汽轮机课程设计说明书

船用汽轮机课程设计说明书摘要 (3)前言 (3)一、汽轮机定型 (4)1. 初终参数的选择 (4)2. 缸数的选择 (4)3. 调节级型式的选择 (5)4. 非调节级型式的选择 (5)5. 低压缸流路的选择 (6)二、机组近似膨胀过程 (7)1. 机组近似膨胀线和各状态点参数 (7)2. 详细计算 (7)三、低压缸热计算 (10)1. 主要尺寸计算 (10)2. 通流部分绘制 (11)3. 分级和焓降分配 (13)4. 详细计算 (14)4.1 第1级 (14)4.2 第2级 (19)4.3 第3级 (23)四、高压缸热计算 (28)1. 调节级热计算 (28)1.1 预先估算 (28)1.2 详细计算 (28)2. 非调节级热计算 (31)2.1 预先计算 (31)2.2 详细计算 (33)五、机组功率和效率 (37)附录1 机组预先计算 (38)附录2 高压缸热计算 (40)附录3 低压缸热计算 (48)附录4 机组功率与效率 (52)另：附图1 机组近似膨胀线附图2 低压缸膨胀过程线本次课程设计针对船用汽轮机，在给定蒸汽初温、初压和排汽压力的情况下，确定了蒸汽在整个机组内膨胀的近似热力过程，计算了高、低压缸内各级的主要尺寸、功率和效率。

最后根据计算结果，画出了蒸汽在高压缸调节级、非调节级和低压缸的h-s图，以及汽轮机低压缸通流部分的剖视图。

前言本组汽轮机功率是40000马力，入口蒸汽过热。

根据老师建议，并经过简单估算，我们采用双缸汽轮机，并在低压缸入口分流，调节级采用双列速度级。

在计算过程中，不考虑抽汽和漏汽，即整个机组内蒸汽流量恒定。

设计过程大致如下：●方案论证：对蒸汽初终参数、汽轮机缸数、调节级型式等进行选择。

●近似膨胀过程：根据蒸汽初终参数和自己选取的高、低压缸内焓降比例，画出机组的近似膨胀线，并算出线上各节点的热力参数，以此确定高压缸调节级、非调节级和低压缸的进出口参数。

