汽轮机课程设计-汽轮机通流部分热力设计

汽轮机课程设计

指导老师：学生姓名：学号：专业：班级：日期：

能源与动力工程

目录

目录.....................................................................................................................................................2课程设计任务.....................................................................................................................................4第一章汽轮机热力计算.................................................................................................................5

1.汽轮机基本参数和结构的选择...........................................................................................5

1.1机组基本参数的确定.................................................................................................51.2汽轮机基本结构形式的选择.....................................................................................62.近似热力过程线的拟定.......................................................................................................6

2.1损失的估计.............................................................................................................62.2非再热过程热力线的拟定....................................................................................6

第二章抽汽回热系统热平衡初步计算..........................................................................................9

1.汽轮机进汽量估算................................................................................................................92.抽汽回热系统热平衡初步计算...........................................................................................9

2.1给水温度的选取..........................................................................................................92.2回热抽汽级数的选择.................................................................................................92.3除氧器的工作压力...................................................................................................102.4回热系统图的拟定...................................................................................................102.5各加热器汽水参数计算...........................................................................................102.6各加热器回热抽汽量计算.......................................................................................12

第三章汽轮机漏汽量的计算........................................................................................................14

1.阀杆漏气量的计算................................................................................................................14

1.1主汽阀阀杆漏汽量的计算.......................................................................................141.2调节阀阀杆漏汽量的计算.......................................................................................152.轴封漏汽量的计算.............................................................................................................15

2.1前轴封漏气量计算...................................................................................................152.2后轴封漏汽...............................................................................................................17

第四章调节级的选型及热力计算................................................................................................19

1.调节级选型..........................................................................................................................192.调节级热力参数的选择.....................................................................................................193、调节级几何参数的选择....................................................................................................194.调节级详细计算..................................................................................................................20

4.1第一列喷嘴热力计算...............................................................................................204.2.动叶部分计算..........................................................................................................224.3导叶热力计算：.......................................................................................................234.4第二列动叶热力计算................................................................................................24

第五章压力级的计算.....................................................................................................................26

1.各级平均直径的确定.........................................................................................................262.级数的确定及比焓降的分配.............................................................................................26第六章整机校核及计算结果的汇总............................................................................................28

1整机校核................................................................................................................................28

2.级内功率：..........................................................................................................................28第七章总结.....................................................................................................................................29参考文献...........................................................................................................................................29附录...................................................................................................................................................30

课程设计任务

设计题目：N12 2.83/435汽轮机通流部分热力设计已知参数：

额定功率：Pr 12MW新蒸汽压力：P0 2.83MPa冷却水温度：tw1 16o

凝结水泵压头：pcp 1.18MPa汽轮机相对内效率： ri 80%发电机效率： g 97%任务与要求：(1)列出设计任务书；

(2)画出本机组回热系统图，并作简要分析；(3)作出全机初步拟定的热力过程线，并加以说明；

(4)调节级详细计算及校核结果，（作出速度三角形、级的详细过程线），并作必要的计算说明；

(5)画出整机热力计算程序框图，列出级的计算程序；

(6)压力级（第1级）及低压缸最末级的计算数据的列表汇总，并分析参数选择及计算的正确性、合理性，说明计算过程中出现的问题及解决办法等；

额定转速：3000r/min新蒸汽温度：t0 435oC排汽压力：pc' 5kPa给水泵压头：pfp 0.28MPa机械效率： m 99%加热器效率： b 99%

第一章汽轮机热力计算

1.汽轮机基本参数和结构的选择1.1机组基本参数的确定

(1)再热蒸汽参数

本汽轮机的额定功率Pr 12MW，参照《汽轮机设计基础》采用中间再热虽然可使热效率相对提高2%~5%，但是采用中间再热后将使机、炉结构，布置及运行复杂化，造价增加，而且只有当功率大于10万kw时才采用，故本汽轮机不采用中间再热。

