6000kW汽轮机设计说明书

1、课程设计计算说明书设计题目： 6000kW冲动式汽轮机设计班级： 能动A95 （能动92）姓名：祁晓晖学号：09031041指导教师：李亮2013年 1 月 8 日安交通大学目录引言 11汽轮机设计任务书2原始数据2设计任务22热力设计及计算 22.1当前汽轮机设计的方向2本设计中遵循的几个原则 32.2.1 安全可靠3经济性3降低制造成本4热力设计及计算42.3.1 热力系统计算43体会 18引言为了对某一过程进行有效的控制，必须清楚过程的目标和控制的要求，汽轮机课程 设计的目的在设计任务书上得到了详细的规定，但有些目的是不能用直观的几何图形来 表示的，而是需要在设计过程中不断复习，积极思考

2、，总结来完成。本设计涉及的主要课程有透平机械原理、汽轮机装置、透平工艺制造学 以及有关的基本知识，课程设计的任务和要求：首先必须认真地完成设计任务书上的各项要求，这包括根据所给参数要求和设计 要求完成：1）热力系统设计和计算2）热力设计和计算；3）图纸；4）设计说明书。专业知识的总结和再学习，在此之前，我们分别学习了有关透平各方面的知识， 这种学习室在一定方面和范围内进行的，比如我们在学习原理时，仅仅是就系统中 汽机部分进行分析和研究，事实上，工作原理、热系统、强度问题调节及制造之间是相 互作用和相互影响的，通过课程设计这一环节，使我们在一定程度上能够把诸多方面的 专业知识综合起来，融会贯通，

3、使学员队专业知识获得较为全面的整体认识。对汽机设计过程的认识，也许你已经对喷嘴的计算、焓降的分配各种方法有了清 楚的认识，但是在汽机整机中焓降的分配与平均直径、损失、叶高、效率等因素之间在 多大程度上互相作用和影响，以及如何通过调整某个因素达到设计要求。这一点在完成 课程设计之前是很难有一个清楚认识的，再者作为将要从事透平设计工作的同学来说课 程设计无疑是一次生动的模拟训练。学习解决问题的方法，在汽轮机设计过程中，必然会产生不少问题，通过解决这 些问题，使自己的知识深化，同时也引起我们的思考“在我的设计中，所遇到的最棘手 的问题是什么？”怎样解决这些问题，“设计中还有哪些问题考虑的不充分，怎么

4、进一 步改进”，进而可以思考一下，在这种类型的透平中设计的主要问题是什么，要提高效 率，应该如何着手，通过我们主动的思考，加深对设计过程的认识。基本技能的训练，课程设计所涉及的内容还是比较广泛的，通过这一环节，使学 员获得了如何使用设计资料、有关工具、图表以及如何表达和说明设计结果的基本训练， 对于工科学生而言，这无疑是必要的。汽轮机设计任务书初步设计一台冲动式汽轮机，用以带动发电机。1.1 原始数据蒸汽初参数p 二 3.43MPat 二 435C00凝汽器进口处压力p = 5.0 kPac给水温度t =155C0经济功率P = 6000kW 土 1%e汽轮机转速n = 3000r / min

5、汽轮机内效率耳=81 土 1%oi1.2 设计任务（1）热力系统设计及计算拟定具有三级抽汽的热力系统，其中第2 级抽汽供除氧器加热用；作原则性 热力系统图；计算系统的热耗率。（2）汽轮机的热力设计及计算 调节级与非调节级的焓降分配；调节级的方案比较及详细热力计算；非调节 级的热力设计及计算；按比例绘出各级速度三角形及汽轮机在 i-s 图上的热力膨胀过程曲线图。（3）绘制一张汽轮机纵剖面图（4）说明书一份热力设计及计算在这一部分中，涉及的内容包括：1、当前汽轮机设计的大致方向；2、本设计遵循的若干原则；3、N12设计过程及结果；4、本设计中存在的主要问题及改进方向。2.1 当前汽轮机设计的方向本

6、世纪七十年代以后的能源短缺，给世界经济带来了极大的冲击，根据世界当前的 经济发展情况，许多实力雄厚的大厂家为了寻求市场，缓解生产过剩，遂把最精锐的技 术力量转到了中等容量机组的改进和完善上，达到了明显的效果，所以中等容量的机组 反映出了当前国外汽轮机设计中，已达到和力求发展的真正技术水平。机组的经济性和安全可靠性成为设计制造中最重要的原则，为了在设计中达到这两 项。不可能仅仅依靠设想和计算，唯一可行的途径是实验研究。在提高经济性方面，大都从以下几个方面着手：1、改善通流条件；2、改进叶片叶 型，减少损失；3、改善末级叶片和相应考虑排汽面积。在安全性方面：1、改善振动条 件；2、提高轴系热疲劳强

