汽輪機(jī)原理課程設(shè)計--某型汽輪機(jī)最末級的倒序法變工況熱力核算

1、<p><b>　　汽輪機(jī)原理課程設(shè)計</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、課程設(shè)計任務(wù)書- 2 -</p><p>　　1、摘要：課程設(shè)計內(nèi)容- 3 -</p><p>　　2、摘要：課程設(shè)計應(yīng)完成的工作- 3 -</p><

2、;p>　　3、摘要：課程設(shè)計進(jìn)程安排- 3 -</p><p>　　4、摘要：設(shè)計計算步驟- 4 -</p><p>　　二、計算過程 ：- 5-</p><p>　?。ㄒ唬?設(shè)計工況下的熱力核算：- 5 -</p><p>　?。ǘ?、 變工況下的熱力核算：- 12 -</p><p>　　1、確定

3、排汽狀態(tài)點和動葉出口狀態(tài)點…………..………………………..- 12 -</p><p>　　2、動葉柵計算……………………....-13-</p><p>　　3、噴嘴葉柵計算……………………-16-</p><p>　　三、核算結(jié)果分析總結(jié)…………….-21 -</p><p>　　四、設(shè)計資料及參考文獻(xiàn)…………- 22 -</

4、p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　一 課程設(shè)計內(nèi)容:</p><p>　　隨著電力需求的迅速增長，電力負(fù)荷的多樣性及可變性在所難免，而電能的不可儲藏性決定了發(fā)電機(jī)組的工況必須隨著電力負(fù)荷的變化而變化。所以發(fā)電機(jī)組常常需要偏離設(shè)計工況運(yùn)行。作為發(fā)電機(jī)組的原動機(jī)，汽輪機(jī)也必然受到變工況運(yùn)行的影響。</p><

5、;p>　　汽輪機(jī)在變工況下運(yùn)行時，通過汽輪機(jī)的蒸汽流量或蒸汽參數(shù)將發(fā)生變化，汽輪機(jī)的某些級或全部級的反動度、級效率也隨之發(fā)生變化。為了估計汽輪機(jī)在新工況下的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，有必要對新工況進(jìn)行熱力核算。</p><p>　　汽輪機(jī)整機(jī)變工況熱力核算是建立在單級核算基礎(chǔ)上的，因此研究單級熱力核算對于順利完成整機(jī)熱力核算任務(wù)有重要意義。正是基于此，本設(shè)計擬題為：某型汽輪機(jī)最末級的倒序法變工況熱力核算。</p

6、><p>　　二 課程設(shè)計應(yīng)完成的工作</p><p>　　根據(jù)計算準(zhǔn)確度的要求不同，熱力核算可采用詳細(xì)的熱力核算，也可以采用近似的算法。本次設(shè)計要求的是單級的詳細(xì)熱力核算。</p><p>　　由給定的不同的原始條件，單級的詳細(xì)熱力核算又分為順序計算和倒序計算兩種基本方法，以及將這兩種算法結(jié)合起來的混合算法。</p><p>　　本設(shè)計采用以

7、給定的變工況后的級后狀態(tài)為起點，由后向前計算的倒序法對某型汽輪機(jī)最末級進(jìn)行詳細(xì)的變工況熱力核算。</p><p>　　要求在規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)范完成設(shè)計說明書，并通過指導(dǎo)老師組織的小型答辯。</p><p><b>　　原始數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　流量G=33.6kg/s，噴嘴平均直徑dn=2.004，動葉平均直徑db2.0，級前壓

8、力p0=0.0134Mpa，級前干度x0=0.903，噴嘴圓周速度u1=314.6m/s，動葉圓周速度u2=314m/s，反動度Ωm=0.574，級前余速動能Δhc0=11.05kJ/kg，噴嘴速度系數(shù)φ=0.97，噴嘴出汽角α1=18°20,噴嘴高度ln=0.665m，噴嘴出口截面積An=1.321m2；級后壓力p2=0.0046Mpa，級后干度x2=0.866，動葉出口截面積Ab=2.275m2，動葉出汽角β2=32