(2)排气压力

排气压力应该根据冷却水温度、供水方式、排气流量和末级叶片特性等分析比较后确定，参照《汽轮机设计手册》表3-1,我国凝汽式汽轮机常用排气压力如下表所示：

表1.常用的排气压力

冷却水温度/oC排汽压力/kPa

154~5

205~6

256~7

277~8

结合本设计的冷却水温度为t 16oC，确定排气压力为。(3)给水温度与回热级数

从理论上，同一给水回热循环系统，给水温度越高，工质在锅炉内的平均吸热温度越高，循环效率越高，但温度过高又会降低蒸汽做功比焓降，降低锅炉效率，通常，给水温度取蒸汽初压下饱和温度的0.65~0.80倍。查询焓熵表，得到蒸汽初压t0 2.83MPa下的饱和温度ts 230.68oC，取给水温度

tw 0.7ts 161.5oC。

当给水温度tw一定时，回热循环效率随着回热级数Zfw的增加而提高，但随着回热级数的增加，回热循环效率的增量 将逐渐减小，回热级数过多会增加投资成本，参照《汽轮机课程设计》表4-10，确定回热级数Zfw 3。

(4)汽轮机的功率

汽轮机设计功率的大小由机组本身容量大小及运行时所承担负荷的变化而定，参照《汽轮机原理课程设计基础》表4-2，给出了国产不同容量汽轮机的设计功率，如下表：

表2.国产不同容量的汽轮机的设计功率

汽轮机容量(MW)设计功率与额定功率比值

6

12~250.8

500.9

100

0.751.0

本汽轮机的额定功率为r12，因此设计功率与额定功率比值取0.8，则设计功率pe 0.8pr 9.6MW。

1.2汽轮机基本结构形式的选择

(1)汽轮机的形式：由于设计的为小功率汽轮机，因此选择单缸、单轴凝汽式汽轮机。

(2)配汽方式的选择

我国发电用汽轮机的配汽机构有两种：一种是实现喷嘴调节的多阀控制（顺序阀控制）方式，另一种是节流调节单阀控制方式。节流调节一般被采用在小机组上，设计的汽轮机为中型汽轮机，因此配汽方式采用：喷嘴调节的多阀控制。

2.近似热力过程线的拟定2.1损失的估计

(1)主汽阀的调节汽阀节流压力损失： p0 0.05p0 0.119MPa(2)排气阻力损失： pc pc' pc 0.04pc 0.0001923MPa 0.1923kPa

2.2非再热过程热力线的拟定

(1)在h s图上，根据新蒸汽压力p0 2.83MPa和新蒸汽温度t0 535oC，可确定汽轮机进汽状态点0(主汽阀前)，并查得该点的比焓值h0 3313.5kJ/kg，

比熵s0 7.068kJ/(kg oC)，比体积v0 0.1118m3/kg。

(2)在h s图上，根据初压p0 2.83MPa及主汽阀和调节汽阀节流压力损失

'

p0 p0 2.711MPa，然后根据 p0 0.119MPa,可以确定调节级级前压力p0

''

与h0的交点可以确定调节级级前状态点1，并査得该点的温度t0p0 434.23oC，''比熵s0 7.087kJ/(kg oC)，比体积v0 0.1167m3/kg。

(3)在h s图上，根据排气压力压力pc' 0.005MPa和排汽阻力损失

'

pc 0.0048077MPa。 pc 0.0001923MPa，可以确定凝汽器压力pc pc

(4)在h s图上，根据凝汽器压力pc 0.0048077MPa和

s0 7.068kJ/(kg oC)可以确定汽缸理想出口状态点2t，并査得该点比焓值hct 2150.6kJ/kg，温度tct 32.20oC，比体积vct 24.3145m3/kg，干度

由此可以得到汽轮机理想比焓降 Htmac h0 hct 1162.9713kJ/kg，xct 0.8311，

进而可以确定汽轮机实际比焓降 Himac Htmac ri 930.377kJ/kg，再根据并查得该点比焓值hc2 2383.1551kJ/kg，h0, Himac和pc'可以实际出口状态点2，