7、度，同时，加装了转子应力指示器，以显示转子在不同工况 下热应力和循环疲劳中转子寿命的消耗程度。比如三菱重工在提高效率方面采取了以下措施：a、按源流理论设计低压长叶片；b、在低压排汽室采用了高性能的扩压汽道；c、在中、高压透平的排汽部分采用扩压汽道；d、改善主蒸汽入口处的汽封，减少漏气损失。另外，他们也比较重视低压末级的研究和高压级振动的研究，以及轴系振动的计算。 以上为当前设计的一些情况，下面谈到本设计中遵循的主要原则。2.2 本设计中遵循的几个原则安全可靠在本设计中安全可靠为考虑的第一因素。尽管我们设计的不是很大的机器，然而作 为学习设计的人员，学会如何把安全思想贯穿于我们所负责的设计中，这

8、一点无论如何 是非常重要的。安全与否，直接影响汽轮机的正常运行，如果由于设计因素导致事故， 小则停车，大则危及生命财产，损失巨大。在本设计中采取了一下措施：1、精心计算，防止由于计算失误，而发生实际工况严重偏离计算工况的可能性， 提高设计的可信度。2、在结构方面，本设计要以上汽厂 N12 为母机，参照该机进行设计，尽量采用了N12 的结构，以期提高安全性，对于这一点，设计者本身也持一定得到怀疑态度，因为 本设计并没有参考上汽N12的运行情况，不了解该机的事故情况，同时作为五十年代的 设计，某些部分可能已经落后了，例如N12采用了薄型叶轮，该型叶轮的轮系振动问题 很可能导致叶片事故，但限于时间，

9、本设计在结构上还是照抄了 N12 （上汽1955）。经济性我们大量的时间和精力是花在如何提高汽轮机效率上，正在保证安全可靠的前提下 如何使汽轮机更有效地工作，为此，本设计对以下几个方面给予了相当的重视，最后设 计结果刚刚达到要求，但是我们以为在以下几个方面做的工作仍是有益的，为此，在这 一部分的 2.4中，将谈到本设计中遇到的困难。1、在高压部分和中压部分，采用了尽量减少直径变化幅度的通道，以期获得较为 光滑的流道，以减少对汽流的扰动，降低损失。2、较好的组织汽流，使汽流适应汽道的变化，减小冲角损失，以提高叶栅的效率。降低制造成本为了获得较低的制造成本，本设计中不少环节进行了大量试算，由此，本

10、设计得到 以下好处：1、第二级和第三级，第四级和第五级的叶轮完全一样，可以互换。2、第二级和第三级，第四级和第五级的静叶除了高度不同，其叶型完全一样， No1-No5 级动叶除高度外完全一样，这样大大减少了机器制造加工量。工艺上带来不少 好处的同时，不难想到，由于许多级均采用完全一样的叶片，也不可避免的给效率带来 一定的影响。2.3 热力设计及结果2.3.1 热力系统计算根据设计要求，参照同类机型设计，其系统用图2-1 来描述。为了对系统进行热平 衡计算，首先应作出汽轮机蒸汽膨胀近似过程曲线；第二，确定各加热器的温度，抽汽 压力等有关的数据，见表 2-1；第三，根据能量守恒计算每一个加热器的抽

11、气量，同时 对功率进行平衡( 5%) 。图 2-1 N12 型机组原则性热力系统在热力系统的计算中，有以下几点，需要说明：1）除氧器补水为t = 25C，其后按30C饱和水查出焓为104.84kJ/kg。2）在高压加热器计算中，给水的焓值是考虑了水泵的压力为5.88MPa，同样出口水 焓也应考虑水泵压力。3）低压加热器给水焓不同于冷凝器出口水的焓值，两者差值为水泵引起的焓升， 计算时，认为Ai二15kJ/kg计算及说明结果、热力系统计算1、初步确定热力过程线(1)由 p = 3.43Mpa t = 435C p = 5.0kpa00c查水蒸汽性质表得：hs =1179.13kJ / kg(2)

12、进汽节流压损(3)取 Ap = 0.04 p = 0.04 x 3.43 = 0.137 Mpa排汽节流压损rdltdK2i=X.h = 1179.13kJ /skgAp = 0.137Mp0(4)Apc=九Apc2 pc，取九=0.07，C2=100m / s，则=.5 5 (需)2 x 5=5p = p -Ap = 3.43一0.137 = 3293Mpa0 0 0p = p +Ap = 5.0+0.25 = 5.25kpaccc由 p = 3.293Mpa,t = 435C, p = 5.25kpa由 00c查水蒸汽性质软件得：hs = 116982kJ /kg/、h = h n = 1