●低压缸热计算：1)主要尺寸计算：即确定最末级的尺寸。

根据低压缸最末级出口处参数，画出出口速度三角形，计算出最末级平均直径和低压缸转速。

2)绘制通流部分：即第一级试算，选出符合级焓降和长度要求的喷嘴高度。

3)分级和焓降分配：画出通流部分图后，利用级平均直径求出级数。

再根据《汽轮机课程设计参考资料》式（3-4），选定级特性速比和反动度，将理想焓降进行合理分配。

4)详细计算：根据汽轮机原理知识，逐级进行详细计算，确定各级尺寸、功率和效率等参数。

●高压缸热计算：包括调节级和非调节级。

先进行预先计算，在确定了级特性速比、级数，分配了焓降后，再进行详细计算，求出各级尺寸、功率、效率。

●功率和效率评定：功率误差在3000hp之内，对于本组汽轮机来说，最后的设计功率要在27.195~31.605MW范围内。

由于我们组的成员水平有限，参与计算精力和精力都很有限，报告中错误和不妥之处在所难免。

在汽轮机缸数的选择上，单缸机组的计算很仓促，而且选择级数时对标准不太理解。

诸如此类问题，还恳请老师批评指正。

一、汽轮机定型1.初终参数的选择采用高的蒸汽初参数，可以提高汽轮机的经济性，有些情况下还可以减少装置的重量和尺寸。

因此近年来，无论军舰或商船的蒸汽动力装置都趋向于采用高的蒸汽初参数。

单独提高初温有利于提高装置的循环热效率和主汽轮机内效率，从而提高装置经济性，但是受到金属材料性能的限制。

汽轮机组的终压力决定于凝汽器背压。

凝汽器真空度增加，循环效率提高，但是汽轮机末几级尺寸增大。

因此，大功率汽轮机往往采用较低真空度，军舰汽轮机动力装置需要尽可能减少重量尺寸，一般不采用高真空度。

我们组给定的汽轮机参数如下：* 1hp=735 W。

2.缸数的选择现在使用的汽轮机按缸数可分为：单缸机组、双缸机组、三缸机组（高中低或一高双低）、四缸汽轮机组（高中双低）。

我们组给定的汽轮机功率较小，选用的是双缸机组，即一高压缸和一低压缸，而放弃了单缸机组。

原因如下：1)双缸机组内效率高于单缸机组。

汽轮机各级转速越高，级直径越小，叶栅越高，级效率越高。

但单缸机组的转速受到末级强度、结构尺寸限制，难以提高转速。

在情况需要时，最好把高、低压缸分开，做成不同转速。

2)双缸机组纵向尺寸缩短。

汽轮机本身重量没有显著的变化，但是多缸机组上小齿轮传动的功率减小（全部功率分配到几个小齿轮上），齿轮传动机构的尺寸与重量均减小。

3)在单缸计算当中遇到的问题。

在确定机组近似膨胀过程时，与双缸机组相比，调节级没有变化，高压缸非调节级和低压缸的626.36kJ/kg内焓降全由非调节级承担。

我们按照附录1表3的步骤进行了试算，选取第一非调节级喷嘴高度l n1＞13mm，级焓降在35~55kJ/kg范围内的级数为非调节级级数，结果如表1。

最后选取单缸机组13级，而双缸机组的高压缸6级（见附录1表3）、低压缸3级（见附录3表2）。

第一非调节级喷嘴高度普遍不如双缸机组的喷嘴高度高，转速更低，按上文所述，能量损失相对多些。

所以，放弃了单缸机组。

表1. 单缸机组第一非调节级的试算结果（按附录1表3）3.调节级型式的选择我们选择双列速度级作为调节级。

原因如下：1)对低负荷工况较为有利。

此时单列冲动级特性速比下降快，效率下降较快。

2)双列冲动级可以承担较大的压降，减少汽轮机的级数。

3)双列冲动级进入非调节级的蒸汽压力低，比容大，能提高高压缸非调节级的内效率，漏汽量减少。

在很多情况下，特别是高参数小功率的情况下，可以补偿调节级内效率不良的影响。

4)级后蒸汽压力低，高压缸机壳的重量、材料的要求和费用降低。

但是因为调节级本身焓降很大，效率又低，双列冲动级的最大缺点是汽轮机在设计工况下的效率较低。

4.非调节级型式的选择我们的非调节级都采用简单压力级。

高压缸非调节级选取相同的叶型，反动度取0.05。

低压缸分为3级，反动度依次取0.1、0.2、0.2875。

高压缸非调节级的反动度取值较小，原因如下：1)反动级叶片间隙漏汽多，除了具有足够的叶栅高度，在高压缸中冲动级的效率往往高于反动级的。

2)反动级只有用增加级数和减少级内焓降的方法来提高叶栅的高度。

过多级数必然使结构复杂，制造成本增加。

冲动级可以用部分进汽将叶栅高度增加到恰当的程度。

低压缸的反动度取值较大，原因如下：1)低压缸内反动级效率高于冲动级。

反动级的速度系数较高，而且焓降较小。

2)为保证喷嘴中不发生超临界膨胀，末几级都会采用较大反动度。

随着低压缸各级焓降逐渐增加，反动度也会随之增加。

5.低压缸流路的选择使汽轮机级具有较大流通面积的方法：1)采用小的径高比，增大叶栅高度。

我们在附录1表2中已经取定径高比λ=4。

2)增大流出角β2。

但是β2越大，轮周效率下降越剧烈。

一般希望选用适当β2，使出口绝对速度c2的方向在轴向附近。

我们在附录1表2中也已经取定最末级相对出汽角β2z=32.26°。

3)采用分流形式。

我们按照附录1表2的计算流程，得出在单流情况下，低压缸最末级直径为1.527m，末级轴向排汽面积为1.8313m2；在分流情况下，最末级直径为1.080m，末级轴向排汽面积为1.8322m2。

