1、軍工路男子職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計報告書專班 姓 學(xué)課 程 名 稱:院（系、部、中心）：業(yè):級:名:號:起 止 日 期:指 導(dǎo) 教師:透平機(jī)械原理課程設(shè)計能源與動力工程學(xué)院能源與動力工程2013 級JackT131141xxxx- 萬福哥我校研究的透平機(jī)械主要是是以水蒸汽為工質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械，即汽輪機(jī)，常用于火力發(fā)電。汽輪機(jī)通常與鍋爐、凝汽器、水泵等一些列的設(shè)備、裝置配合使用，將燃煤熱能通 過轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)電能。與其它原動機(jī)相比，汽輪機(jī)機(jī)具有單機(jī)功率大、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但電站汽輪機(jī)在體積方面較為龐大。汽輪機(jī)的主要用途是作為發(fā)動機(jī)的原動機(jī)。與常規(guī)活塞式內(nèi)燃機(jī)相比，其具有輸出功率穩(wěn)

2、定、功率大等特點(diǎn)。在使用化石燃料的現(xiàn)代常規(guī)火力發(fā)電廠、核電站及地?zé)岚l(fā)電站中，都 采用以汽輪機(jī)為原動機(jī)的汽輪發(fā)電機(jī)組，這種汽輪機(jī)具有轉(zhuǎn)速一定的特點(diǎn)。汽輪機(jī)在一定條件下還可變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，例如驅(qū)動各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等，我國第一艘航母“遼 寧號”就是以汽輪為原動機(jī)。汽輪機(jī)的排汽或中間抽氣還可以用來滿足工業(yè)生產(chǎn)（卷煙廠、 紡織廠）和生活（北方冬季供暖、賓館供應(yīng)熱水）上的供熱需要。在生產(chǎn)過程中有余能、余 熱的工廠企業(yè)中，還可以用各種類型的工業(yè)汽輪機(jī)（包括發(fā)電、熱電聯(lián)供、驅(qū)動動力用），使用不同品位的熱能，使熱能得以合理且有效地利用。汽輪機(jī)與鍋爐（或其他蒸汽發(fā)生裝置，比如核島）、發(fā)電機(jī)（或其他被驅(qū)

3、動機(jī)械，比如泵、螺旋槳等）、凝汽器、加熱器、泵等機(jī)械設(shè)備組成成套裝置，協(xié)同工作。具有一定溫度 和壓力的蒸汽可來自鍋爐或其他汽源，經(jīng)主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)，依次流過一系列環(huán)形安裝的噴嘴柵（或靜葉柵）和動葉柵而膨脹做功，將其熱能轉(zhuǎn)換成推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 的機(jī)械功，通過聯(lián)軸器驅(qū)動其他機(jī)械，如發(fā)電機(jī)。膨脹做功后的蒸汽由汽輪機(jī)的排汽部分排出。在火電廠中，其排氣通常被引入凝汽器，向冷卻水或空氣放熱而凝結(jié)，凝結(jié)水再經(jīng)泵輸送至加熱器中加熱后作為鍋爐給水，循環(huán)工作。目錄前 言 2目 錄 3一、課程設(shè)計任務(wù)書 51.1 設(shè)計題目 51.2 已知參數(shù) 51.3 任務(wù)與要求 5二、汽輪機(jī)近似熱力過程線的擬定及汽

4、輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的初算 62.1 汽輪機(jī)近似熱力過程線的擬定 62.1.1 進(jìn)汽壓力損失的初步估計 62.1.2 選取機(jī)組的相對內(nèi)效率、發(fā)電效率和機(jī)械效率 62.1.3 近似熱力過程曲線的初步擬定 62.2 汽輪機(jī)總蒸汽量 D0 的估算 62.3 汽輪發(fā)電機(jī)組汽耗率與熱耗率的初算 72.4 整機(jī)相對內(nèi)效率 7三、焓降分配與級數(shù)確定 83.1 第一級平均直徑的估計 8四、級的熱力設(shè)計 94.1 調(diào)節(jié)級選型 94.2 調(diào)節(jié)級熱力參數(shù)的選擇 94.3 調(diào)節(jié)級詳細(xì)熱力計算 94.4 其它壓力級的詳細(xì)計算 11五、整機(jī)熱力性能校核 135.1 功率校核 135.2 相對內(nèi)效率校核 13六、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

