汽轮机课程设计指导书

汽轮机课程设计指导书目录一、课程设计的目的与意义 (1)二、设计题目及已知条件 (2)2.1 机组概况 (2)2.2 本次设计与改造的基本要求 (4)三、设计过程 (6)3.1 汽轮机的热力总体任务 (6)3.2 汽轮机变工况热力核算的方法介绍 (6)3.3 本课程设计的基本方法 (7)3.3.1 级的变工况热力核算方法——倒序算法 (8)3.3.2 级的变工况热力核算方法——顺序算法 (17)3.4 上述计算过程需要注意的问题 (22)四、参考文献： (23)附：机组原始资料 (23)汽轮机课程设计一、课程设计的目的与意义汽轮机是按照经济功率设计的，即根据给定的设计要求如功率、蒸汽初参数、转速以及汽轮机所承担的任务等，确定机组的汽耗量、级数、通流部分的结构尺寸、蒸汽参数在各级的分布以及效率、功率等。

汽轮机在设计条件下运行称为设计工况。

由于此工况下蒸汽在通流部分的流动与结构相适应，使汽轮机有最高的效率，所以设计工况亦称为经济工况。

由于要适应电网的调峰以及机组实际运行过程中运行参数的偏差等原因，汽轮机不可能始终保持在设计条件下，即负荷的变化不可避免的，蒸汽初终参数偏离设计值，通流部分的结垢、腐蚀甚至损坏，回热加热器停用等在实际运行中也时有发生等等。

汽轮机在偏离设计条件下的工作，称为汽轮机的变工况。

在变工况下，蒸汽量、各级的汽温汽压、反动度、比焓降等可能发生变化，从而引起汽轮机功率、效率、轴向推力、零件强度、热膨胀、热应力等随之改变。

通过本课程设计加深、巩固《汽轮机原理》中所学的理论知识，了解汽轮机热力设计的一般步骤，掌握每级焓降以及有关参数的选取，熟练各项损失和速度三角形的计算，通过课程设计以期达到对汽轮机的结构进一步了解，明确主要零部件的位置与作用。

具体要求就是按照某机组存在的问题，根据实际情况，制定改造方案，通过理论与设计计算，解决该汽轮机本体存在的问题，达到汽轮机安全、经济运行的目的[1-4]。

二、设计题目及已知条件内容：某12MW背压机组小流量工况下通流部分改造方案的制定机组型式：B12-50∕10型背压式汽轮机配汽方式：喷嘴配汽调节级选型：复速级设计工况下的参数：附录2.1机组概况该机组是武汉汽轮机厂早期生产的B12-50∕10型背压式汽轮机。

调节级为复速级，3个压力级，级的类型为冲动级。

(1)机组额定参数主蒸汽压力：4.9MPa主蒸汽温度：435℃总进汽流量：150t/h排汽压力：0.98MPa额定功率：12MW额定转速：3000rpm(2)原机组改造技术参数与要求由于实际供热负荷的改变，曾对该机组进行过通流部分改造，改造原则为减小汽轮机的通流面积，以适应新的蒸汽流量，避免产生鼓风工况。

由于受到现场施工难度限制，采取了保持喷嘴高度和动叶高度不变，封堵部分喷嘴的改造方案，该机组改造前为次高压背压机组，改造后为抽背机组，原机组改造方案与技术参数要均依据汽轮机厂家说明书参数确定。

主蒸汽压力：4.9MPa主蒸汽温度：435℃总进汽流量：55t/h复速级后压力2.2MPa复速级后温度355℃抽汽流量：10—12t/h排汽压力0.98MPa排汽温度300℃额定功率3000kW额定汽耗16.87kg/kW·h汽轮机内效率63.6%以上数据为机组改造时的技术参数要求。

但实际运行时抽汽并没有投用。

改造后机组初参数未能达到要求的参数，新蒸汽压力为4.2MPa~4.3MPa，终参数（背压）在设计值高限运行（0.95~1.0MPa 表），机组各种损失较大，相对内效率很低。

