汽轮机课程设计资料报告材料书

1、军工路男子职业技术学院课程设计报告书课 程 名 称：透平机械原理课程设计院（系、部、中心）：能源与动力工程学院专业：能源与动力工程班级：2013级姓名： JackT学号:131141xxxx起止日期：指导教师：万福哥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。与常规活塞式燃机相比，其具有输出功率稳定、功率大等特点。在

2、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“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，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 2目 录 3一、课程设计任务书 61.1 设计题目 61.2 已知参数 61.3 任务与要求 7二、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

4、算 82.1 汽轮机近似热力过程线的拟定 82.1.1 进汽压力损失的初步估计 82.1.2 选取机组的相对效率、发电效率和机械效率 82.1.3 近似热力过程曲线的初步拟定 82.2 汽轮机总蒸汽量 D0 的估算 92.3 汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算 92.4 整机相对效率 9三、焓降分配与级数确定 113.1 第一级平均直径的估计 11四、级的热力设计 124.1 调节级选型 124.2 调节级热力参数的选择 124.3 调节级详细热力计算 134.4 其它压力级的详细计算 16五、整机热力性能校核 185.1 功率校核 185.2 相对效率校核 18六、转子临界转速强度校核 206

5、.1 转子临界转速计算 206.2 叶片强度校核 206.3 叶根强度校核 226.4 轮缘强度计算 24七、轴封漏气量计算 267.1 高压端轴封漏汽 267.2 低压端轴封漏汽 27八、整机热力过程线和压力级速度三角形汇总 298.1 整机热力过程线 298.2 压力级速度三角形汇总 30九、热力计算数据汇总表 32十、各级叶片型号及参数汇总 33参考文献 34一、课程设计任务书1.1 设计题目冲动式机轮机通流部分热力设计1.2 已知参数额定功率： Pe=350kw额定转速： n=10000r/min进汽压力： P0=2.45MPa进气温度： t 0=3900c排汽压力： Pc=0.50M

6、Pa1.3 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；1. 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定及汽轮发电机组经济指标的初算2.1 汽轮机近似热力过程线的拟定2.1.1 进汽压力损失的初步估计进汽节流损失： P=0.05* F0=O.1225MPa进汽前压力：P1= P0- P

7、=2.3275MPa2.1.2 选取机组的相对效率、发电效率和机械效率由于汽轮发电机组的额定功率： Pr=350kw, 所以取汽轮机相对效率 :ri =0.73，发电机效率n g=0.970 (全负荷)，机械效率n m=0.9872.1.3 近似热力过程曲线的初步拟定由P°=2.45MPa “=390,确定初始状态点“ 0”查表知h0=3216.88kJ/kg, s 0=6.7kJ/(kg.K)节流后h1=h0=3216.88kJ/kg, P 1=2.3275MPa确定点“ 1”。过“ 0”点做定熵线与Pc=0.50MPa的定压线交于“ z”点，查表知hzt=2827.37kJ/kg

8、, t zt=187.2470c整机理想焓降 ht*=h0-hzt=389.51kJ/kg整机有效焓降 hi = n ri ht =280.45kJ/kg从而确定“ z点的比焓为Hz' *=ho- h*=2936.43kJ/kg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2.2汽轮机总蒸汽量D0的估算由额定功率Pe、有效焓降厶hi*、机械效率n m、发电机效率n g,得总蒸汽量D0为=4.69t/h_3.6Pe0= hi * n m n g2.3汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算发电机组汽耗率d0为d 0=1000D

9、0 =13.4kg/(kW.h) Pe发电机组热耗率q0为q0=d0XA hi =3758.03kJ/(kW.h)2.4整机相对效率整机相对效率n ri为n ri = h* h*=0.73三、焓降分配与级数确定3.1第一级平均直径的估计假设第一级理想等熵焓降为 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得节圆直径dm1=0.327m,根据式1 G=n dml 1eCasin a 1/ v 1得叶高11=0.019m根据同样的方法，假设末级等熵焓降hz*=74.51kJ/kg

10、，假设末级a 1=11.2°计算出末级参数dmz=0.380m ,1z=0.036m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=0.23，各级理想焓降分别为： h1*=250kJ/kg、 h2* =65kJ/kg、 h3*=74.51kJ/kg各节圆直径分别为：123dm=0.327m> dm=0.353m> dm=0.380m各级理想焓降与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4.1调节级选型由于整机绝热焓降较大，整机级的设计选择调

11、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。4.2调节级热力参数的选择调节级承担绝热焓降 his为 his=250kJ/kg调节级进口参数hi=3216.88kJ/kg , Pi=2.3275MPa查表可知3si=7.023kJ/(kg.K) , v i=0.12765m/kg其它已知参数：喷嘴速度系数© =0.947,动叶一速度系数书=0.91，导叶速 度系数© '=0.94，动叶二速度系数书'=0.97第一列动叶反动度Q 1=0.02，导叶反动度Q 2=0.05，第二列动叶反动度Q 3=0.02，总反动度