5、強(qiáng)度校核 146.1 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算 146.2 葉片強(qiáng)度校核 146.3 葉根強(qiáng)度校核 156.4 輪緣強(qiáng)度計算 16七、軸封漏氣量計算 187.1 高壓端軸封漏汽 187.2 低壓端軸封漏汽 18八、整機(jī)熱力過程線和壓力級速度三角形匯總 208.1 整機(jī)熱力過程線 208.2 壓力級速度三角形匯總 21九、熱力計算數(shù)據(jù)匯總表 22十、各級葉片型號及參數(shù)匯總 23參考文獻(xiàn) 24、課程設(shè)計任務(wù)書1.1 設(shè)計題目沖動式機(jī)輪機(jī)通流部分熱力設(shè)計1.2 已知參數(shù)額定功率： Pe=350kw 額定轉(zhuǎn)速： n=10000r/min 進(jìn)汽壓力： P0=2.45MPa 進(jìn)氣溫度： t 0=3900c 排汽壓

6、力： Pc=0.50MPa1.3 任務(wù)與要求1汽輪機(jī)近似熱力過程線的擬定及汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的初算1.1汽輪機(jī)熱力過程線的擬定；1. 2汽輪機(jī)總蒸汽量D0的估算;1. 3 汽輪發(fā)電機(jī)組汽耗率與熱耗率的初算2調(diào)節(jié)級的熱力設(shè)計；2. 1調(diào)節(jié)級選型；2. 2 調(diào)節(jié)級熱力參數(shù)的選擇；2. 3 調(diào)節(jié)級詳細(xì)熱力計算 ;3 .整機(jī)熱力性能校核4 .整機(jī)熱力過程線和壓力級速度三角形匯總5 .熱力計算數(shù)據(jù)匯總表6 .設(shè)計小結(jié)、汽輪機(jī)近似熱力過程線的擬定及汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的初算2.1 汽輪機(jī)近似熱力過程線的擬定2.1.1 進(jìn)汽壓力損失的初步估計進(jìn)汽節(jié)流損失：P=0.05*P0=0.1225MPa進(jìn)汽前壓力：

7、P1=F0- P=2.3275MPa2.1.2 選取機(jī)組的相對內(nèi)效率、發(fā)電效率和機(jī)械效率 由于汽輪發(fā)電機(jī)組的額定功率：Pr=350kw , 所以取汽輪機(jī)相對內(nèi)效率n ri =0.73，發(fā)電機(jī)效率n g=0.970 (全負(fù)荷)，機(jī)械效率n孑0.9872.1.3 近似熱力過程曲線的初步擬定由Po=2.45MPa to=390"c,確定初始狀態(tài)點(diǎn)“ 0” 查表知h 0=3216.88kJ/kg, s 0=6.7kJ/(kg.K) 節(jié)流后h 1=h0=3216.88kJ/kg, P 1=2.3275MPa 確定點(diǎn)“ 1”。過“ 0”點(diǎn)做定熵線與Pc=0.50MPa的定壓線交于“ z”點(diǎn)， 查

8、表知h zt=2827.37kJ/kg, t zt=187.2470c整機(jī)理想焓降 ht =h0-h zt=389.51kJ/kg整機(jī)有效焓降 hi*=n ri ht*=280.45kJ/kg從而確定“ z'”點(diǎn)的比焓為H z' *=h0- h*=2936.43kJ/kg然后過“ z'”作等焓線交過“ z”的等壓線于點(diǎn)2,過“1” “2”點(diǎn)作光滑曲線 即為汽輪機(jī)的近似熱力過程線2.2 汽輪機(jī)總蒸汽量 D0 的估算由額定功率Pe、有效焓降 hi、機(jī)械效率n m、發(fā)電機(jī)效率n g,得總蒸汽量D為D 0=3.6Pe =4.69t/hAh* n m n g2.3汽輪發(fā)電機(jī)組汽耗

9、率與熱耗率的初算發(fā)電機(jī)組汽耗率do為lOOODod o=- =13.4kg/(kW.h)Pe發(fā)電機(jī)組熱耗率qo為qo=doXA hi =3758.O3kJ/(kW.h)2.4整機(jī)相對內(nèi)效率 整機(jī)相對內(nèi)效率n ri為Ah*n ri =0.73Ah*三、焓降分配與級數(shù)確定3.1第一級平均直徑的估計假設(shè)第一級理想等熵焓降為 hi*=250kJ/kg , a i=14.5° 假想速度Ca= . 2：hs=707.11m/s取假想速比Xa=0.242由1u=Xa>C=n dmn/60得節(jié)圓直徑d*=0.327m,根據(jù)式G=n dml ieCasin a 1/ v 1得葉高11=0.019

