动力机械综合设计课程设计说明书

班 级：20111591 姓 名：王大淇 学 号：2011159116

设计日期：2015.1.10-2015.1.22

目录

第一章 18MW凝汽式汽轮机设计任务书 ......................................... 3

1.1 设计题目 ： 18 MW凝汽式汽轮机热力设计 ............................... 3 1.2 设计任务及内容....................................................... 3 1.3 设计原始资料......................................................... 3 第二章 多级汽轮机热力计算 ................................................... 4

2.1 近似热力过程曲线的拟定............................................... 4 2.2 汽轮机总进汽量的初步估算............................................. 5 2.3 回热系统的热平衡初步计算............................................. 6 2.4 流经汽轮机各级机组的蒸汽两级及其内功率计算........................... 9 2.5 计算汽轮机装置的热经济性............................................ 10 第三章 通流部分选型 ....................................................... 13

3.1 排汽口数和末级叶片.................................................. 13 3.2 配汽方式和调节级选型............................................... 13 3.3 调节级几何参数的选择............................................... 14 第四章 压力级的计算 ....................................................... 17

4.1 各级平均直径的确定.................................................. 17 4.2级数的确定及比焓降的分配 ............................................ 18 4.3 各级的热力计算...................................................... 19 4.4 压力级的热力计算.................................................... 19 4.5 各级计算结果汇总.................................................... 23 第五章 整机校核及计算结果的汇总 ............................................ 27

5.1 整机校核............................................................ 27 5.2级内功率校核 ........................................................ 27 第六章 设计总结 ............................................................ 27 参考文献 ................................................................... 28

第一章 18MW凝汽式汽轮机设计任务书

1.1 设计题目 ： 18 MW凝汽式汽轮机热力设计 1.2 设计任务及内容

根据给定的汽轮机原始参数来进行汽轮机热力计算与设计：

1.分析与确定汽轮机热力设计的基本参数，这些参数包括汽轮机的容量、进汽参数、转速、排汽压力或冷却水温度、回热加热级数及给水温度、供热汽轮机的供热蒸汽压力等；

2.分析并选择汽轮机型式、配汽机构形式、通流部分形状及有关参数；

3.拟定汽轮机近似热力过程线和原则性回热系统，进行汽耗率及热经济性的初步计算；

4.根据汽轮机运行特性、经济要求及结构强度等因素，比较和确定调节级的型式、比烩降、叶型及尺寸等；

5.根据通流部分形状和回热抽汽点要求，确定压力级即非调节级的级数和排汽口数，并进行各级比焙降分配；

6.对各级进行详细热力计算，确定各级通流部分的几何尺寸、相对内效率和内功率，确定汽轮机实际的热力过程线；

7.根据各级热力计算结果，修正各回热抽汽点压力以符合实际热力过程线的要求，并修正回热系统的热平衡计算；

8.根据需要修正汽轮机热力计算结果。 1.3 设计原始资料

额定功率：18MW 设计功率：18MW×80%=14.4MW 新汽压力：3.43MPa 新汽温度：435℃ 排汽压力：0.005MPa 冷却水温：20℃ 机组转速：3000r/min 回热抽汽级数：4

给水温度：160℃

第二章 多级汽轮机热力计算

2.1 近似热力过程曲线的拟定

一、进排汽机构及连接管道的各项损失

表2-1 汽轮机各阀门及连接管道中节流损失和压力估取范围

图2-1 进排汽机构损失的热力过程曲线

二、汽轮机近似热力过程曲线的拟定

由已知的新汽参数p0、t0，可得汽轮机进汽状态点0，并查得初比焓h0=3311KJ/kg。由前所得，设进汽机构的节流损失ΔP0=0.04P0，得到调节级前压力P0＇= P0 - ΔP0=3.2928MPa，并确定调节级前蒸汽状态点1。过1点作等比熵线向下交于Px线于2点，查得h2t=2113KJ/kg，整机的理想比焓降 htmac =3311–2113 = 1198KJ/kg。由上估计进汽量后得到的相对内效

'

＇率ηri=84%，有效比焓降Δhtmac=（Δhtmac）ηri=1006KJ/kg，排汽比焓hz=h0 –Δhtmac= 3311-1006

= 1198 KJ/kg ，在h-s图上得排汽点Z。用直线连接1、Z两点，在中间3'点处沿等压线下移21～25KJ/kg得3点，用光滑连接1、3、Z点，得该机设计工况下的近似热力过程曲线，如图2-2所示