12、Q =0.09.4.3调节级详细热力计算(以下公式均来自与汽轮机原理-王新军P38与P40页)喷嘴理想焓降 hns= (1- Q) xa his=227.5kJ/kg喷嘴速度Cis= 2 hns =674.54m/sCi=© xCis=638.79m/s喷嘴能量损失 h*= (1-© 2)A hns=23.48kJ/kg圆周速度1u= n dm n/60=171.14m/s相对汽流速度w1=475.36m/s静叶出汽角B 1=actanW 坷=20.12动叶一理想比焓降5 kJ/kg动叶出口气流相对速度应 t = 48577m/sW2 屮 J2 &则=442,05m

13、/s动叶一损失A如応=0 - 旳旳； = 242R灯/鋼动叶一出口绝对气流速度1'2 =一 2叫 1（2口“2 十逬=281.54/5动叶一出口相对气流角 = -3 = 17.120导叶出口绝对气流速度c'lb. = $】工/1$ + c/2000 = 32448m/5cL =4)cu= 30473m/s导叶损失（i -屮鼻）诘动叶二进口相对汽流速度w；壬 Jc'J + u2 - 2cfu2 = 157.39m/、= 43.93°动叶二进口相对汽流角0 = actan ,1C|ros«rL - w动叶二理想比焓降= Q皿兀+爲=5灯丿切动叶二出口汽流

14、相对速度+ W1 = 18647m/.sw2b = ip w2if£ = 180,83m/s动叶二损失从欧=(1-沪證瞌=1.028灯/切动叶二出口汽流绝对速度呱=w务- 2w渤叫3% 十访=102.46m/.S动叶二出汽角诩抽业n优 2 = acton.:- = 101.63WjJCOS - U余速损失也爲二爲=5.25k切轮周有效焓降血=% - % - 应碍-出;L 旳覽-血2 = 192.58kJ/kg轮周效率- = 0-776叶咼损失=S.76k/k(j叶轮摩擦损失、漏气损失、湿汽损失忽略不计级有效比焓降A 也丄=Aft/c = 1 S3.Q2kJ/kg级的相对效率1- =

15、0735级的功率Nel = GhiX = 26r02kW4.4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。级数第一级第二级訂转速(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静叶出口角a1114假想速度Cm/s)360.56386.03节圆直径Dm(m)0.3530.38部分进汽度e11叶高l(m)0.0290.036轴直径(m)0.10.1圆周速度U(m/s)191.85199.021级的

16、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动叶速度系数书0.9130.968级前汽流绝对速度C2 (m/s)102.4694.48利用上级余速动能(kJ/kg)4.724.02级滞止比焓降ht*(kJ/kg)69.7278.53静叶实际焓降hn(kJ/kg)58.3772.77静叶出口理想速度cis(m/s)368.5372.28静叶出口实际汽流速度ci (m/s)345.28350.31静叶损失厶hnz (kJ/kg)4.287.94动叶相对汽流速度方向角B i26.8533.58静叶相对汽流速度wi(m/s)145.

17、85131.68*动叶理想滞止比焓降 hbn (kJ/kg)2.794.7动叶出口理想相对速度w2s(m/s)162.76161.82动叶出口汽流实际相对速度w2(m/s)148.6156.64动叶损失厶hbz (kJ/kg)2.20.82动叶相对速度出口角B 223.8530.58动叶绝对速度出口角a 2125.48109.56动叶出口绝对汽流速度C2(m/s)94.48126.4余速损失厶hc(kJ/kg)0.520.45轮周有效焓降 hu(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l(kJ/kg)2964.0

18、42895.92叶轮摩擦损失 hf (kJ/kg)0.690.78叶顶漏气损失 hs (kJ/kg)1.371.37隔板漏气损失 hp (kJ/kg)3.023.8级的有效焓降 hi (kJ/kg)49.8448.79级的相对内效率n oi0.7840.761轮周有效功率FU(kW)51.745.38整机功率Fr(kW)358.07重热系数a0.01实际相对内效率n oi0.749表4-1其他各压力级计算五、整机热力性能校核5.1功率校核汽机额定功率Pe=350kw由本说明书4.4节可知汽机实际运行功率R=358.07偏差t = 0.023 < 0.03 =汽机运行功率满足要求5.2相对

19、效率校核预估汽机相对效率n ri =0.73由本说明书4.4节可知汽机实际运行时相对效率n rir =0.749偏差= 0.025 <0.03 =牯汽机相对效率满足要求六、转子临界转速强度校核6.1转子临界转速计算转子材料选用30Cr1Mo1V,于网上找到其物性参数，具体如下所示： 转子密度p =7760kg/m3转子弹性模量E=192GPa惯性矩/ = = 4.91 *转子横截面积 = 0.0078 m2转子一阶临界转速=岁= 46868 r/min > 1OOOO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6.2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，