10、m根據(jù)同樣的方法，假設(shè)末級等熵焓降 hz*=74.51kJ/kg，假設(shè)末級a 1=11.2° 計算出末級參數(shù)dmz=0.380m ,1z=0.036m假設(shè)汽輪機(jī)分為3級，具體形式為一列雙列復(fù)數(shù)級和兩列壓力級，雙列復(fù) 速級部分進(jìn)汽度e=0.23，各級理想焓降分別為： h1 =250kJ/kg、 h2 =65kJ/kg、 h3 =74.51kJ/kg各節(jié)圓直徑分別為：123dm=0.327m dm=0.353m dm=0.380m各級理想焓降與各節(jié)圓直徑沿級數(shù)方向變化趨勢見圖2-1、2-2 :節(jié)圓直徑Mmn四、級的熱力設(shè)計4.1調(diào)節(jié)級選型由于整機(jī)絕熱焓降較大，整機(jī)級的設(shè)計選擇調(diào)節(jié)級加壓力

11、級的形式。由于 雙列復(fù)速級具有可以承擔(dān)較大焓降這一優(yōu)點(diǎn)，故調(diào)節(jié)級確定為雙列復(fù)速級。4.2調(diào)節(jié)級熱力參數(shù)的選擇調(diào)節(jié)級承擔(dān)絕熱焓降 his為 his=250kJ/kg調(diào)節(jié)級進(jìn)口參數(shù)hi=3216.88kJ/kg , Pi=2.3275MPa查表可知si=7.023kJ/(kg.K) , v i=0.12765m"/kg其它已知參數(shù)：噴嘴速度系數(shù)© =0.947，動葉一速度系數(shù)書=0.9i，導(dǎo)葉速 度系數(shù)© '=0.94，動葉二速度系數(shù)=0.97第一列動葉反動度 Q i=0.02，導(dǎo)葉反動度Q 2=0.05，第二列動葉反動度 Q 3=0.02，總反動度 Q =0

12、.09.4.3調(diào)節(jié)級詳細(xì)熱力計算(以下公式均來自與汽輪機(jī)原理-王新軍P38與P40頁)噴嘴理想焓降 hns= (1- Q ) >< his=227.5kJ/kg 噴嘴速度Cis= 2 hs=674.54m/sCi= © XCis=638.79m/s噴嘴能量損失 hnE= (1- © 2) hns=23.48kJ/kg圓周速度1u= n dm n/60=171.14m/s相對汽流速度w1=475.36m/s靜葉出汽角B i=acta =20.12°動葉一理想比焓降5 kJ/kg動葉出口氣流相對速度動葉一損失動葉一出口絕對氣流速度動葉一出口相對氣流角0導(dǎo)葉

13、出口絕對氣流速度導(dǎo)葉損失動葉二進(jìn)口相對汽流速度動葉二進(jìn)口相對汽流角動葉二理想比焓降動葉二出口汽流相對速度動葉二損失動葉二出口汽流絕對速度動葉二出汽角余速損失輪周有效焓降輪周效率葉咼損失葉輪摩擦損失、漏氣損失、濕汽損失忽略不計 級有效比焓降級的相對內(nèi)效率級的內(nèi)功率4.4其它壓力級的詳細(xì)計算其他各壓力級計算過程與第一級相同。用EXCEL軟件計算。過程不再書寫, 只將各級計算的結(jié)果列于表中。級數(shù)第一級第二級轉(zhuǎn)速(r/min)1000010000流量 G(kg/s)1.681.57理想焓降hkJ/kg)6574.51速比Xa0.5110.522比容(nn/kg)0.2780.34536靜葉出口角a i

14、1114假想速度Cm/s)360.56386.03節(jié)圓直徑Dm(m)0.3530.38部分進(jìn)汽度e11葉高l(m)0.0290.036軸直徑(m)0.10.1圓周速度U(m/s)191.85199.02級的平均反動度0.040.06級數(shù)第一級第二級余速利用系數(shù)0.950.95靜葉速度系數(shù)©0.9370.941動葉速度系數(shù)書0.9130.968級前汽流絕對速度C2 (m/s)102.4694.48利用上級余速動能(kJ/kg)4.724.02級滯止比焓降ht*(kJ/kg)69.7278.53靜葉實(shí)際焓降hn(kJ/kg)58.3772.77靜葉出口理想速度cis(m/s)368.53