图2-2 18MW凝汽式汽轮机近似热力过程曲线

2.2 汽轮机总进汽量的初步估算

一般凝汽式汽轮机的总蒸汽流量D0可由下式估算：

D0

h

mac't

ri

g

3.6Pe

m D t/h

m

式中 Pe ———汽轮机发电机组出线端的电功率， KW ； htmac ——汽轮机的理想比焓降，KJ/kg ；

'

ri ———汽轮机的相对内效率；

g ———发电机的效率 ； m ———汽轮机的机械效率 ；

D ———考虑阀杆漏气和前轴封漏汽及保证在处参数下降或背压升高时仍能

发出设计功率的蒸汽裕量，通常取 D/D0=3%～5%，t/h

m ————考虑回热抽汽引起进汽量增大的系数，它与回热级数、给水温度、汽

轮机容量及参数有关，对中压机组m=1.08～1.15，高压机组m=1.18～1.25，背压式汽轮机m=1.

设m=1.1 , m=0.99 ， g=0.97 ， ri=0.84则

D0=3.6×12000×1.1/(1006×0.97×0.99×0.84)+0.04 D0= 58.60t/h ΔDl =1.4 t/h, ΔDej=0.6 t/h, D/D0=4%

调节抽汽式汽轮机通流部分设计式，要考虑到调节抽汽工况及纯凝汽工况。 2.3 回热系统的热平衡初步计算

汽轮机进汽量估算及汽轮机近似热力过程曲线拟定以后，就可进行回热系统的热平衡计算。

一、回热抽汽压力的确定 1. 除氧器的工作压力

给水温度tfw和回热级数zfw确定之后，应根据机组的初参数和容量确定除氧器的工作压力。除氧器的工作压力与除氧效果关系不大，一般根据技术经济比较和实用条件来确定。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0.118MP。

2. 抽汽管中压力损失 pe

压力损失 pe不超过抽汽压力的10%，一般取 pe=（0.04～0.08）pe，这里取

pe=0.06pe。

3. 表面式加热器出口传热端差 t

一般无过热蒸汽冷却段的加热器取 t=3～4℃；有过热蒸汽冷却段的加热器取

t=-1～2℃。

4. 回热抽汽压力的确定

在确定了给水温度tfw、回热抽汽级数zfw、上端差 t和抽汽管道压损 pe等参数后，可以根据除氧器的工作压力，确定除氧器前的低压加热器数和除氧器后的高压加热器数，同时确定各级加热器的比焓升 hw或温升 tw。这样，各级加热器的给水出口水温tw2也就确定了。根据上端差 t可确定各级加热器内的疏水温度te'，即te'=tw2+ t。从水和水蒸气热力

'

性质图表中可查得te'所对应的饱和蒸汽压力-----个加热器的工作压力pe。考虑回热抽汽

'管中的压力损失，可求出汽轮机得抽汽压力pe，即pe=pe+ pe。在汽轮机近似热力过程

曲

线中分别找出个抽汽点得比焓值he，并将上述参数列成表格如下：

表2-2 18MW凝汽式汽轮机即热汽水参数

二、各级加热器回热抽汽量计算

在拟定的近似热力过程曲线上求出各回热抽汽比焓值，见图2-3。

图2-3 近似热力过程曲线

1. H1高压加热器 其给水量为

Dfw=D0-ΔDl+ΔDej=58.60-1.4+0.6=57.8t/h

式中 ΔDl ———高压端轴封漏汽量， t/h；

ΔDej ———射汽漏汽器耗汽量， t/h；

该级回热抽汽量为：

Del

Dfw(hw2 hw1)(he1 h) h

'e1

= 57.8×（675.62-480.82）/(2763.31-697.39) ×0.98= 5.34t/h

2. Hd（除氧器） 除氧器为混合式加热器 分别列出除氧器的热平衡方程是与质量平衡式：

' Dedhed ( Del Dl1)he' Dcwhw1 Dfwhed

Dcw Dl1 Ded Del Dfw

代入数据解得： Ded=2.42t/h Dfw=42.6 t/h

3. H2 低压加热器

凝汽器压力为0.0048MPa时，对应的的凝结水饱和温度tc=32.25℃。 凝结水流经抽汽冷却器的温升可根据冷却器的热平衡求得。

H4低压加热器凝结水进口水温tw1=32.25+3=35.25℃,对应的比焓值为146.82KJ/kg H4的计算抽汽量为

ΔDe'4= Dcw (hw2 – hw1 )/0.98(he2 -he')

=42.6×（328.68-146.82）／（（2644.74-341.2）×0.98）

=3.43t/h

2.4 流经汽轮机各级机组的蒸汽两级及其内功率计算

调节级: D0 50.26t/h 24.367

Pi0

D0(h0 h2)24.367 (3305 3050)

