次高压背压机组，改造后为抽背机组，原机组改造方案与技术参数要均依据汽轮机厂家说明书参数确定。主蒸汽压力：4.9MPa主蒸汽温度：435总进汽流量：55t/

5、h复速级后压力2.2MPa复速级后温度355抽汽流量：1012t/h排汽压力0.98MPa排汽温度 300额定功率3000kW额定汽耗16.87kg/kW·h汽轮机内效率63.6%以上数据为机组改造时的技术参数要求。但实际运行时抽汽并没有投用。改造后机组初参数未能达到要求的参数，新蒸汽压力为4.2MPa4.3MPa，终参数（背压）在设计值高限运行（0.951.0MPa表），机组各种损失较大，相对内效率很低。复速级后经常超温，有时级后可高达395（原厂家要求最高不超过350），机组排汽温度达到350（原机组额定流量下为300），由于该机组转子为套装转子，复速级超温对机组安全运行带来严重

6、的隐患，且机组出力不足2000kW。2.2 本次设计与改造的基本要求该机组由于实际供热负荷的大幅增加，汽轮机偏离原有设计工况，主蒸汽流量由150t/h降低至55t/h(工况1)和40t/h(工况2)。汽轮机在极端变工况下运行时，汽轮机各级焓降分配、热力参数均发生改变，在极低负荷情况下还会发生鼓风现象。从运行安全经济性出发，需要对该机组再次进行改造，以解决复速级后超温问题，同时提高机组的效率。本次设计的任务：（1）能对原机组额定工况进行核算（2）能对机组03年改造工况进行核算和分析（3）通过对机组03年改造工况的核算分析，提出有效解决措施，同时保证机组安全运行。（4）能够使机组在该改造工况下优化

7、运行，不仅解决复速级后超温问题，同时能够提高机组的效率。 本次设计的要求：（1）改造后机组形式：背压机组，运行方式仍采用以热定电方式运行。（2）机组参数要求：工况1：主蒸汽温度435 ，主蒸汽压力4.2MPa，排汽压力0.95MPa，主蒸汽流量 55t/h；工况2：主蒸汽温度435 ，主蒸汽压力4.3MPa，排汽压力0.85MPa，主蒸汽流量 40t/h。（3）设计限制条件通流尺寸 通流面积的改变方法为封堵压力级部分喷嘴，喷嘴封堵数目为整数，限制喷嘴出口面积取值；蒸汽在汽轮机内的膨胀是按照叶栅面积比膨胀的，动叶计算通流面积取值需要由喷嘴出口面积求得；调节级后蒸汽温度 调节级后蒸汽温度<3

8、50，调节级后蒸汽温度超限的原因为调节级焓降过小，增加调节级整级理想焓降可以降低调节级的级后温度；压力级级数 压力级级数可减少，不可增加；调节级喷嘴前压力 全开调节汽门时，调节汽门及管道压降取0.15MPa，工况1设计结果调节级喷嘴前压力<4.05MPa，工况2设计结果调节级喷嘴前压力<4.15MPa。 机组排汽压力机组排汽压力满足要求：工况一，排汽压力0.95MPa 工况二，排汽压力0.85MPa（计算时可不考虑冲角损失和极限膨胀损失；轴封系统及门杆漏汽按5t/h考虑）三、设计过程3.1 汽轮机的热力总体任务汽轮机热力设计的任务是，按给定的设计条件，确定通流部分的几何尺寸，力求获

9、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。就汽轮机课程设计而言，其任务通常是指各级几何尺寸的确定及级效率和内功率的计算。3.2 汽轮机变工况热力核算的方法介绍 汽轮机整机的热力计算是建立在单级计算的基础上的，因此研究单级的热力核算对于保证顺利完成整机核算任务有重要的意义。 目前，在变工况计算中，根据不同的给定原始条件，单级的详细热力计算可分为：顺序计算和倒序计算两种基本算法，此外还有将倒序和顺序结合起来的混合算法。对调节级的热力核算还有特性曲线算法。顺序算法以给定的级前状态为起点，由前向后计算；顺序算法的优点是计算简单，缺点之一是不能计算临

10、界工况，因为临界工况下，小于临界压力的任一压力值均可作为喷嘴背压，背压不易确定。顺序算法的另一缺点是调节级有部分开启调节汽门时不能计算，因为部分开启时喷嘴前的压力无法求得，但对全开调门后的喷嘴与动叶可以计算。 倒序算法则以级后状态为起点，由后向前计算。倒序算法的优点是可以计算级的临界工况，也可以计算调节级部分开启调节汽门后的喷嘴与动叶。它的缺点是计算繁琐。 混合算法中，每级都包括先是倒序后是顺序的若干次混合计算。只有当倒序和顺序计算结果相符合时，级的核算才可以结束，然后逐级向前推进。这三种方法都建立在喷嘴和动叶出口截面连续方程和单级工作原理的基础上，并且计算时，级的流量和几何尺寸是已知的。 本