9、76;54’。</p><p>　　變工況條件：G1=40.32kg/s，p21= p2=0.0046Mpa，h21=2311 kJ/kg。</p><p>　　三 課程設(shè)計進(jìn)程安排</p><p><b>　　四　設(shè)計計算步驟：</b></p><p>　　1、設(shè)計工況下的末級熱力核算</p><

10、p>　　包括：級內(nèi)焓降分配計算；噴嘴熱力計算；動葉柵的熱力核算；級內(nèi)各項損失確定；級的內(nèi)功率和效率計算。要注意噴嘴和動葉是否達(dá)到或超過臨界狀態(tài)。</p><p>　　2、變工況下的末級熱力核算</p><p>　　包括：變工況下末級參數(shù)的確定；變工況下動葉柵的熱力核算；變工況下噴嘴的熱力核算；變工況后的反動度、級效率和內(nèi)功率的確定；要注意工況改變后，原先可能在亞音速情況下的噴嘴或動葉

11、是否達(dá)到或超過臨界狀態(tài)，并注意由此而產(chǎn)生的影響。超音速流動葉和噴嘴出口速度的計算中，涉及臨界壓力的方法有兩種，分別是公式法和作圖法，選其中之一進(jìn)行計算。</p><p>　　3、工況改變前后參數(shù)變化的對比分析。要求列表對比工況改變前后，主要數(shù)據(jù)的變化，并能結(jié)合課程知識加以分析。</p><p><b>　　二、計算過程：</b></p><p>

12、;　　設(shè)計工況下的熱力核算</p><p><b>　　原始數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　流量G=33.6kg/s，噴嘴平均直徑dn=2.004，動葉平均直徑db2.0，級前壓力p0=0.0134Mpa，級前干度x0=0.903，噴嘴圓周速度u1=314.6m/s，動葉圓周速度u2=314m/s，反動度Ωm=0.574，級前余速動能Δhc0=11.05kJ/kg

13、，噴嘴速度系數(shù)φ=0.97，噴嘴出汽角α1=18°20,噴嘴高度ln=0.665m，噴嘴出口截面積An=1.321m2；級后壓力p2=0.0046Mpa，級后干度x2=0.866，動葉出口截面積Ab=2.275m2，動葉出汽角β2=32°54’。</p><p>　　噴嘴和動葉柵的比降分配：</p><p>　　根據(jù)已知條件：級前壓力 p0 ??0.0134MPa

14、，級前干度 x0 ??0.903 查 水 蒸 汽熱力性質(zhì)表得 ： </p><p>　　t0 ??51.65℃， </p><p>　　h0=2363.56 kJ/kg</p><p>　　s0=7.3363 kJ/(kg?℃),</p><p>　　v0=10.060265m3/kg,</p><p>　　同理

15、，由 P2=0.0046 Mpa, X2=0.866查得</p><p><b>　　T2=31.4℃,</b></p><p>　　s2=7.356 kJ/(kg?℃)</p><p>　　h2=2232.95 kJ/kg 圖2-2</p><p>　　V2=26.4070899 m3/kg

16、</p><p>　　以蒸汽在本級的過程為等熵過程來計算, P2=0.0046 Mpa，s0=7.3363 kJ/(kg?℃) 查表得：T2t′=31.4 ℃, h2t′=2226.97 kJ/kg, v2t′=26.3318655 m3/kg</p><p>　　X2′=0.8635</p><p>　　從而得整個末級的理想比焓降：</p><

17、;p>　　△ht=h0-h2t′=2363.56-2226.97=136.59 kJ/kg </p><p>　　由已知級前余速動能: </p><p>　　△hc0=11.05 kJ/kg</p><p>　　從而得末級的理想滯止比焓降:</p><p>　　△ht*=△ht+△hc0=136.59+11.05=147.64 kJ

18、/kg </p><p><b>　　由已知反動度:</b></p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　噴嘴出口理論流動速度：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　噴嘴出口實際流動速度：