3012.81kw 1726

3.63.6

(调节级后压力为1.226，比焓值hi 3134.230KJ/kg) 第一级组：D1 D0 Dl 50.26-1.4=48.86t/h 24.367 1 23.367

Pi1=D1（hl-he1）/3.6=48.86×（3134.2－2763.31）/3.6=5033.8kw

第二级组：

D2=D1-ΔDel=48.86-4.76=44.1 t/h

Pi2=D2（he1-hed）/3.6=44.1×（2763.31－2697.5）/3.6=806.2 kw

第三级组：

D3=D2-ΔDed=44.1-2.35=41.75t/h

Pi3=D3（hed-h2）/3.6=41.75×（2697.5-2644.74）/3.6 =611.9 kw

第四级组：

D4=D3-ΔDe3=41.75-3.45=38.3 t/h

Pi4=D4（h2-hz）/3.6=38.3×（2644.74－2324.36）/3.6=3408.49kw

整机内功率：

Pi=ΣPi=3012.81+5033.8+806.2+611.9+3408.49=12873.2kw 2.5 计算汽轮机装置的热经济性

机械损失 ΔPm=Pi(1-ηm)= 12873.2×(1-0.99)=128.73 kw 轴端功率 Pa=Pi-ΔPm =12873.2-128.73=12744.47kw 发电机功率 Pe=Paηg=12744.47×0.97=12362.14 kw 校核 （12362.14-12000）/12000×100%=3%

符合设计工况Pe=12000kw的要求，原估计的蒸汽量D0正确。

D0 10394200

汽耗率：d 50260/12362.14 3.74=4.07kg/(kw.h)

Pe25192.47不抽汽时估计汽耗率：

D0 10324367

d t/h 3.733

D0(h0 hz)24.367 (3305 2312.8)

88.23] 0.985[ Pm] m[

3.63.6

汽轮机装置汽耗率：

q d(h0 hfw) =4.07×(3350-675.62)=10884.73 KJ/(kw.h)

汽轮机装置的绝对电效率： el

36003600

3600/10884.73=33.07% 0.30752q11706.5

计算结果列于表2-3

热平衡计算数据 加 H1 Hd 0.166 2697.50 0.118 114.25 480.82 2216.68 48.92 78.5 328.68 5 160 KJ/kg KJ/kg t/h t/h Δ De(i-1) ′ Δ Del t/h t/h 4.38 0 114.5 675.62 480.82 194.8 4.38 152.14 3.898 0.848 0.25 2.8 0.463 1.504 341.20 2303.54 42.82 35.25 146.82 3 78.5 328.68 181.86 1.967 hz 480.82 h2t Δ mac ht 有效比 焓降 汽轮机 内效率 汽轮机 内功率 Δ mac ht ηri

热 H2 0.049 2644.74 0.045 81.5 汽轮机 初温 汽轮机 初比焓 工作转 速 冷却水 温 汽轮机 初压 t0 h0 n tcl P0 pel 0.70 2763.31 0.644 165 697.39 2065.92 49.5 114.5 hei peic tei′ hei′ Δ he KJ/kg t/h ℃ KJ/kg ℃ ℃ Dw tw1 hw1 δt

器 Mpa KJ/kg Mpa ℃ KJ/kg

抽汽压力 抽汽比焓 加热器压力 pe′下饱和水温 pe′下饱和水比焓 1KJ 蒸汽的放热量 被加热的凝结水量 加热器进口水温 加热器进口水比焓 加热器出口端差 出口水温 出口水比焓 给水比焓增 计算抽气量 前轴封回收相当量 上级加热器疏水相当 量 实际抽气量 Δ Del′ Δ Dl′′ Δ hw hw2 tw2

Mpa

加 热 抽 汽

℃ KJ/kg t/min ℃

12

凝 结 给 水

KJ/kg KJ/kg KJ/kg KJ/kg ℅ pi kW

凝 结 给 水

排气比 焓 等比熵 排气比 焓 理想比 焓降

抽 气 量

第三章 通流部分选型

3.1 排汽口数和末级叶片

当转速和初终参数一定时，排汽口数主要取决于末级通道的排汽面积。末级通道的排汽面积需结合末级长叶片特性、材料强度、汽轮机背压、末级余速损失大小及制造成本等因素，进行综合比较后确定。通常可按下式估算排汽面积：

Abz

pel

=18/(3162×5) =0.00113m2

3162pc

式中 pel————机组电功率， KW ； pc————汽轮机排汽压力，KPa 。

3.2 配汽方式和调节级选型 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160～500KJ/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，因为其调节级后的蒸汽压力与温度下降较多，所以除调节级汽室及喷嘴组等部件需较好的材料外，汽缸与转子的材料等级可适当降低，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

