汽轮机课程设计报告

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一、课题背景：

随着电力需求的迅速增长，电力负荷的多样性及可变性在所难免，而电能的不可储藏性决了发电机组的工况必须随着电力负荷的变化而变化。所以发电机组常常需要偏离设计工况运行。作为发电机组的原动机，汽轮机也必然受到变工况运行的影响。汽轮机在变工况下运行时，通过汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数将发生变化，汽轮机的某些级或全部级的反动度、级效率也随之发生变化。为了估计汽轮机在新工况下的经济性和可靠性，有必要对新工况进行热力核算。汽轮机整机变工况热力核算是建立在单级核算基础上的，因此研究单级热力核算对于顺利完成整机热力核算任务有重要意义。正是基于此，本设计拟题为：某型汽轮机最末级的倒序法变工况热力核算。

二、设计要求：

根据计算准确度的要求不同，热力核算可采用详细的热力核算，也可以采用近似的算法。本次设计要求的是单级的详细热力核算。由给定的不同的原始条件，单级的详细热力核算又分为顺序计算和倒序计算两种基本方法，以及将这两种算法结合起来的混合算法。本设计采用以给定的变工况后的级后状态为起点，由后向前计算的倒序法对某型汽轮机最末级进行详细的变工况热力核算。要求在规定的时间内，按规范完成设计说明书，并通过指导老师组织的小型答辩。

三、原始数据：

流量G=33.6kg/s，喷嘴平均直径

=2.004m，动叶平均直径

=2.0m，级前

压力=0.0134Mpa，级前干度=0.903，喷嘴圆周速度周速度=314m/s，反动度度系数φ =0.97，喷嘴出汽角积积

=1.321=2.275

；级后压力

=0.574，级前余速动能

=314.6m/s，动叶圆=11.05kJ/kg，喷嘴速

=18°20’，喷嘴高度=0.665m，喷嘴出口截面=0.0046Mpa，级后干度=0.866，动叶出口截面

，动叶出汽角 =3254’。

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变工况条件：

=40.32kg/s

，= =0.0046Mpa，=2311 kJ/kg。

四、课程设计进程安排

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五、 设计工况下的热力核算（顺序算法）

5.1

级内焓降的分配和各状态点参数的确定

0点参数：已知级前压力=0.0134

，级前干

度

=0.903，由水和蒸汽性质计算软件（以下简称软件）查得蒸汽进入

1

喷嘴前0点的各个参数：焓值

=2364.3930 kJ/kg，熵

值=7.3383 kJ/（kg·C），比体积=10.0628

/kg

1t

点参数：已知级前余速动能

2

2t

图 1 2t级内焓降分配’

状态点的焓值点的熵值

=

=(2364.3930+11.05)

=11.05

=

，算得等熵滞止

。又知

=

==7.3383 kJ/（kg·C），由软件查得可以得到

点的各个参数：

= 9.3433

/Kg，

= 0.9066

0.01456 MPa

，

2t’点参数：已知级后压力=0.0046MPa，0点到2t’点是等熵过程，

=2227.7499 kJ/kg，

==7.3383 kJ/（kg·C），可以得到2t’点的各个参数：=26.3402

/kg，

=0.8636进而求出级的滞止理想比焓降

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==(2375.4430-2227.7499)

焓降分配：已知

反动度

=147.6931 kJ/kg

=0.574，蒸汽在动叶内的

焓降

：

==

=

kJ/kg=84.7758 kJ/kg；蒸汽在喷嘴中的焓降：

=(147.6931-84.7758) kJ/kg=62.9173 kJ/kg

=

=（

-62.9173）

1t点参数：则1t点

的焓

值

kJ/kg=2312.5257 kJ/kg，又知1t点的熵点的参数：

= 0.00906250 MPa，

==7.3383 kJ/（kg·C），由软件查得1t

/Kg，）

= 0.8882；已知喷

）62.9173

= 14.2951951

=（

嘴的速度系数=0.97，可以得喷嘴损失kJ/kg =3.7184 kJ/kg

1点参数：1

点的焓值kJ/kg，1点的焓值=14.3188

=

=

=（1-

=（2312.5257+3.7184）kJ/kg=2316.2441

=0.00906250 MPa，由软件查得：=7.3495 kJ/（kg·C），

/kg，=0.8894

==7.3495 kJ/（kg·C），又知

2t点的

=2231.1611 kJ/kg，

2t点参数：1点到2t点为等熵过程压力

=

=0.0046 MPa

，由软件查得2t点的参数：

=26.3831

/kg

=0.8650

，

5.2 级的截面形状与速度三角形的分析 5.2.1 喷嘴的截面形状分析

等熵指数：

=1.035+0.1

=1.035+0.1

=1.1246

喷嘴的临界压比：===0.5796

喷嘴前后压力比：===0.6225>

所以喷嘴的形状是渐缩喷嘴。 5.2.2 喷嘴出口的速度三角形分析

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图2 动叶进出口速度三角形

已知

=314.6m/s，喷嘴出汽角

=

=1820’ =

m/s =354.7317 m/s

喷嘴出口的理想速度：喷嘴出口绝对速度：=

=0.97354.7317 m/s =344.0898m/s

喷嘴出口的相对速度：

=

=

=108.8976 m/s 动叶进口汽流方向角：=5.2.3 动叶出口的速度三角形分析

已知

=314m/s，动叶出汽角

=

=3254’