复速级后经常超温，有时级后可高达395℃（原厂家要求最高不超过350℃），机组排汽温度达到350℃（原机组额定流量下为300℃），由于该机组转子为套装转子，复速级超温对机组安全运行带来严重的隐患，且机组出力不足2000kW。

2.2本次设计与改造的基本要求该机组由于实际供热负荷的大幅增加，汽轮机偏离原有设计工况，主蒸汽流量由150t/h降低至55t/h(工况1)和40t/h(工况2)。

汽轮机在极端变工况下运行时，汽轮机各级焓降分配、热力参数均发生改变，在极低负荷情况下还会发生鼓风现象。

从运行安全经济性出发，需要对该机组再次进行改造，以解决复速级后超温问题，同时提高机组的效率。

本次设计的任务：（1）能对原机组额定工况进行核算（2）能对机组03年改造工况进行核算和分析（3）通过对机组03年改造工况的核算分析，提出有效解决措施，同时保证机组安全运行。

（4）能够使机组在该改造工况下优化运行，不仅解决复速级后超温问题，同时能够提高机组的效率。

本次设计的要求：（1）改造后机组形式：背压机组，运行方式仍采用以热定电方式运行。

（2）机组参数要求：工况1：主蒸汽温度435℃，主蒸汽压力4.2MPa，排汽压力0.95MPa，主蒸汽流量55t/h；工况2：主蒸汽温度435℃，主蒸汽压力4.3MPa，排汽压力0.85MPa，主蒸汽流量40t/h。

（3）设计限制条件①通流尺寸通流面积的改变方法为封堵压力级部分喷嘴，喷嘴封堵数目为整数，限制喷嘴出口面积取值；蒸汽在汽轮机内的膨胀是按照叶栅面积比膨胀的，动叶计算通流面积取值需要由喷嘴出口面积求得；②调节级后蒸汽温度调节级后蒸汽温度<350℃，调节级后蒸汽温度超限的原因为调节级焓降过小，增加调节级整级理想焓降可以降低调节级的级后温度；③压力级级数压力级级数可减少，不可增加；④调节级喷嘴前压力全开调节汽门时，调节汽门及管道压降取0.15MPa，工况1设计结果调节级喷嘴前压力<4.05MPa，工况2设计结果调节级喷嘴前压力<4.15MPa。

⑤机组排汽压力机组排汽压力满足要求：工况一，排汽压力0.95MPa工况二，排汽压力0.85MPa（计算时可不考虑冲角损失和极限膨胀损失；轴封系统及门杆漏汽按5t/h考虑）三、设计过程3.1汽轮机的热力总体任务汽轮机热力设计的任务是，按给定的设计条件，确定通流部分的几何尺寸，力求获得高的相对内效率。

汽轮机的通流部分即汽轮机本体中汽流的通道，包括调节阀、级的通流部分和排汽部分。

就汽轮机课程设计而言，其任务通常是指各级几何尺寸的确定及级效率和内功率的计算。

3.2汽轮机变工况热力核算的方法介绍汽轮机整机的热力计算是建立在单级计算的基础上的，因此研究单级的热力核算对于保证顺利完成整机核算任务有重要的意义。

目前，在变工况计算中，根据不同的给定原始条件，单级的详细热力计算可分为：顺序计算和倒序计算两种基本算法，此外还有将倒序和顺序结合起来的混合算法。

对调节级的热力核算还有特性曲线算法。

顺序算法以给定的级前状态为起点，由前向后计算；顺序算法的优点是计算简单，缺点之一是不能计算临界工况，因为临界工况下，小于临界压力的任一压力值均可作为喷嘴背压，背压不易确定。