11、设计题目中，配汽方式对计算结果的影响进行简化处理。改造后配汽方式采用关闭部分阀门，其余阀门节流配汽方式。进行热力设计时，所选取的工况均认为是节流配汽时阀门全开工况，可以采用顺序算法。本题目中背压汽轮机各级压比较大，复速级及各压力级中流动为临界状态的可能性较小，可以采用顺序算法，如计算中出现临界状态，可尝试调整级的焓降改变汽流速度。3.3 本课程设计的基本方法 调节级后蒸汽热力状态对其后面的流通部分的热力过程影响很大，故而调节级变工况计算对于整个汽轮机热力工况计算非常重要。以下给出双列调节级热力计算算法。为简单起见，仅研究喷嘴调节的配汽方式，并忽略调节中重叠度的影响。 单列级的热力计算往往采用由

12、级后到级前的逆序计算，然后再进行顺序校核计算的迭代算法。对于双列级，如果仍然整级采用这种逆、顺序算法，则在初次逆序计算时假设参数较多，如各项有关损失、动叶入口速度和导叶入口速度等，将它们放在同一层迭代，由于彼此之间相互耦合，使得迭代次数较多，影响了计算速度。为此，本设计可以采用将双列级从结构上分为两组的算法：第一组由转向导叶和第二列动叶构成，第二组由喷嘴和第一列动叶构成；首先对单个组进行热力计算，然后对级整体做进一步计算，这样，将多个假设量分割开而分别进行迭代计算，使迭代次数降低，从而提高了计算速度。同时，仅须已知该级的有关几何特性及级前蒸汽参数和级后压力便可进行热力计算。单组的热力计算采取迭

13、代法，每轮计算分逆序计算和顺序计算两步。倒序计算目的是在已知蒸汽流量、通流部分结构和组后蒸汽状态的前提下，喷嘴(导叶)和动叶出口截面连续流动方程为基础确定组的各处蒸汽状态，具体思路与方法提供如下参考：3.3.1 级的变工况热力核算方法倒序算法图1-1 级的热力过程线 图1-2 倒序计算程序图3.3.1.1 汽轮机热力核算倒序计算示例（1） 对原机组额定工况进行校核下面给出单级的倒序计算过程，其余各级方法相同，其计算步骤如下：1. 排汽压力，排汽温度已知，则由蒸汽焓值计算软件可查出3点比焓值2. 根据 、估计这四部分损失3. 计算4. 已知5. 已知、可查出6. 估计喷嘴个数7. 动叶出口面积8

14、. 动叶流量9. 计算动叶出口相对速度10. 计算马赫数是否满足亚临界工况11. 计算圆周速度12. 动叶出口相对速度角已知可求得13. 计算动叶出口绝对速度根据余弦定理可求得14. 计算动叶出口汽流角15. 计算余速损失与之前估计值相比，计算相对误差并在范围内，若不在调整估计值，重新计算16. 动叶速度系数根据0.850.95进行取值，取0.9217. 计算动叶滞止比焓降18. 计算动叶损失19. 估计动叶进口有效相对速度20. 计算动叶理想比焓降21. 点压力已知即排气压力22. 计算点的焓23. 计算点的熵，由蒸汽焓值计算软件可得24. 计算的焓值25. 动叶前滞止压力可由软件查得（由、

15、）26. 计算动叶进口动能为27. 计算点焓值28. 的压力可由软件查得（、）29. 的比体积由软件查得（、）30. 估计撞击损失31. 1点压力32. 1点的焓值33. 1点的比体积，可由软件查得（、）34. 计算喷嘴流量35. 计算喷嘴流通面积36. 计算喷嘴出口绝对速度37. 计算马赫数是否满足亚临界工况38. 动叶进口相对速度角比大39. 动叶进口绝对速度角给定值40. 计算动叶进口相对速度，由余弦定理可求得41. 计算动叶进口相对速度角正弦定理可求得42. 计算冲角43. 计算动叶进口有效相对速度进而分析误差44. 计算撞击损失进而分析误差45. 喷嘴速度系数根据0.920.98进行

16、取值，取0.9746. 计算喷嘴滞止比焓降47. 计算喷嘴损失48. 点的压力49. 计算点的焓50. 的比容由软件可查（、）51. 的熵同上52. 计算的焓53. 点压力由软件可查（、）54. 点温度由软件可查（、）55. 估计喷嘴进口速度56. 计算上级余速损失57. 计算0点焓58. 0点压力由软件可查（、）59. 0点比体积由软件可查（、）60. 0点温度由软件可查（、）61. 计算喷嘴理想比焓降62. 点的焓由软件可查（、）63. 计算整级理想比焓降64. 计算反动度65. 计算轮周损失=66. 计算轮周比焓降67. 计算叶高损失进行误差分析68. 计算叶轮摩擦损失进行误差分析69.