15、72.28靜葉出口實(shí)際汽流速度ci (m/s)345.28350.31靜葉損失厶hnz (kJ/kg)4.287.94動葉相對汽流速度方向角pi26.8533.58靜葉相對汽流速度wi(m/s)145.85131.68動葉理想滯止比焓降A(chǔ)hbn (kJ/kg)2.794.7動葉出口理想相對速度w2s(m/s)162.76161.82動葉出口汽流實(shí)際相對速度w2(m/s)148.6156.64動葉損失厶hbz (kJ/kg)2.20.82動葉相對速度出口角p223.8530.58動葉絕對速度出口角a2125.48109.56動葉出口絕對汽流速度C2(m/s)94.48126.4余速損失AhYkJ

16、/kg)0.520.45輪周有效焓降 hu(kJ/kg)51.1856.75輪周有效效率n0.8650.85輪周功率Pu'(kW)93.0992.42各級出口實(shí)際焓值1 (kJ/kg)2964.042895.92葉輪摩擦損失 hf (kJ/kg)0.690.78葉頂漏氣損失 h s (kJ/kg)1.371.37隔板漏氣損失 hp(kJ/kg)3.023.8級的有效焓降 hi (kJ/kg)49.8448.79級的相對內(nèi)效率n oi0.7840.761輪周有效功率FU(kW)51.745.38整機(jī)功率Fr(kW)358.07重?zé)嵯禂?shù)a0.01實(shí)際相對內(nèi)效率noi0.749表4-1其他各

17、壓力級計算五、整機(jī)熱力性能校核5.1功率校核汽機(jī)額定功率Pe=350kw由本說明書4.4節(jié)可知汽機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率R=358.07偏差A(yù) =汽機(jī)運(yùn)行功率滿足要求5.2相對內(nèi)效率校核預(yù)估汽機(jī)相對內(nèi)效率n ri =0.73由本說明書4.4節(jié)可知汽機(jī)實(shí)際運(yùn)行時相對內(nèi)效率n rir =0.749偏差汽機(jī)相對內(nèi)效率滿足要求六、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速強(qiáng)度校核6.1轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算轉(zhuǎn)子材料選用30Cr1Mo1V,于網(wǎng)上找到其物性參數(shù)，具體如下所示: 轉(zhuǎn)子密度p =7760kg/m3轉(zhuǎn)子彈性模量E=192GPa慣性矩轉(zhuǎn)子橫截面積轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于材料允許的一階臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足要求6.2葉片強(qiáng)度校核由于末級葉

18、片動葉處于汽輪機(jī)工況最為惡劣的地方，故只需校核第二列壓力 級動葉強(qiáng)度。若其承受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，則認(rèn)為其強(qiáng)度達(dá)到要求。具體校核步 驟如下所示：葉片選用材料：1Cr13材料密度3p =7760kg/m屈服強(qiáng)度(T 0.2t=420MPa許用應(yīng)力動葉離心拉應(yīng)力動葉在圓周方向承受的作用力動葉在軸向方向承受的作用力動葉氣流力合力動葉底部截面彎矩查閱汽輪機(jī)設(shè)計課程參考資料-蘇字葉型P156頁可知動葉截面系數(shù)進(jìn)、出背動葉進(jìn)出口截面應(yīng)力進(jìn)、出進(jìn)、出動葉背部截面應(yīng)力背背動葉進(jìn)出口截面合成應(yīng)力"進(jìn)、出進(jìn)、出動葉背部截面合成應(yīng)力工背背進(jìn)、出背由上述計算可知，末級動葉片承擔(dān)的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力， 葉片強(qiáng)

19、度滿足 使用條件。6.3葉根強(qiáng)度校核由于末級葉片動葉處于汽輪機(jī)工況最為惡劣的地方，故只需校核第二列壓力 級動葉葉根強(qiáng)度。若其承受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，則認(rèn)為其強(qiáng)度達(dá)到要求。末級承擔(dān)焓降較大，葉根型式考慮使用叉型葉根。叉型葉根具體形式為雙叉 雙鉚釘。如圖6-1所示。具體校核步驟如下所示：葉根底部截面到葉根1-1截面的距離a=0.015截面1-1處的半徑i-i截面上的離心拉力Ci=5569.24N/m葉根叉數(shù)Zh=2鉚釘直徑d=0.005m每叉寬度b=0.05葉片數(shù)目Zh=56偏心距E=0.0005截面1-1處葉片節(jié)距葉根1-1截面上的離心拉應(yīng)力葉根1-1截面系數(shù)汽流力產(chǎn)生的彎矩和彎應(yīng)力偏心引起的彎矩