顺序算法的另一缺点是调节级有部分开启调节汽门时不能计算，因为部分开启时喷嘴前的压力无法求得，但对全开调门后的喷嘴与动叶可以计算。

倒序算法则以级后状态为起点，由后向前计算。

倒序算法的优点是可以计算级的临界工况，也可以计算调节级部分开启调节汽门后的喷嘴与动叶。

它的缺点是计算繁琐。

混合算法中，每级都包括先是倒序后是顺序的若干次混合计算。

只有当倒序和顺序计算结果相符合时，级的核算才可以结束，然后逐级向前推进。

这三种方法都建立在喷嘴和动叶出口截面连续方程和单级工作原理的基础上，并且计算时，级的流量和几何尺寸是已知的。

本设计题目中，配汽方式对计算结果的影响进行简化处理。

改造后配汽方式采用关闭部分阀门，其余阀门节流配汽方式。

进行热力设计时，所选取的工况均认为是节流配汽时阀门全开工况，可以采用顺序算法。

本题目中背压汽轮机各级压比较大，复速级及各压力级中流动为临界状态的可能性较小，可以采用顺序算法，如计算中出现临界状态，可尝试调整级的焓降改变汽流速度。

3.3本课程设计的基本方法调节级后蒸汽热力状态对其后面的流通部分的热力过程影响很大，故而调节级变工况计算对于整个汽轮机热力工况计算非常重要。

以下给出双列调节级热力计算算法。

为简单起见，仅研究喷嘴调节的配汽方式，并忽略调节中重叠度的影响。

单列级的热力计算往往采用由级后到级前的逆序计算，然后再进行顺序校核计算的迭代算法。

对于双列级，如果仍然整级采用这种逆、顺序算法，则在初次逆序计算时假设参数较多，如各项有关损失、动叶入口速度和导叶入口速度等，将它们放在同一层迭代，由于彼此之间相互耦合，使得迭代次数较多，影响了计算速度。

为此，本设计可以采用将双列级从结构上分为两组的算法：第一组由转向导叶和第二列动叶构成，第二组由喷嘴和第一列动叶构成；首先对单个组进行热力计算，然后对级整体做进一步计算，这样，将多个假设量分割开而分别进行迭代计算，使迭代次数降低，从而提高了计算速度。