温度tc2 32.8976oC，比体积vc2 26.1188m3/kg,干度xc2 0.9264，比熵

sc2 7.8129kJ/(kg oC)。

(5)考虑到末级余速损失，则 hc2 0.018 Htmac 20.9335kJ/kg（通常，然后沿压力线pc'下移25.5kJ/kg得3点，并査得该 hc2 (0.015~0.025) Htmac）

点比焓值hc3 2362.2216kJ/kg，温度tc3 32.8976oC，比体积vc3 25.8753m3/kg，干度xc3 0.9177。用直线连接1、3两点，在中间4'点处沿压力线下移

(12~15)kJ/k得4点，光滑连接1、4、3点，则由点0、1、4、3连接的线即为该机组在设计工况下的近似热力过程线，拟定的热力过程线如图1所示。

图1.设计工况下的热力过程线

第二章抽汽回热系统热平衡初步计算

1.汽轮机进汽量估算

一般情况下，凝汽式汽轮机的总进汽量可由下式进行估算：

D0

trimg

3.6pe

m Dt/h

式中 D——考虑阀杆漏气、前轴封漏汽及保证在初参数下降或背压升高时仍能发出设计功率的蒸汽余量，通常 D/D 3%左右，取3%。

m——考虑回热抽汽引起进汽量增大的系数，通常为1.08~1.25，取1.15。

则D0

3.6 9600

1.15 0.03D0 45.86t/h。

2.抽汽回热系统热平衡初步计算2.1给水温度的选取

从理论上，同一给水回热循环系统，给水温度越高，工质在锅炉内的平均吸热温度越高，循环效率越高，但温度过高又会降低蒸汽做功比焓降，降低锅炉效率，通常，给水温度取蒸汽初压下饱和温度的0.65~0.80倍。查询焓熵表，得到蒸汽初压t0 2.83MPa下的饱和温度ts 230.68oC，取给水温度

tw 0.7ts 161.5oC。

2.2回热抽汽级数的选择

当给水温度tw一定时，回热循环效率随着回热级数Zfw的增加而提高，但随着回热级数的增加，回热循环效率的增量 将逐渐减小，回热级数过多会增加投资成本，参照《汽轮机课程设计》表4-10，确定回热级数Zfw 3。采用“一高、一低、一除氧”的形式，高压加热器采用内置式疏水冷却器：高压加热器疏水收集方式为逐级自流到除氧器，低压加热器疏水收集方式为逐级自流。

2.3除氧器的工作压力

通常，在中、低参数机组中采用大气式除氧器，大气式除氧器的工作压力一般选择略高于大气压力，即0.118MPa,因此取除氧器的工作压力为

pd 0.118MPa，对应的饱和水温度即为除氧器出水温度td 104.3241oC。

2.4回热系统图的拟定

图2.回热系统图

2.5各加热器汽水参数计算

(1)表面式加热器出口传热端差

由于金属表面的传热阻力，表面式加热器的给水出口温度tw2与回热抽汽在加热器中凝结的饱和水温存在温差 称为加热器的出口端差，又称上端差，一般无蒸汽冷却段的加热器 3~4oC，取 i 4oC。下端差 是指加热器疏水温度与水侧进水温度的差值，一般取 i 5~10oC，取 i 6oC。

(2)给水经过加热器时的温升

通常根据给水等温升原则确定各加热器进出口水温，即利用给水温度与除氧器出口水温差除以高压加热器个数，可确定各台高压加热器进出口水温，利用除氧器出口水温与凝结水温差除以低压加热器个数可确定各台低压压加热器进出口水温。

(3)回热抽汽压力的确定

当第i个加热器的给水出口水温twi确定后，则本加热器的内汽侧的饱和温度

tsi twi i，并查得其对应的饱和蒸汽pi'，考虑到蒸汽在回热抽汽管道中的压力

损失 pi，则pi pi' pi，一般取 pi (0.04~0.08)pi。各段抽汽压损 pi 0.08pi，由于除氧器定压运行，为了使其工作稳定，除氧器压损取0.4。