末级流通面积相差无几，但分流时末级直径明显减少，转速较高，我们选取双流路。

二、 机组近似膨胀过程1. 机组近似膨胀线和各状态点参数机组近似膨胀线详见说明书末附图1，曲线上各节点热力学参数见下表3。

2. 详细计算A 是蒸汽初始状态点。

p A =3.0MPa ，t A =300℃。

查表，得 h A =2994.35kJ/kg , s A =6.5412kJ/(kg ·K)。

B0是蒸汽自A 等熵膨胀后，在凝汽器喉部的状态点。

p B0=0.017MPa ，s B0=s A =6.5412kJ/(kg ·K)。

查表，得 h B0=2133.88 kJ/kg 。

涉及到低压缸和凝汽器之间的排汽管损失，选定 蒸汽速度 c ex =120m/s 。

凝汽器放置于低压缸下面，选定 排汽管阻力损失系数 ζex =1.0。

→排汽管中的能量损失 22/20.5 1.0120/10007.2/ex ex ex H c kJ kg ξ∆=⋅=⨯⨯=。

B 是蒸汽自A 等熵膨胀后，在低压缸最末级出口的状态点。

02133.887.22141.08/B b ex h h H kJ kg =+∆=+=，s B =s A =6.5412kJ/(kg ·K)。

查表，得 汽轮机最末级出口压力 p ex =0.018036MPa 。

→机组理想焓降 2994.352141.08853.27/a A B H h h kJ kg ∆=-=-=。

汽轮机总机械效率 30.990.980.932mt w g m v ηηηηη==⨯=汽轮机组内效率 /0.8/0.9320.859it e mt ηηη===→机组内焓降 853.270.859732.95893/i a it H H kJ kg η∆=∆⋅=⨯=。

蒸汽进入汽轮机后，一部分漏出不能做功，实际做功蒸汽小于G 0。

汽轮机内效率为ηit ，此时所得到的功率小于要求的功率。

计算中将汽轮机内效率适当提高，使得按此效率设计出的汽轮机，可以达到所要求的功率和效率，即为计算内效率。

这里忽略了漏汽，故取计算漏汽损失系数 k=1。

计算内效率 10.8590.859itp it k ηη==⨯=→机组计算内焓降 732.95893/ip a itp i H H H kJ kg η∆=∆⋅=∆=。

一般在汽轮机效率得到保证的情况下，可以让高压缸调节级承担尽可能大的焓降，这样能减少汽轮机级数，节约汽轮机机壳材料。

汽轮机功率越小，调节级的焓降可以选的越大。

Ne=40000hp ，选定 双列调节级的压力比 J gov =0.52，则调节级出口蒸汽压力 0 3.00.52 1.56gov gov p p J MPa =⋅=⨯=。

GOV0是蒸汽在高压缸调节级出口的理想状态点。

p gov0=1.56MPa ，s gov0=s A =6.5412 kJ/(kg ·K)。

查表，得 h gov0=2846.3kJ/kg 。

→调节级理想焓降 ,02994.352846.30148.05/a gov A gov h h h kJ kg ∆=-=-=。

→调节级内焓降 ,,,148.050.72106.596/i gov a gov i gov h h kJ kg η∆=∆⋅=⨯=。

GOV 是蒸汽在调节级出口的实际状态点。

,2994.35106.5962887.754/gov A i gov h h h kJ kg =-∆=-=，p gov =1.56MPa 。

查表，得 t gov =236.09℃，s gov = 6.624kJ/(kg ·K)。