17、 计算级的假想速度70. 计算假想速比71. 计算速比72. 计算部分进汽度73. 计算鼓风损失系数74. 计算斥汽损失系数75. 计算本级理想焓降76. 计算部分进汽损失（）进行误差分析77. 级内损失78. 计算级内有效比焓降79. 计算级的相对内效率80. 计算级的内功率（2）对机组03年改造工况进行核算和分析首先需假设排汽温度t3，其余计算过程和额定工况校核相同。通过对03年改造工况的核算，我们发现在调节级处出现了倒速度三角形，处于鼓风工况，并且复速级后出现超温，机组出力不足。正是由于调节级进汽量太低，由于汽轮机在低负荷下，进汽量和喷嘴组的面积配合不好，致使汽轮机在低负荷下焓降不正常，

18、最终造成在汽轮机调节级后混合汽室的h2很高，最终造成汽轮机后汽室温度高，出现调节级后超温。 对于背压机组来说，在相同初参数下蒸汽的理想焓降同凝汽式相比较小，对于多数情况下，背压式汽轮机采用喷嘴调节，阀门个数较多，调节级焓降则根据热负荷变化情况而定，当机组热负荷变化较大时，宜采用焓降较大的双列速度级，以保持背压式汽轮机在较大工况范围内效率变化不大，如下图可知，在改造后的流量比通过读图可知，当调节级焓降较大时汽轮机的效率较高，所以我们可知由于调节级的喷嘴和导叶面积与流量不适合导致蒸汽在调节级内焓降减小，导致级后超温，而且机组出力不够。a调节级焓降较大时b调节级焓降较小时（3） 通过对机组03年改造

19、工况的核算分析，提出有效解决措施，同时保证机组安全运行通过对03年改造方案的分析可看出03年改造工况是对压力级通流面积的改造，经过对压力级通流面积的核算得知，每一压力级都是和额定工况的流动情况相似的原则进行堵喷嘴，有计算数据可知，由于对喷嘴堵得比较严重，而使得级后超温，导致机组出力不足。鉴于上述情况，本次改造提出方案为：通过热力核算，对调节级以及压力级喷嘴进行合适封堵，并分为夏季工况和冬季工况分别找出合适的封堵喷嘴数目，如果冬季和夏季都按照夏季工况进行对压力机的喷嘴进行堵，由于调节级喷嘴出口面积可以进行调节级前喷嘴组进行调节，所以调节级喷嘴出口面积可以随着负荷的大小进行变化，所以调节级的喷嘴出

20、口面积可以随负荷大小进行调节，但是由于压力级喷嘴出口面积只能按照一个工况进行堵，所以现在对压力机的冬季工况和夏季工况的喷嘴面积经过核算得知：喷嘴面积调节级第一列喷嘴面积（所留喷嘴数目）第一压力级喷嘴面积（所留喷嘴数目）第二压力级喷嘴面积（所留喷嘴数目）第三压力级喷嘴面积（所留喷嘴数目）冬季工况（55吨）11403838夏季工况（40吨）8403838（导叶能不能堵，如果能堵该如何封堵，提出自己的创新方案?）（4）能够使机组在该改造工况下优化运行，不仅解决复速级后超温问题，同时能够提高机组的效率。通过以上改造优化，成功解决了汽轮机调节级级后超温问题，冬季工况下调节级后温度322.8579，调节级

21、功率2214.8kW，机组有效比焓降248.355967 kJ/kg，机组相对内效率 61.6582%，机组出力大幅增加，最终机组出力达到3449.168kW。夏季工况下调节级后温度297.6765，调节级功率1644.178kW，机组有效比焓降218.290544 kJ/kg，机组相对内效率 53.2621%，最终机组出力达到2122.221kW。3.3.2级的变工况热力核算方法顺序算法 采用顺序计算，即由级前的状态为起点，向级后计算，并以级后状态点作为下一级的级前状态，继续计算下一级，以此类推，由前往后，逐级进行且超临界不能使用顺序算法。 图1-3 级的热力过程线 图1-4顺序计算程序图3