13、169.82 x 81% = 947.5542kJ / kg5) i s 0iAh = 0.5C2 = 0.5 x 1002 x- = 5kJ / kg c221000i = i - h - Ah = 3306.63 - 927.7918 - 5 = 2378.8352kJ / kg40 ic 2确定 t = 33.74C4(6)初步设计调节级d = 1100mm选取平均直径m复速级2兀n d2k - 3000 1.1u =m =-= 172.8m / s60 2 60 2u 172.8C = 720m / sa x 0.24aAp = 0.25 kPach = 1169.82kJ / kgs

14、h = 947.5542kJ / kgit = 33.74C4计算及说明结果h = 1 C 2 = 1 x 7202 x 1 = 259.2kJ / kg si 2 a21000C.确定 p = 1.317Mpa, t = 301.01Cis1si 二 3304.63kJ / kg , i 二 i - h 二 3304.63 - 259.2 二 3045.43kJ / kg 01s 0s1S = 6.99kJ /(kg C)0d.查耳一x曲线，耳=76.7%0ia0 ih = h -n 二 259.2 x 69% 二 178.85kJ / kg11s0i确定 P -1.328Mpa, t =

15、328.73C1 1i - i 一 h - 3304.63 一 198.81 - 3105.82kJ / kg1 0 1以1点和4点相连与饱和线相交于a,1-a中点沿等压线上浮1020kJ /kg得2, a点沿等压线下浮1020kJ / kg得3得到0-1-2-3-4为初步过程线。0 点：p = 3.293Mpa,t - 435C, i - 3304.63kJ /kg0 0 0点：p -1.328Mpa,t - 338.99C, i - 3127.78kJ /kg1 1 1上 p - 0.36Mpa, t - 225.26C, i - 2915.3kJ / kg点：222上 p - 0.058

16、6Mpa,t - 85.32C, i - 2645kJ / kg点：333上 p - 5.25kpa,t - 33.74C, i - 141.38kJ / kg点：444蒸汽量D - p /H nTn n xm + AD(8)蒸汽量 0es 0i mg0n 0.9&n 0.96, m 1.10, AD 0.03D取 mg00则 D - 6000 x 103 / (1147.97 x 103 x 0.8 x 0.975 x 0.95) x1.10 + 0.04D0 0解得：D - 27260.3kg / h0p -1.318 Mpa s1t - 301.01Cs1p -1.318 Mpa1t -

17、 328.73C12、回热系统热平衡计算：冷凝器压力下的饱和水蒸汽温度t二33.75Cs取凝结水温t = t - At = 32.75Ck sk泵后压力 p 二 0.118Mpa1泵后温度 t = t + 2C = 34.75 Ci k射流器中的加热给水：压力 p = 0.118Mpa，取t = t + 3C = 37.75C2 2 1抽汽量：D = 05%D = 1363kg / hc 20除氧器工作压力0.118Mpa，工作温度104.3Ca抽汽压力0.295Mpab除氧器出口 t = 104.2C4c 漏气量 D = 1%D = 272.603kg / hc10d补水：水压0.2Mpa，

18、水温25C补水量：0.5t/h水泵出口 t 二 t + 3C 二 104.32 + 3 二 107.32C54低压高压加热器抽汽点：a根据加热器中给水等焓原则t = t + (t -1 ) = 85.45 C32 fw 5b其他D 二 27260.3kg0t 二 33.75Csp = 0.118 Mpa 1t 二 34.75 C1p = 0.118 Mpa2t 二 37.75C2D = 136.3kg /c 2t 二 104.2C4D 二 272.603k345.7-0.5x104.8-2.18x653.9qmoqn1qym=27396.6kg / h2327.897kg / h0.5t /

19、h(2901$345.7卜0.98=1137.69kg / hc低加热平衡计算：给水流量：q - 23431.016 kg / hq(i -i ) 23431.016x(357.84 158.14) 1989 8“ /7 q n2ni 1989.83kg / hn2 (i -i )n(2722 - 370.45)n 2nHn(8)功率校核三个抽汽点将过程分为四段a进汽高加抽汽流量27260.3kg / hb冋加抽汽除氧器流量 27396.6kg / h 一 q 25068.7kg / hn1c除氧器一一低加抽汽流量 25068.7 kg / h 一 q 一 23431.016 kg / hcy

20、d低压抽汽一一凝汽器流量 23431.016kg / h 一 q 21441.186kg / hn 2q 1137.69kgcyq 1989.83 kg n 2AP 0.6%g级组1234流量(kg/h)27396.625068.723431.01621441.186有效焓降237.63167178277.77(kJ/kg)功率(kW)1544.37993.121007.371932.372 P 1544.37+993.12+1007.37+1932.37 5963kWiAP - 5963 一 6000 x 100% 0.6% 1% g6000符合要求，可以采用！二、调节级的热力计算本设计中，