19、 m/s (2-15)</p><p>　　據(jù)速度三角形有: </p><p>　　△hn*=△ht*-△hb=147.64-84.745=62.89 kJ/kg </p><p><b>　　噴嘴熱力計算</b></p><p>　　噴嘴前的滯止參數(shù)為:</p>&

20、lt;p>　　h0*=h0+△hc0=2363.56+11.05=2374.61 kJ/kg </p><p>　　由s0=7.3363 kJ/(kg?℃)查得：p0*=0.01453864Mpa， t0*=53.32℃，v0*=9.35155 m3/kg，x0*=0.9062</p><p><b>　　噴嘴截面形狀計算：</b></p

21、><p>　　經(jīng)驗系數(shù): k=1.035+0.1x0=1.1253 </p><p>　　臨界壓比： （2-10）</p><p><b>　　噴嘴后的參數(shù)：</b></p><p>　　hlt=h0*-△hn*=237

22、4.61-62.895=2311.72 kJ/kg，</p><p><b>　　從而查得：</b></p><p>　　p1=0.00905014 Mpa，t1t=43.87℃，v1t=14.3084677 m3/kg，x1t=0.8879</p><p><b>　　噴嘴前后壓比：</b></p><

23、;p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　所以蒸汽在噴嘴中的流動狀態(tài)為亞音速流動，所以為漸縮噴嘴且噴嘴出口壓力等</p><p><b>　　于p1</b></p><p>　　噴嘴出口理論流動速度：</p><p><b>　　(2-12)</b>&l

24、t;/p><p>　　噴嘴出口實際流動速度： </p><p>　　m/s (2-13)</p><p><b>　　kJ/kg </b></p><p>　　由h1、p1查得t1=43.87℃，s1=7.348 kJ/(kg?℃)，v1=14.333459 m3/kg，x1=0.8894</p>

25、<p><b>　　從而：</b></p><p>　　從而求得隔板漏汽量：</p><p><b>　　噴嘴漏汽損失：</b></p><p><b>　　(2-16)</b></p><p><b>　　動葉柵熱力計算</b></p&g

26、t;<p>　　由于為亞音速流動，所以噴嘴出口汽流出口角=噴嘴出汽角α1=18020′，且由已知圓周速度u ??314m/ s，做出動葉的出口三角形：</p><p>　　由余弦定理幾何關(guān)系求得：</p><p><b>　?。?-32）</b></p><p>　　查課本圖2-16得動葉速度系數(shù)ψ=0.95</p>

27、<p>　　由題：β2= 32?54?，由出口速度三角形幾何關(guān)系得：</p><p><b>　?。?-39）</b></p><p><b>　　）</b></p><p><b>　　動葉柵損失：</b></p><p><b>　?。?-37）<

28、;/b></p><p>　　h2t=h1-△hb=2330.687 kJ/kg</p><p><b>　　從而： </b></p><p>　　h2=h 2t+ =2330.687+8.84=2239.527 kJ/kg</p><p>　　由水蒸氣熱力性質(zhì)表查得：</p><p&g

29、t;　　t2=31.40℃，s2=7.3775 kJ/(kg?℃)，v2=26.4896793 m3/kg，x2=0.8687</p><p>　　由已知有和相關(guān)熱力學(xué)知識有：</p><p>　　k'=1.035+0.1x1=1.12394</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　

30、所以動葉為超音速狀態(tài)，即蒸汽在動葉的流動為超音速流動，則：</p><p>　　2321.3566 kJ/kg</p><p>　　由h1*- s1圖 查得：p1*=0.00947265 MPa ，v1*=13.7575355 m3/kg</p><p>　　=0.00549 Mpa （2-10）</p><p

31、>　　371.38 m/s</p><p>　　2252.39 kJ/kg</p><p>　　由pcr與hcr圖查得：vcr =22.4856518 m3/kg</p><p>　　動葉蒸汽流量： </p><p><b>　　動葉漏汽損失：</b></p><p>　　葉頂漏