20、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：1Cr13材料密度p =7760kg/m3屈服强度(T °.2t=420MPa许用应力ctJ 占 247.06JM动叶离心拉应力at = pm2IRik = 60,44AfPa动叶在圆周方向承受的作用力=1 1.75/V动叶在轴向方向承受的作用力p厂竺空*加卩2）杜=21肋2动叶气流力合力Pt = JP：十巧=24.77N动叶底部截面弯矩查阅汽轮机设计课程参考资料-字叶型P156页可知动叶截面系数W进、出=0旳or?IV = 0,561cm3动叶进出口截面应力=0A

21、4MPa动叶背部截面应力(7背= 0.61 MPa动叶进出口截面合成应力进、匕-+ "进、止=阪 60MPa|动叶背部截面合成应力£<7背=叭 + 背58* fiOMPcz己厂迥 出丈=27.06MPa工咋 < as = 247.06MPa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，叶片强度满足使用条件。6.3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

22、骤如下所示：叶根底部截面到叶根1-1截面的距离a=0.015截面1-1处的半径珀=0.143mi-i截面上的离心拉力Ci=F® "i=5569.24N/m叶根叉数Zh=2铆钉直径d=0.005m每叉宽度b=0.05叶片数目Zh=56偏心距E=0.0005截面1-1处叶片节距t = = 0.016叶根1-1截面上的离心拉应力叶根1-1截面系数=74. 49MPa=3.06 *汽流力产生的弯矩和弯应力MS =儿( + «) = O-36/V/m朋=2 二 °，S65MPa偏心引起的弯矩及弯应力=(C-Ci)e = 557N/m叶根1-1截面合成应力叭=叭+处

23、+吒=39. 13 < 0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6.4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n -n处的半径R2=0.123m截面n -n以上的轮缘部分的离心力rim= 5195. 87/V轮缘宽度b1=0.075m轮周上一排铆钉数目Zr=56轮缘承受拉应力旷征乔丽乔话=2Pa< |(j|轮缘承受应力小于许用应力，轮缘强度满足使用需要七、轴圭寸漏气量计算本汽轮机采用迷宫式轴封，平齿，如图 7-1，取d=0.1m。图7-1迷宫式轴封示意图齿间距 s=0.01m;齿宽 =0.001m；齿高

24、h=0.003 ;颈项间隙 S =0.0003m（以下计算均按照王新军-汽轮机原理P106 P107有关容进行。）t 0.5577.1高压端轴圭寸漏汽Pa0.992-0,4262Po232750.298又由达到临界时的临界齿数为z=3假设总漏气量为咼压端漏气量AG = 0.01C = 0.0198/s= 0.7AG = 0,0139k.t/s根据gS = A8可得7.2低压端轴封漏汽根据PaP(0.5=0-7950.6920.298阮0.423 + O.S57可知，达到临界时的临界齿数为 z=2低压端漏气量根据A G 0.3AC' 0.006ki/5可得根据轴圭寸齿数复求咼压端、低压端

25、漏气量，有AGj = 0.0137/s&G2 = a(M57icg/g总漏气量At； =+ AG； = 0.0194/s0.0194L99=0,C09R < 0.01满足要求八、整机热力过程线和压力级速度三角形汇总8.1整机热力过程线将各关键位置处的焓值与熵值输入 EXCELS,利用EXCELS大的计算与绘图 能力得到较为真实的的热力过程线，如下图 6-1所示。热力过程线图6-1实际热力过程线图6-2各级焓降变化示意图8.2压力级速度三角形汇总821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压力级I压力级

26、H项目名称符号单位调节级流量Gkg/s1.711.681.57节圆直径dmm0.3270.3530.38圆周速度um/s171.14191.89199.11级前烝汽压力p0MPa2.32750.8860.692级前烝汽温度to0c390282.792255.035级前烝汽焓值h0kJ/kg3221.493018.352962.5级前蒸汽动能A hOkJ/kg05.252.55级等熵滞止焓降hs*kJ/kg25070.2577.06速比xa0.2420.5110.522平均截面处反动度Q0.090.040.06静叶出口理想速度cism/s674.54368.5367.42动叶出口理想速度co 2

27、sm/s186.47176.58182静叶速度系数00.9470.9370.941动叶速度系数I0.970.9130.968静叶流量系数口 10.90.90.9动叶流量系数口20.90.90.9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动叶出口面积匸A2mm23091.35182.565075.4叶栅面积比r f3.890.990.893部分进汽度e0.2311静叶损失hnkJ/kg23.484.237.73动叶损失hbkJ/kg1.032.591.04叶栅环形损失糸数000余速损失hc2kJ/kg0.270.1283.38余速利用系数a0.950.950.95余速利用能量hOkJ/kg05.182.42级的理想能量EOkJ/kg25070.1876.93轮周损失56.1513.7316.13轮周效率nu0.7730.8610.85实际轮周效率n u'0.7760.8650.848隔板汽封漏气量GS