凝汽器压力pc对应下的饱和水温，即凝结水温度tc 32.2012oC。

除氧器工作压力pd对应下的饱和水温，即除氧器出口水温度td 104.3241oC。本次计算暂不考虑给水泵与凝结水泵温升。

根据等温升法求取各级加热器进出口水温twi，水比焓hwi，通过上端差求取各级加热器凝结段的饱和水温度tbi，饱和水比焓hbi，加热器汽侧工作压力pi'，抽汽压力pi，通过下端差计算各级加热器的疏水温度tbi、疏水比焓(过冷水)hsi，最后再根据抽汽压力与热力过程线的交点在h s图上査取各段抽汽温度ti(或干度xi)、抽汽比焓值hi。

由等温升法可得高压加热器水侧温升为 t1 tfw td 57.18oC由等温升法可得低压加热器水侧温升为 t2 (td tc)/2 36.06oC则tw1 tfw 161.5oC，tw2 104.32oC，tw3 68.26oC。(5)各加热器汽水参数计算a.1号高压加热器

根据给水温度，可以得到1号高压加热器出口水温tw1 tfw 161.5oC；由给水泵出口压力pfp 0.28MPa和tw1 161.5oC，可得1号高压加热器出口水比焓hw1 681.79kJ/kg。

1号高压加热器凝结段的饱和水温度：tb1 tw1 1 165.5oC；饱和水比焓

hb1 699.436kJ/kg。

1号高压加热器汽侧工作压力p1' 0.7095MPa；1段抽汽压力p1' 0.7711MPa1号高压加热器疏水温度ts1 tw1 t1 1 110.32oC，1号高压加热器疏水比焓hs1 681.79kJ/kg

b.除氧器

'

除氧器工作压力p2 pd 0.118MPa；2段抽汽压力p2 0.1967MPa；

水温：td 104.32oC；出口水比焓hd 437.4kJ/kg。

由给水泵出口压力pfp 0.28MPa和tw2 td得到给水泵出口水比焓值为

hw2 437.44kJ/kg。

c.3号低压加热器。

3号低压加热器出口水温tw3 68.26oC；3号低压加热器出口水比焓：

hw3 286.64kJ/kg。

3号高压加热器疏水温度ts3 tw3 t2 3 38.20oC，3号高压加热器疏水比焓hs3 159.96kJ/kg

'

3号低压加热器汽侧工作压力p33段抽汽压力p3 0.037MPa。 0.034MPa，

各加热器汽侧和水侧的基本参数如下表所示：

表3.各加热器汽侧和水侧的基本参数

加热器编号

抽汽压力

抽汽温度

抽汽加热比焓器工

hi

工作压力下的饱和水比焓hb

工作压力下的饱和水温度

疏水比焓

hs

疏水温度

加热器出口水比焓

hw

加热器出口水温度

作压力

1号加热器除氧器热器

0.77

110.19660.0373

312.6

3084.52842.02599.4

0.709490.1180.03434

699.436437.317302.456

165.5

463.09310.90159.95

110.3274.26

681.79437.43286.63

161.5

185.8104.32104.32

74.2372.2638.2068.26

2.6各加热器回热抽汽量计算

(1)1号高压加热器

1号高压加热器热平衡，根据表面式加热器热平衡原理可列方程式：

fw(hw1 hw2)/ h1 (681.79 437.43)/0.98 1 0.095119

1 s3084.5 463.09

式中 h为加热器效率，取 h 0.98， fw为给水份额，取 fw 1。

(2)除氧器根据混合式加热器热平衡原理可列出方程：

2

fw(hb2 hw3)/ h 1(hs1 hw3)

2 w3

1 (437.17 286.63)/0.98 0.095119 (463.09 286.63)