32、汽損失：0.672 kJ/kg （2-97）</p><p>　　由課本式(2-102)有:</p><p>　　級內(nèi)有效比焓降： kJ/kg</p><p>　　由 kJ/kg （2-96）</p><p>　　動葉柵進(jìn)口高度計算:已知ln=665mm,由書P37表2-3查得：?r=1.5

33、mm ，?t=3.5mm，</p><p><b>　　得到：</b></p><p>　　動葉進(jìn)口高度： </p><p>　　lb????ln ???r ???t ??670mm (2-76)</p><p><b>　　動葉出口高度：</b&

34、gt;</p><p><b>　　(2-77)</b></p><p><b>　　動葉出口余速動能：</b></p><p><b>　　(2-41)</b></p><p><b>　　輪周功及輪周效率</b></p><p>

35、;　　通過輪周有效比焓降計算輪周功率：</p><p>　　Pu=△ht*---=110.607 kJ/kg </p><p><b>　　輪周效率：</b></p><p><b>　　(2-49)</b></p><p><b>　　級內(nèi)各項損失計算：</b></

36、p><p><b>　　葉高損失：</b></p><p><b>　　(2-83)</b></p><p><b>　　摩擦損失：</b></p><p>　　摩擦耗功：7.680kW</p><p>　　其中u=(u1+u2)/2=314.3m/s ,v

37、=(v1+v2)/2=18.2336775 m3/kg,</p><p>　　d=(dn+db)/2=(2.004+2.0)/2=2.002m</p><p>　　用能量表示摩擦損失： (2-84)</p><p>　　隔板漏汽損失：6.242 kJ/kg (2-94)</p><

38、p>　　葉頂漏汽損失： kJ/kg (2-96)</p><p><b>　　濕汽損失：</b></p><p><b>　　kJ/kg</b></p><p><b>　　(2-101)</b></p><p><b>　

39、　級的內(nèi)功率:</b></p><p>　　Pi=G△hi=3764.255 KW </p><p><b>　　級的內(nèi)效率:</b></p><p><b>　　(2-102)</b></p><p>　　變工況下的熱力校核計算</p><p><b>

40、;　　原始數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　流量G=33.6kg/s，噴嘴平均直徑dn=2.004m，動葉平均直徑db=2.0m，級前壓力p0=0.0134Mpa，級前干度x0=0.903，噴嘴圓周速度u1=314.6m/s，動葉圓周速度u2=314m/s，反動度Ωm=0.574，級前余速動能Δhc0=11.05kJ/kg，噴嘴速度系數(shù)φ=0.97，噴嘴出汽角α1=18°20’，噴嘴高度l

41、n=0.665m，噴嘴出口截面積An=1.321m2；級后壓力p2=0.0046Mpa，級后干度x2=0.866，動葉出口截面積Ab=2.275m2，動葉出汽角β2=32°54’。</p><p>　　變工況條件：G1=40.32kg/s，p21= p2=0.0046Mpa，h21=2311 kJ/kg。</p><p>　　解析方法：由該級級后的蒸汽狀態(tài)逆向向前進(jìn)行計算。<

42、;/p><p>　　1確定排汽狀態(tài)點和動葉出口狀態(tài)點</p><p>　　根據(jù)題意有：由在h-s圖上求得排汽狀態(tài)點1，如圖68所示，得，在進(jìn)行核算前，用近似法估算</p><p>　　設(shè)計工況下，動葉山口處音速為：</p><p><b>　?。╩/s）</b></p><p>　　其中

43、 </p><p>　　而,可知末級動葉片出口是超臨界的。</p><p>　　變工況下，流量增大，則動葉出口速度仍是超音速。因此，可用壓力與流量成正比的關(guān)系求出</p><p>　　噴嘴前滯止壓力:(MPa) </p><p>　　噴嘴前壓力:(MPa)</p><p>　　噴嘴后壓力(MPa)</p>

44、<p>　　為確定動葉出口的蒸汽狀態(tài)，而需要先估算變工況下級的幾項損失：</p><p><b>　　葉高損失</b></p><p>　　摩擦損失(kJ/kg)</p><p>　　漏汽損失(kJ/kg)</p><p>　　式中(kJ/kg)是估計MPa到MPa之間的理想焓降。</p>&l