==

m/s

=83.66

动叶出口的理想速度：m/s = 425.9229m/s

动叶出口相对速度：

=

=0.95425.9229 m/s =404.6267m/s

动叶出口绝对速度： =

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=

=221.2842 m/s

则蒸汽在动叶中的滞止理想比焓降：=90.7051 kJ/kg

=

m/s

=(84.7758+) kJ/kg

由反动度查课本图2-16得动叶速度系数

=0.95，可以得到动叶损失：

=（1

）

=（1-=

+

）90.7051kJ/kg =8.8437 kJ/kg

=（2231.1611 +8.8437

）kJ/kg=2240.0048 kJ/kg，

/kg，

2点的参数：已知

=0.0046MPa，由软件查得：=0.8686，=7.3785 kJ/（kg·C）

，=26.4942 而已知中给出=0.866与得出的接近，说明计算较为准确。 5.2.4 动叶的截面形状分析

等熵指数：

=1.035+0.1

=1.035+0.1

=1.1229

动叶的临界压比：===0.5799

1*点参数：==（2316.2441+

）kJ/kg =2322.1734 kJ/kg

，又知

=

0.00949738 MPa，

=

==7.3495 kJ/（kg·C）

，由软件查得1*的参数0.8914

，

= 13.7284056

/kg =

=0.4843<

动叶前后压力比：=

动叶的临界速度

=

=

m/s

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=371.3766 m/s 动叶的临界压力：

=

=0.00949738

0.5800 MPa =0.00550848

=

-

=（2322.1734-

）kJ/kg

动叶中临界压力对应的临界焓值：

=2253.2131 kJ/kg由软件查得：=22.4205

/kg，=0.8713，=7.3495kJ/（kg·C）

所以动叶的形状是先缩后放即缩放型动叶，具有斜切部分，

汽流在斜切部分的偏转角：

=(

=

)

=(

)

=0.5572

-=33.86-32.9=0.96

即在设计工况下汽流在动叶斜切部分的偏转角为0.96 5.3 级内各项损失计算

理想能量：余速损失：

==

==（

）kJ/kg=

kJ/kg =24.4833 kJ/kg

叶高损失：由于查

时没有考虑端部损失，则叶高损失要单独计算而不能混入动叶损失中，则

=（

）

=(147.6931-3.7184-8.8437-24.4833) kJ/kg =0.2644 kJ/kg

已计入叶高损失中，不必单独计算；由课本表2-3

=3mm

，端部盖度

=1.5mm

，

其中：a=1.6时，扇形损失

查得喷嘴高度大于150mm

时，顶部盖度=++=0.665m+3mm+1.5mm=669.5mm。

轮周损失：

=

=(147.6931-3.7184-8.8437-24.4833-0.2644)

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kJ/kg =110.3833 kJ/kg

叶轮摩擦损失：

=

=

kJ/kg =0.1681 kJ/kg

=0

部分进气损失：全周进汽时没有部分进气损失，即

漏气损失：本设计只计算叶顶漏

汽损失=

=1.72

=1.72

147.6931 kJ/kg = 0.0632kJ/kg

湿汽损失：

=(1-其中：

=

)

=(1-)=(1-)110.3833 kJ/kg = 12.6058kJ/kg

=(147.6931-3.7184-8.8437-24.4833-0.2644-0) kJ/kg=110.3833 kJ/kg

轮周效率：有效焓降： =

==

=0.7474

=(147.6931-3.7184-8.8437-24.4833-0.2644-0-0.1681-0.0632-12.6058)kJ/kg =97.5462 kJ/kg 相对内效率：内功率：=D

=

=

=0.6605

=33.697.5462kW=3277.55kW

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六、变工况下的热力核算（倒序算法）

图3 变工况热力核算图

6.1 确定排汽状态点和动叶出口状态点

根据题意

=

，

==，

、

、

，由

，

、

在h-s图上求得

排汽状态点1，得

先用近似法估算

=7.6116 kJ/（kg·C）

设计工况下，动叶出口的音速为： a=而

=

=404.6267 m/s，

m/s=369.9345 m/s

>a

，所以末级动叶出口时超临界的。

变工况下，流量增大，则动叶出口速度更是超音速。因此，可用压力与流量

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成正比的关系即弗留格尔公式求出：

喷嘴前滞止压力： = =MPa

喷嘴前压力：==

喷嘴后压力：==

为确定动叶出口的蒸汽状态，需先估算变工况下级的几项损失：

叶高损失: 摩擦损失：

=

=

漏气损失：其中：是估计

湿

=余速损失

=

=

=（147.6931-11.05）

=

=136.6431

；

=164

=0.016MPa到

气=：

=0.0046MPa之间的理想焓降

损

失

=

:

=

上两式中

=0.88和

=26：

）

从而得动叶实际出口状态：

=（

=

皆是估计值。

损失

之和

：（

=

=）

=

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由=，由软

件得

：

，

0.8780，

6.2 动叶栅计算

动叶出口速度是超临界的，为此需先求取动叶喉部的临界压力由公式：

式中

按上式求出数据如下表所示：

及

由上表数据，作出与的关系曲线，如下图所示。

s))

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当

时，查上图得

,由此查得

=

=。此时：

动叶实际出口速度：

式中叶

是有片

出

口

至

偏

转

间的有效焓降。

角

：

又

则 由

2.69 动

叶

出

口

速度三角形得：

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核算余速损失：原

估

计

值

0.0298

。

重

新

确

定

状

态

点

1，与，

因余速损失相差不大，因

此不必重新计算。

动叶损失：

点3参数：沿3

：=

=0.0046MPa，由软件查得

/Kg，

=7.4187

（

线，由点2向下截取

，即可以得到点

，），

=0.8736。

动叶滞止理想焓降：

点参数：由动叶出口理想状态点3向上截取叶进口滞止

状态

点

=2360.1076

，

=

=

+

=

（

（

+

，得动）

，又

由

，

=7.4187

=0.9053

），由软

件查得

=12.4511585，

初估动叶理想比焓降：

=

4点参数：由点3垂直向上截取

，得动叶进口状态点

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4

：

=

=

+

（

=

（

+

）

，由软件可得

）

=2353.0555，

=7.4187，与估计值较接近，

/kg，

6.3 喷嘴叶栅计算

因为撞击损失较小，我们暂时先不考虑撞击损失，我们认为点4即是喷嘴出口的蒸汽状态点。

初算喷嘴出口实际速度： 喷嘴出口音速：

=

，则汽流在喷嘴斜切部分发生偏转，但

和

相差很小，偏

。

386.3842

=

其中：

由于

转角不大，故可以不考虑偏转，我们先求出动叶实际速度

=

,初步校核

=

==

-=（） =

重新确定点4，由点3垂直

向上

取

，

=

=7.4187()

，得到点4

，

=

+=

（+）

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=2349.0683

=0.9021

再求喷嘴喉部临界压力

此时

：0.009856MPa

，/Kg，

。

我们利用作图法求取压力，做喷嘴假象过程线7-4，并在上面取点，并在H-图上查出压力和密度。根据公式：

计算得出下表:

=

由上表作出与的关系曲线：

（Kg/(m·s)）

（MPa）

时，根据上图查得

，从

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而查得：

=

=计

算=

即

由速度三角形得：

，得

。

=

汽

流

偏

转

角

：

=

=

｛｝

，与前面的计算相差很小，

所以

计算撞击损失：

=

。

=则冲角冲撞损失：

-=

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沿

线由点4

向下截取=KJ/Kg，得喷嘴实际状态出口点5

，

=-=（2349.0683-）=2347.9261

喷嘴损失：=(-1)=

沿线由点5向下截取=KJ/Kg得到喷嘴理想状态点

6，

=

==13.3764

-=

=7.3989

KJ/Kg=2342.9319 （

），

KJ/Kg

，=0.8992，

0.009856Mpa，查

软件

得

/Kg

估计喷嘴理想比焓降：

=

｛-｝

｛

-｝=73.4540KJ/Kg

其中===148.6607m/s。

由点6向上截取=73.4540KJ/Kg，得喷嘴进口状态点

7。

=

=

查

H-S图得

，

=似）,

=7.3989

。

取

=0.01696 MPa（与估计值近

为设计值，由点7向上截取11.05KJ/Kg,

得喷嘴进口滞止状态点8

，

，

=

=7.3989

（）， 。

6.4 级的功率与效率计算 级的理想能量：

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轮周焓降：

--

--

=130.

7338

轮周效率：

校核各项损失。 叶高损失：

摩擦损失：

漏气损失：

级的平均干度：

反动度：

湿气损失：

====0.5340

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损失和：

=

，此值与最初

估计值

=

KJ/Kg相差不大。

级的有效比焓降：

KJ/Kg 级内效率：

内功率：

变工况后功率增加：

6.5 变工况前后的对比

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七、总结

在设计工况下，汽轮机的效率（包括轮周效率和级内效率）达到最大，当流量增大时，汽轮机的工况发生了变动，汽轮机的各项损失几乎都比设计工况下的要大，特别是末级的余速损失和湿汽损失所占比重较大，内功率随着流量的增加也是增大的，但效率和反动度随着流量的增加而下降，说明汽轮机在设计工况下的运行时最经济的，流量变大时的内功率虽然增加，但经济性不如设计工况。 八、参考文献

[1] 冯慧雯，汽轮机课程设计参考资料，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，中国电力出版社，2001 [3] 靳智平，电厂汽轮机原理及系统，中国电力出版社，2004 [4] 翦天聪，汽轮机原理，中国电力出版社，1992 [5] 王乃宁，汽轮机热力设计，水利电力出版社，1987

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8k21.html