22、.3.2.1 汽轮机热力核算顺序计算具体过程 （1）对原机组额定工况进行校核1.已知级前蒸汽参数、滞止参数及流量，假设喷嘴流量Gn1、动叶流量Gb1都等于级流量，即Gn1=Gb1=G12.计算喷嘴临界流量是否>Gn1满足亚临界工况3.在不小于临界压力P1cr范围内，假设喷嘴后压力P114.由P11及S00可得5.计算喷嘴滞止理想比焓降6.计算喷嘴理想比焓降7.喷嘴个数8.喷嘴的部分进汽度9.喷嘴速度系数根据0.920.98进行取值，取0.9710.计算喷嘴出口流速11.计算喷嘴损失12.计算喷嘴出口比焓13.计算喷嘴流通面积14.由P11、h1可得15.由连续方程可得喷嘴计算流量16.用

23、求得与已知流量相比，计算相对误差，建议取0.005左右，若不满足误差条件，重新进行估算17.动叶进口绝对速度角给定值可求得18.计算动叶进口相对速度，由余弦定理 可求得19.动叶出口相对速度角已知可求得20.动叶进口相对速度角比大21.计算动叶进口相对速度角正弦定理可求得22.计算动叶冲角23.计算动叶进口有效相对速度24.计算动叶撞击损失25.计算动叶进口动能26.计算11点比焓27.11点压力28.由11点压力及比焓可得t11、v11、s1129.计算1*点比焓30.计算动叶出口面积31.由、s11可得、32.计算动叶的临界流量是否>Gb1满足亚临界工况33.在不小于临界压力P2cr

24、范围内，假设动叶后压力P2134.由P21、s11可得35.计算动叶滞止理想比焓降36.计算动叶理想比焓降37.动叶速度系数根据0.850.95进行取值，取0.9238.计算动叶出口流速39.计算动叶损失40.计算动叶出口比焓41.由h2、p21可得42.计算动叶流量计算相对误差，建议取0.005左右，若不满足误差条件，重新进行估算43.计算动叶出口绝对速度44.计算动叶出口汽流角45.计算余速损失46.由p2、可得47.计算级滞止比焓降48.计算反动度49.计算轮周比焓降50.计算轮周损失=51.计算叶高损失其中52.计算叶轮摩擦损失53.计算鼓风损失系数 54.计算斥汽损失系数 55.计算

25、本级理想焓降 56.计算部分进汽损失 （）57.计算级的假想速度 58.计算假想速比 59.计算速比 60.级内损失 61.计算级内有效比焓降 62.计算级的相对内效率 63.计算级的内功率 （2）（3）（4）步骤同上，采用顺序计算是对倒序计算的校核，故计算结果参照倒序算法结果。3.4 上述计算过程需要注意的问题（1）对双列级的核算要按照双列调节级的变工况计算方法进行核算。（2）蒸汽在汽轮机内的膨胀是按照叶栅面积比膨胀的。（3）增加调节级整级理想焓降可以降低调节级的级后温度。（4）通过对各个工况下的计算，分析出调节级后超温原因，提出自己的认为合适的解决方案。四、 参考文献：1 沈士一, 庄贺庆

26、, 康松, 庞立云. 汽轮机原理 M. 北京: 中国电力出版社. 1992.2 李维特, 黄保海. 汽轮机变工况热力计算 M. 北京: 中国电力出版社. 2001.3 冯慧雯. 汽轮机课程设计参考资料 M. 北京: 水利电力出版社. 1992.4 王乃宁, 张志刚. 汽轮机热力设计 M. 北京: 水利电力出版社. 1987.5 付林, 江亿. 双列调节级变工况热力计算方法及应用 J. 热能动力工程, 1999, 6:473-476.附：机组原始资料一、B12-5010型背压式汽轮机原始资料1. 基本参数：项目正常参数工作转速额定功率背压背压变化范围 数据4.94353000120000.980

27、71.2748-0.78452. 热力特性：项目单位工况汽轮机内效率电机效率机械损失背压进汽量汽耗计算值保证值设计工况74.63972500.9807151.712.3412.796高背压工况74.37972501.274117214.114.622低背压工况73.93972500.78453136.611.02511.4333. 配汽数据：项目喷嘴进汽度喷嘴出口面积喷嘴数阀径阀数10.07240.072417.317.307750220.10350.175924.7242.02101760230.10350.279424.7266.74102760240.05180.331212.3679.

28、1053260150.05180.383012.3691.465376014. 各级温度、压力及功率：级别CZ34设计工况级后温度343314291266背压1.98961.56491.233450.9807内功率6970210719741932高背压工况级后温度352325298269背压2.32581.86251.53731.2748内功率6650222019451857低背压工况级后温度339301275248背压1.70161.31310.98550.78453内功率70181997186219965. 各接管口径及流速：项目主汽管排汽管接管内径接管面积0.05970.2666设计工况流量 41.66741比容 0.0630.245流速 43.96337.678变工况 2.97514.167 46.81753.1386. 通流部分热力过程线（设计工况）：7. 通流部分尺寸及动静叶片：级别C23412喷嘴节