45、t;p>　　濕汽損失(kJ/kg)</p><p>　　余速損失(kJ/kg)</p><p>　　上列式中均是估計值。</p><p><b>　　損失之和:</b></p><p>　　kJ/kg 在h-s圖上，由點1沿等壓線截取，則得動葉實際出口狀態(tài)點2，有.</p><p>

46、;<b>　　2動葉柵計算</b></p><p>　　欲求動葉出口實際速度，考慮到動葉出口速度是超臨界的，幫不能用連續(xù)性方程式計算，為此需先求取動葉喉部的臨界壓力.。</p><p>　　為求可作假想過程線2-4,并在其上選取不同的點及其相應(yīng)的，假定這些點為臨界值，按下式計算。</p><p><b>　　式中，</b>

47、</p><p>　　按上式求出數(shù)據(jù)如表1所示。</p><p><b>　　表1</b></p><p>　　由上表數(shù)據(jù)，作出與的關(guān)系曲線，如下圖1所示，</p><p>　　當(dāng)時，查圖得并且在h-s圖上查得，此時</p><p><b>　　動葉實際出口速度：</b>&l

48、t;/p><p>　　式中是由到間的有效焓降。 </p><p><b>　　圖1</b></p><p><b>　　動葉出口偏轉(zhuǎn)角：</b></p><p><b>　　又那么。</b></p><p>　　由動葉出口速度三角形，可

49、求出:</p><p><b>　　(m/s)</b></p><p>　　校核余速損失：（kJ/kg）,與原估計值kJ/kg相差9.8566kkJ/kg</p><p>　　為此，重新確定點1，，考慮到余速損失之間的差值不大，因此，等 均不必得閑計算.</p><p>　　動葉損失 </p>

50、<p>　　沿線，由點2向下截取，得點3，</p><p><b>　　動葉滯止理想焓降.</b></p><p>　　由動葉出口理想狀態(tài)點3向上，得動葉進(jìn)口滯止?fàn)顟B(tài)點.</p><p><b>　　估計動葉理想焓降：</b></p><p>　　=99.6（kj/kg）</p&g

51、t;<p><b>　　式中取設(shè)計值。</b></p><p>　　由點3垂直向上截取=99.6kJ/kg,得動葉進(jìn)口狀態(tài)點4,查得=0.0105Mpa，與估計值較接近，=kg/,=0.93. 校核動葉假想過程線無誤，不需重新擬定。</p><p><b>　　3噴嘴柵的計算 </b></p><p>　　暫

52、不考慮撞擊損失，因其數(shù)值小，影響不大，則可認(rèn)為點4即是噴嘴出口的蒸汽狀態(tài)點。</p><p>　　初算噴嘴出口實際速度：===397（m/s)</p><p>　　噴嘴出口處音速：===392(m/s) </p><p>　　式中=1.035+0.1=1.035+0.1x0.93=1.128。 因為>，則汽流在噴嘴斜切部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但與相差很小，偏轉(zhuǎn)角不大，

53、故先暫不考慮偏轉(zhuǎn)，先算出動葉實際出口速度，以便初步校核。</p><p><b>　　由幾何關(guān)系有：</b></p><p>　　==140（m/s）</p><p>　　==97.8(kj/kg）</p><p>　　重定點4，由點3垂直向上取得點4，此時，=0.0102Mpa，=。</p><p&

54、gt;　　求噴嘴喉部的臨界壓力。 </p><p>　　作噴嘴假想過程線7-4，并在其上取點5'，5",查得 ,之值，再按下式求。</p><p><b>　　=</b></p><p>　　計算結(jié)果如表13所示。</p><p>　　按表13的數(shù)據(jù)作曲線，如圖70所示。</p><

55、p>　　當(dāng)==30.52kg/（）時，由圖70查得=0.0106Mpa，由h-s圖</p><p><b>　　由圖查得=kg/。</b></p><p>　　==391（m/s）</p><p>　　===399（m/s）</p><p>　　計算汽流偏轉(zhuǎn)角：sin（）=sin=sin則 偏轉(zhuǎn)角=38'