21、采用了双列调节级，苏字调节级叶栅。调节级对整个汽轮机有很大的影响，设计和选取调节级时不但要考虑其本身的特点，还必须考虑对以后压力级设计时，可能产生的影响。为了能在一定范围内 审视不同的调节级热力方案，对他们进行比较，了解他们的规律，以及各种参数 的相互关系，我们必须对多个方案进行计算。事实上，为了选择出最佳方案，至 少应该考虑d和Xa变化时不同的结果，限于时间，本设计仅给出d=1100mm时， 不同速比下的各个方案：d = 1100mm （不变）x = 0.21,0.22,0.23,0.24,0.25,0.26a共六个方案。在选择调节级方案时，应该考虑的因素是多方面的，至少有以下几个因素必 须

22、认真分析：（1）由于调节级效率较低，如果h过大，可能影响整机效率。s（2）由于高加抽汽点的限制，而第一非调节级利用的焓降一般也较小，所以 调节级后到高加抽汽之间的压力级级数对调节级方案选择施加了较大 的限制。（3） 调节级焓降越大，变工况时（因为是喷嘴配汽）工况越恶劣，机组运行 的危险增加，可靠性、安全性下降。（4） 工艺性方面的考虑，应尽量采用少的级数，制造工作量可下降，同时使汽机尺寸减小，这就是说采用过小的h尽管耳 很高，但从经济角度衡 s0i量仍是不可取的。总而言之，必须综合考虑安全，运行要求，制造工艺等因素，本设计采用X = 0.24，这样调节级后到高加抽汽之间，可用一级，给以后的设计

23、带来一定的a方便。三、压力级热力计算设计思想：首先避免直径突跃，以期获得变化光滑的通流部分，尤其在高、 中压部分，减小由于汽流通道突跳对汽流扰动引起的熵增，其次，注意良好地组 织流动，控制超高，以及末级叶片的径高比。第三，在设计中，从制造角度考虑， 在满足要求的经济指标的前提下，尽量采用已有的设计，强调通用性，减小加工 量。A通流部分：在本设计中是一个被充分重视的问题，前面曾经提到过当前在 设计上，通流部分的改进是一项主要的工作，在这里无法对进汽部分进行计算， 所以把重点放在了高、中压部分，力求平缓的变化。但由于本设计中在高中压部 分所遇到的困难不得不在调节级后和第一压力级后平均直径分别增加6

24、5mm和 60mm，然而在这两个位置上有抽汽，直径增加的影响并不会太大。B良好地组织汽流：在压力级的计算中，应该对进出口汽流角给予足够重视， 注意它们是否满足在原理中所导出的相互关系，是否符合所用叶型的要求。C工艺方面：在保证经济性达到要求的情况下，减少零件的种类会降低制造 成本。本设计试图在这方面做些努力，比如各级动叶的一致（除高度的差别），叶 轮的一致等。四、其他计算1 u (m / s)u (m / s)u (m / s)u (m / s)172.8172.8172.8172.8c (m / s)w (m / s)c(m / s)w (m / s)1212746.6565.7431.92

25、79.1aPaP121214.515.815.7518.29喷嘴动叶I导叶动叶II级平均 直径(mm)1150.01150.01150.01150.0型线30TC-2620TP-1620TP-3A25TP-5A圆周速 度(m/s)172.8172.8172.8172.8出口汽 流速度(m/s)u (m / s)u (m / s)u (m / s)u (m / s)653.60473.80436.10205.80出口汽 流角( )a卩2a14.518.324.834.1叶栅宽 度(mm)30.020.020.025.0叶栅高 度(mm)1112.513.517x - 0 24a .时的复速级速度

26、三角形图2、压力级速度三角形um/s 179.0190.0196.3208.8218.2233.9237.1248.1a 114.515.015.017.117.1C1 m/s 398.5407.3427.8428.6450.6480.0475.8466.5W1 m/s 229.6229.1243.6233.4248.5265.2258.8240.7B2 23.123.022.922.922.525.025.027.0W2 m/s 225.8225.7244.4240.1273.9326.9325.6340.9C2 m/s 93.189.899.494.1110.515

27、1.6149.4164.5No.1No.2No.3No.4No.5No.6No.7No.83、汽轮机发出的总功率级、皿*阿压力级、“调节级数IIIUIWVWWW流量273927025182518258258235123512351(kg/h)6.6276.76.7545级实际焓降(kJ/kg)229.063.677.679.482.591.187.497.6133.8功率468.4536547.587.649568635.872.468.(kw).418.2.5734汽轮机总功率：工 N. = 1393.8+ 4865.3 = 6259.1kW发电机功率：N = 6259.1 x 0.96 x 0.99 = 5949 kW.5949 6000 八八力 c c/力AN 二x 100% 二 0.86%i6000发电装置气耗率：d = D / N = 27396.6/5949 = 4.6kg /(kW - h)g0g发电装置热耗率：q =