0.0536

(3)3号低压加热器

3号低压加热器热平衡，根据表面式加热器热平衡原理可列方程式：

3

( fw 2 1)(hw3 hw4)/ h

3 b3

(1 0.09511 0.0536) (286.635 135.925)/0.98

0.056996

第三章汽轮机漏汽量的计算

1.阀杆漏气量的计算

该汽轮机机组有一个主汽阀和一个调节汽阀，主汽阀和调节汽阀的结构参数如下表：

表4.12MW汽轮机主汽阀和调节汽阀阀杆参数

项目阀杆数阀杆直径径向间隙间隙面积分段长度

符号

Zv

单位

主汽阀

1

调节汽阀13.60.020.227

5.8

33.3

4

3.8cmcm

cm2

3.4

0.020.214

41.8

11

v

vl

cm

1.1主汽阀阀杆漏汽量的计算

第1段阀杆前蒸汽参数为p01 2.83MPa，v01

0.118

m3/kg计算雷诺数

Re

*

3350 0.02 10 2 1.26 102

10 26 10

式中 0为蒸汽动力粘度。

计算系数K1

l

v

623.81查紊流流量系数

ta 0.1，由于 ta 0.28， taRe* 35.28 1，故第1段阀杆漏汽系数

v1 ta 0.28。

则主汽阀杆漏汽量： Dv1 0.24 v1Av

0.07t/h按照上述方法可确定第2段阀杆漏汽系数： v2 0.5

第2段阀杆前蒸汽参数为：p02 0.118MPa，v02 0.150m3/kg则流经第2

段阀杆漏汽量： Dv2 0.24 v2Av2

0.0241t/h1.2调节阀阀杆漏汽量的计算

第1段阀杆漏汽系数： v1 0.32

第1段阀杆前蒸汽参数为：p01 2.83MPa，v01

0.118m3/kg则调节汽阀杆漏汽量： Dv1 0.24 v1Av第2段阀杆漏汽系数： v2 0.58

第2段阀杆前蒸汽参数为：p02 0.118MPa，v02 0.0010m3/kg则流经第2

段阀杆漏汽量： Dv2 0.24 v2Av2

0.3432t/h。0.08t/h根据主汽阀杆和调节汽阀阀杆的漏汽计算，可得阀杆总漏汽量

Dv 0.6447t/h；

轴封冷却器回收阀杆漏汽： Dsg 0.7891t/h其余除氧器回收: Dsg2 0.15t/h

2.轴封漏汽量的计算2.1前轴封漏气量计算

表5.12MW汽轮机轴封数据

前轴封

项目轴封直径

符号

1后轴封

61.8

0.05

78

36

44.355.30.05

45.8

径向间隙1轴封齿数

z101296

轴封1、2、3段间隙面积A11 d11 11 9.7cm2；

第1段轴封前蒸汽参数为：p01 2.059MPa， 01 0.0536m3/kg（调节级喷嘴后参数）。

第1段轴封后蒸汽参数为pz1 1.44MPa。判别系数K

0.82p1.44

0.092 z1 0.2317

01 2p01 pz21

4.158t/h；

01 01

则前轴封漏汽量 D1 0.36 1A11

第2段轴封前蒸汽参数为p02 1.44MPa， 02 0.2305978m3/kg。第2段轴封后蒸汽参数为pz2 0.1722MPa。判别系数K

0.82p0.1722

0.1344 z2 0.1196

02 02

1.43t/h；

02

则前轴封漏汽量 D12 0.36 1A11

第3段轴封前蒸汽参数为p03 0.1722MPa， 03 1.9316939m3/kg。第3段轴封后蒸汽参数为pz3 0.02487MPa。判别系数K

p0.820.02487

0.2445 z3 0.1444

03

03

0.3108t/h；

03

则前轴封漏汽量 D13 0.36 1A11

轴封4、5、6段间隙面积：A12 d12 12 6.95cm2；