同时，仅须已知该级的有关几何特性及级前蒸汽参数和级后压力便可进行热力计算。

单组的热力计算采取迭代法，每轮计算分逆序计算和顺序计算两步。

倒序计算目的是在已知蒸汽流量、通流部分结构和组后蒸汽状态的前提下，喷嘴(导叶)和动叶出口截面连续流动方程为基础确定组的各处蒸汽状态，具体思路与方法提供如下参考：3.3.1 级的变工况热力核算方法——倒序算法*p2图1-1 级的热力过程线图1-2 倒序计算程序图3.3.1.1 汽轮机热力核算倒序计算示例 （1）对原机组额定工况进行校核下面给出单级的倒序计算过程，其余各级方法相同，其计算步骤如下：1. 排汽压力，排汽温度3t 已知，则由蒸汽焓值计算软件可查出3点比焓值3h2. 根据 u l h l a h ∆=δ、G v d u K h mf 1)100(231=δ、0E h e e ζδ=、2222c h c =δ估计这四部分损失3. 计算232c e f l h h h h h h δδδδ----=4. MPa p 9807.02=已知5. 已知2p 、2h 可查出2v6. 估计喷嘴个数7. 动叶出口面积b A =⨯喷嘴出口面积膨胀比8. 动叶流量100036001⨯∆-=GG G b 9. 计算动叶出口相对速度bb A G w 2121ν⋅= 10. 计算马赫数222121νp k A G M bb =是否1≤满足亚临界工况 11. 计算圆周速度60nd u b π=12. 动叶出口相对速度角2β已知2sin β可求得2β13. 计算动叶出口绝对速度21c 根据余弦定理2122122212cos uw c u w -+=β可求得14. 计算动叶出口汽流角2122121sin arcsinc w βα= 15. 计算余速损失22212ch c =δ与之前估计值相比，计算相对误差并在005.0±范围内，若不在调整估计值，重新计算16. 动叶速度系数ψ根据0.85~0.95进行取值，取0.92 17. 计算动叶滞止比焓降0212b h w ∆=ψ⇔22101)(21ψw h b =∆ 18. 计算动叶损失0121)1(b b h h ∆-=ψδ 19. 估计动叶进口有效相对速度''11w 20. 计算动叶理想比焓降22''11011w h h b b -∆=∆ 21. '2点压力已知即排气压力 22. 计算'2点的焓b h h h δ-=22'23. 计算'2点的熵'2s ，由蒸汽焓值计算软件可得24. 计算*1的焓值021'b h h h ∆+=*25. 动叶前滞止压力*1p 可由软件查得（由*1h 、'2s ）26. 计算动叶进口动能为22''11w27. 计算11点焓值22''11111wh h -=*28. 11的压力11p 可由软件查得（11h 、'2s ）29. 11的比体积由软件查得（11h 、11p ） 30. 估计撞击损失θδh31. 1点压力'11p p = 32. 1点的焓值θδh h h -='1133. 1点的比体积，可由软件查得（1p 、1h ） 34. 计算喷嘴流量100036001⨯∆-=GG G n 35. 计算喷嘴流通面积总喷嘴流通面积总喷嘴个数估计喷嘴个数⨯=n A36. 计算喷嘴出口绝对速度nn A G c 1111ν⋅= 37. 计算马赫数111111νp k A G M n n =是否1≤满足亚临界工况38. 动叶进口相对速度角1β比2β大 4~2 39. 动叶进口绝对速度角1sin α给定值40. 计算动叶进口相对速度，由余弦定理111221111cos 2αuc u c w -+=可求得41. 计算动叶进口相对速度角正弦定理)sin arcsin(1111111w c αβ⨯=可求得 42. 计算冲角111ββθ-=43. 计算动叶进口有效相对速度θcos 11''11⨯=w w 进而分析误差44. 计算撞击损失2)sin (211θδθ⋅=w h 进而分析误差45. 喷嘴速度系数ϕ根据0.92~0.98进行取值，取0.97 46. 计算喷嘴滞止比焓降2211012ϕc hn =∆ 47. 计算喷嘴损失0121)1(n n h h ∆-=ϕδ 48. '1点的压力1'1p p =49. 计算'1点的焓11'1n h h h δ-=50. '1的比容'1ν由软件可查（'1p 、'1h ） 51. '1的熵'1s 同上52. 计算*0的焓0'100n h h h ∆+= 53. *0点压力由软件可查（'1s 、00h ） 54. *0点温度由软件可查（00h 、00p ） 55. 估计喷嘴进口速度o c56. 计算上级余速损失2200ch c =δ57. 计算0点焓0000c h h h δ-=58. 0点压力0p 由软件可查（0h 、'1s ） 59. 0点比体积0ν由软件可查（0h 、0p ） 60. 0点温度0t 由软件可查（0h 、0p ） 61. 计算喷嘴理想比焓降'10h h h n -=∆ 62. ''2点的焓''2h 由软件可查（'1s 、''2p ） 63. 计算整级理想比焓降''2000h h h t -=∆ 64. 计算反动度01tb m h h ∆∆=Ω 65. 计算轮周损失=2c b n h h h δδδ++66. 计算轮周比焓降20c b n t u h h h h h δδδ---∆=∆67. 计算叶高损失u l h la h ∆=δ进行误差分析 68. 计算叶轮摩擦损失νδG d u k h m f 231)100(=进行误差分析 69. 计算级的假想速度02t a h c ∆=70. 计算假想速比aa c u x = 71. 计算速比111c u x =72. 计算部分进汽度原喷嘴个数喷嘴个数=e73. 计算鼓风损失系数3)21(1a c e w x e e eB --=ξ74. 计算斥汽损失系数a nnes x d S e c 1=ξ 75. 计算本级理想焓降2100c t h h E δμ-∆=76. 计算部分进汽损失0E h e e ξδ=（s w e ξξξ+=）进行误差分析 77. 级内损失2c b n f e l h h h h h h h δδδδδδδ+++++=∑78. 计算级内有效比焓降h h h t i δ∑-∆=∆0 79. 计算级的相对内效率0E h ii ∆=η 80. 计算级的内功率i i h G p ∆⋅=（2）对机组03年改造工况进行核算和分析首先需假设排汽温度t 3，其余计算过程和额定工况校核相同。