20、及彎應(yīng)力葉根1-1截面合成應(yīng)力葉根承受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，葉根強(qiáng)度滿足使用條件圖6-1叉形葉根6.4輪緣強(qiáng)度計算汽機(jī)末級位置處的輪緣承擔(dān)了最大的應(yīng)力。 故只需校核末級位置處的輪緣強(qiáng) 度即可。截面n -n處的半徑R2=0.123m截面n -n以上的輪緣部分的離心力 Crim =輪緣寬度b1=0.075m輪周上一排鉚釘數(shù)目Zr=56輪緣承受拉應(yīng)力輪緣承受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，輪緣強(qiáng)度滿足使用需要七、軸圭寸漏氣量計算本汽輪機(jī)采用迷宮式軸封，平齒，如圖7-1，取d=0.1m。圖7-1迷宮式軸封示意圖齒間距 s=0.01m;齒寬 =0.001m；齒高 h=0.003 ;頸項間隙 S =0.0003m（以下計算

21、均按照王新軍-汽輪機(jī)原理P106 P107有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行。）7.1高壓端軸圭寸漏汽又由一 知達(dá)到臨界時的臨界齒數(shù)為z=3 假設(shè)總漏氣量為A高壓端漏氣量A根據(jù)可得7.2低壓端軸封漏汽根據(jù)可知，達(dá)到臨界時的臨界齒數(shù)為 z=2 低壓端漏氣量A根據(jù)可得根據(jù)軸圭寸齒數(shù)復(fù)求高壓端、低壓端漏氣量，有總漏氣量滿足要求八、整機(jī)熱力過程線和壓力級速度三角形匯總8.1整機(jī)熱力過程線將各關(guān)鍵位置處的焓值與熵值輸入 EXCELS,利用EXCELS大的計算與繪圖 能力得到較為真實(shí)的的熱力過程線，如下圖 6-1所示。熱力過程線圖6-1實(shí)際熱力過程線圖6-2各級焓降變化示意圖8.2壓力級速度三角形匯總821第一壓力級速度三角形

22、圖7-1第一壓力級速度三角形第二壓力級速度三角形圖7-2第二壓力級速度三角形九、熱力計算數(shù)據(jù)匯總表項目名稱符號單位調(diào)節(jié)級壓力級I壓力級H流量Gkg/s1.71 十 1.681.57節(jié)圓直徑dmm0.3270.3530.38圓周速度um/s171.14191.89199.11級前烝汽壓力p0MPa2.32750.8860.692級前烝汽溫度to0c390282.792255.035級前烝汽焓值h0kJ/kg3221.493018.352962.5級前蒸汽動能Ah0kJ/kg05.252.55級等熵滯止焓降hs*kJ/kg25070.2577.06速比xa0.2420.5110.522平均截面處反

23、動度Q0.090.040.06靜葉出口理想速度cism/s674.54368.5367.42動葉出口理想速度co 2sm/s186.47176.58182靜葉速度系數(shù)00.9470.9370.941動葉速度系數(shù)I0.970.9130.968靜葉流量系數(shù)口 10.90.90.9動葉流量系數(shù)口 20.90.90.9靜葉出口截面葉高11mm13.124.3532.27動葉出口截面葉高12mm23.2528.8636靜葉出口面積A1mm2794.25233.335853.65動葉出口面積Amm23091.35182.565075.4葉柵面積比f3.890.990.893部分進(jìn)汽度e0.2311靜葉損失

24、hnkJ/kg23.484.237.73動葉損失hbkJ/kg1.032.591.04葉柵環(huán)形損失糸數(shù)E e000余速損失hc2kJ/kg0.270.1283.38余速利用系數(shù)"a0.950.950.95余速利用能量h0kJ/kg05.182.42級的理想能量E0kJ/kg25070.1876.93輪周損失56.1513.7316.13輪周效率n u0.7730.8610.85實(shí)際輪周效率n u'0.7760.8650.848隔板汽封漏氣量GSkg/s0.030.0920.103漏氣損失系數(shù)E S0.01750.04780.0659輪盤摩擦損失系數(shù)Ef0.00640.01060.0081鼓風(fēng)損失系數(shù)E v0.03200弧端斥汽損失系數(shù)E e0.0020.02170.0184濕氣損失系數(shù)Ex000內(nèi)效率n oi0.7350.7850.7621級有效