第4段轴封前蒸汽参数为p04 0.101MPa， 04 1.8249872m3/kg。第4段轴封后蒸汽参数为pz4 0.02487MPa。判别系数K

0.82p0.02487

0.2445 0.2462

0.101 04

2

p p2 0.1804t/h；

04 04

第4段轴封流经蒸汽量 D14 0.36 1A12

第5段轴封前蒸汽参数为p05 0.101MPa， 05 1.8249872m3/kg。第5段轴封后蒸汽参数为pz5 0.095MPa。判别系数K

p0.820.095

0.2445 0.94

05 2

p p2 0.0632t/h。

05 05

第5段轴封流经蒸汽量 D15 0.36 1A12

2.2后轴封漏汽

轴封1、2段间隙面积A11 d11 11 8.6865cm2；

第1段轴封前蒸汽参数为p01 0.101MPa， 01 1.82m3/kg。第1段轴封后蒸汽参数为pz3 0.02487MPa。判别系数K

0.82p0.0055

0.225 0.05446

01

0.2024t/h；

( 1.25) 01

第1段轴封流经蒸汽量 D11 0.36 1A11

第2段轴封前蒸汽参数为p02 0.101MPa， 02 1.82m3/kg。第2段轴封后蒸汽参数为pz2 0.095MPa。判别系数K

0.82p0.095

0.2561 0.94

02

2

p p2 0.08337t/h。

02 02

第2段轴封流经蒸汽量 D12 0.36 1A11由上面计算可得：

阀杆漏汽量 D1v 1.2887t/h; 1v 0.00691除氧器回收 Dsg2 1.13401t/h; sg2 0.0061前轴封漏汽量 Dsg 4.158t/h; sg 0.0223

流到2号高压加热器的蒸汽量 Dsg1 2.757t/h; sg1 0.0148流到5号低压加热器的蒸汽量 Dsg3 1.1192t/h; sg2 0.0060流到7号低压加热器的蒸汽量 Dsg4 0.4912t/h; sg3 0.0026

均压箱向前轴封供汽量 Djy1 0.2436t/h;均压箱向后轴封供汽量 Djy2 0.28577t/h;均压箱总供汽量 Djy 0.527t/h

轴封冷却器回收前轴封漏汽量 Dsg52 0.0632t/h轴封冷却器回收后轴封漏汽量 Dsg53 0.08337t/h

轴封冷却器总回收 Dsg5 Dsg51 Dsg52 Dsg53 0.30126t/h

第四章调节级的选型及热力计算

1.调节级选型

由于双列级能承担较大的理想比焓降，一般约为200~300kJ/kg；但它的级效率及整机效率较低，在工况变动时其级效率变化较单级小；采用双列级的汽轮机级数较少，结构紧凑，从而降低机组造价，提高机组运行的可靠性。故选用双列调节级

2.调节级热力参数的选择

（1）理想比焓降的选择

目前国产汽轮机双列级调节级理想比焓降约为200~300kJ/kg。故选调节级比焓降为212kJ/kg。

（2）调节级速度比xa u/ca的选择

为了保证调节级的级效率，应该选取适当的速度比，它与所选择的调节级型式有关。通常双列级速度比的选择范围为xa 0.22~0.28，取xa 0.23。（3）调节级反动度的选择

为提高调节级的级效率，一般调节级都带有一定的反动度。由于调节级为部分进汽级，为了减少漏汽损失反动度不适宜选的过大。双列调节级各列叶栅反动度之和 m不超过13%～20%。故选取 m=20%。

3、调节级几何参数的选择

（1）调节级平均直径的选择

选择调节级平均直径是通常要考虑制造工艺调节级叶片的高度以及第一压力级的平均直径。一般在下列范围内选取：中低压汽轮机（套装叶轮）取dm=1000～1200mm，故取dm 1100mm。（2）调节级叶型及其几何特性

调节级的叶型，尤其是双列调节级的叶型，通常是成组套装选择使用的。国

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