目前国产汽轮机调节级理想比焓降选取范围如前所述：双列级约为160～500KJ/kg。故选调节级比焓降为300 KJ/kg。

（2） 调节级速度比xa uca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 0.27。

（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%。

3.3 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 ，

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。国产 汽轮机调节级最常用的叶型组合为苏字叶型。故可选择如表3-1的叶型：

表3-1 双列调节级的叶型

（3）相对节距t和叶片数Z的确定

在选取喷嘴和动叶出口角 1和 2时，还需要选择相对节距tn和tb：tn=

tn

=0.8， bn

tb

tb==0.6。一定的叶型对应有最佳的相对节距范围。所以在选择tn和tb时应注意的最佳

bb

范围内选取。则叶栅的上述各项几何参数选定之后，即可根据平均直径dn和db确定喷嘴与动叶数zn dnetn=3.14×1.1/0.8=4， zb dbetb=3.14×1.1/0.6=6，然后取整。从叶片强度考虑，通常叶片数偶数。

（4）汽流出口角 1和 2的选择

喷嘴与动叶汽流出口角 1和 2对叶栅的通流能力作功大小及效率高低有较大的影响。决定叶栅出口角大小的最主要因素是对节距和安装角，喷嘴与动叶有一确定的出口角，往往需要通过对叶片数及相对节距的试凑来满足 1和 2的要求。

表3-3 双列调节级热力计算数据表

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

级前压力 级前蒸汽比焓 级前蒸汽比容 级平均直径 级后压力 级理想比焓降 级假象速度 圆周速度 速度比 部分进汽度 进口蒸汽压力 进口蒸汽温

度 进口蒸汽比焓 叶栅进汽角 进口汽流初速 初速动能 反动度 叶栅理想比焓降

P0 h0 v0 dm p2 Δ ht ca u xa e p0(p1) t0(t1) h0(h1) β 1(α 0) c0(w1) Δ hc0( Δ hw1) Ω b(Ω g) Δ hn( Δ hb)

Mpa KJ/kg m3/kg mm Mpa KJ/kg m/s m/s

3.29 3350 0.0974 1100 1.42 300 704.25 157 0.27 0.32

Mpa ℃ KJ/kg (o) m/s KJ/kg % KJ/kg

3.29 435 3350

1.72 343.8 3133.02 22

1.58 338.2 3124.38 35 258.26 64.175 1.6 4.8

1.53 336.4 3123.5 50 255.59 25.45 3.4 10.2

0 0

489.35 119.73 15

248

46.5

20

叶栅后理想比焓

Δ h1t( Δ h2t)

KJ/kg

3058.3

3086.52

3119.58

3098.05

21 22 23 24 25 26

滞止理想比焓降 叶栅前滞止压力 叶栅前滞止比容 叶栅后压力 叶栅后比容 叶栅压力比

Δ hn*( Δ hb*) p0*(p1*) v0*(v1*) p1(p2) v1t(v2) ε n(ε b)

KJ/kg Mpa m3/kg Mpa m3/kg

248 3.29 0.0974 1.67 0.169 0.508

166.23 2.31` 0.134 1.55 0.18 0.671

63.63 1.89 0.144 1.47 0.184 0.778

35.65 1.77 0.148 1.42 1.92 0.802

出口汽流理想速 27 度 28 29 度 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 流量系数 出口面积 叶栅损失 (Δ hbξ ) 排汽速度 余速方向 余速损失 轮周有效比焓降 轮周效率 单位蒸汽轮周功 轮周效率 相对误差 叶高损失 轮周有效比焓降 轮周效率 扇形损失 叶轮摩擦损失 部分进汽损失 级有效比焓降 级效率 内功率 c2 a2 Δ hc2 Δ hu' η u' wu' η u″ Δη Δ hl Δ hu ηu u

c1t(w2t) φ (ψ ) c1(w2) μ

m/s

650.8 0.96

573.97 0.9 516.57 0.96 65.256 21.9

324.2 0.9 291.78 0.96 123.977 16.23139.97 68.49 9.8 223.9 88.56 224.87 88.98 0.47 19.7 204.2 80.04 0.072 2.03 13.02 178.49 70.536 3458.03

266.999 0.92 245.64 0.96 163.6 4.47

速度系数 出口汽流实际速

m/s

624.768 0.96

n

An(Ab) Δ hnξ

cm3 KJ/kg m/s m/s KJ/kg KJ/kg % KJ/kg % % KJ/kg KJ/kg % KJ/kg KJ/kg KJ/kg KJ/kg % kw

54.08 10.1

Δ hθ Δ hf Δ he Δ hi η Pii