56、</p><p>　　作動葉進(jìn)口速度三角形，計算得。</p><p>　　校核。==97.67（kj/kg）此值與=97.8J/kg相差甚微，則以=97.67kj/kg為最后確定值，</p><p><b>　　計算撞擊損失。</b></p><p><b>　　則沖角。</b></p>

57、<p><b>　　撞擊損失</b></p><p>　　沿線由點4向下截取=0.27kj/kg得噴嘴實際出口狀態(tài)點5（實際上因0.27值很小，點4與點5重合),.</p><p><b>　　噴嘴損失</b></p><p>　　沿線由點5向下截取5kj/kg，得噴嘴出口理想狀態(tài)點6，查得=2345.3kJ

58、/kg。</p><p>　　預(yù)先估算噴嘴理想焓降：</p><p>　　=71（kj/kg）</p><p>　　式中取設(shè)計值，待對上一級進(jìn)行變工況計算后，才能對此值進(jìn)行校核。</p><p>　　由點6向上截取=71kj/kg，得噴嘴進(jìn)口狀態(tài)點7，此時，=0.016Mpa(與估算值接近），。取等于設(shè)計值，即=11.05KJ/kg，由點7垂

59、直向上截取11.02KJ/kg，得噴嘴進(jìn)口滯止?fàn)顟B(tài)點8。查得。</p><p>　　4.級的功率與效率計算 ： </p><p>　　級的理想能量：=82.05+97.67=179.7（KJ/kg）</p><p><b>　　輪周焓降: </b></p><p>　　=179.7-5-10.55-33.64-0.

60、27=130.24（KJ/kg）</p><p><b>　　輪周效率</b></p><p><b>　　=0.7248</b></p><p><b>　　校核各項損失：</b></p><p><b>　　葉高損失： </b></p>

61、<p><b>　　(KJ/kg）</b></p><p><b>　　摩擦損失：</b></p><p><b>　　漏氣損失：</b></p><p>　　==0.049（KJ/kg）</p><p><b>　　級平均干度：</b><

62、/p><p><b>　　=0.8995</b></p><p><b>　　濕氣損失：</b></p><p>　　=13.09（KJ/kg）</p><p><b>　　損失和：</b></p><p>　　47.16kJ/kg （2-4

63、-9）</p><p>　　此值和最初估算值=47.3 kJ/kg 相差很小。</p><p>　　由課本式2-102有：</p><p><b>　　級的有效比焓降：</b></p><p>　　116.7kJ/kg </p><p><b>　　則級內(nèi)效率：</b>

64、</p><p>　　0.6494 （2-102）</p><p><b>　　內(nèi)功率：</b></p><p><b>　　4705 kw </b></p><p><b>　　變工況后功率變化：</b></

65、p><p>　　940.745 kJ/kg（增加）</p><p>　　三、核算結(jié)果分析總結(jié)</p><p>　　設(shè)計工況和變工況計算結(jié)果比較分析： </p><p>　　分析總結(jié)： 由比較結(jié)果可知：在變工況條件下，蒸汽流量增大了，蒸汽滯止參數(shù)增大了，級內(nèi)功率總體增大了，但輪周效率和級內(nèi)效率都相應(yīng)減小了；而其原因：除葉高損失稍有增大外，摩擦損失

66、、濕氣損失、漏氣損失都明顯減小了；而這一切，歸根結(jié)底，是反動度減小了。所以，反動度大的汽輪機(jī)級內(nèi)效率、輪周效率高，經(jīng)濟(jì)性毋庸置疑，但級內(nèi)功率較小，帶負(fù)荷能力?。环粗?，反動度較小甚至是純沖動級的汽輪機(jī)，雖然級內(nèi)效率比不上反動度較大的汽輪機(jī)，經(jīng)濟(jì)性不如反動度較大的汽輪機(jī)，但是其級內(nèi)功率大，帶負(fù)荷能力強(qiáng)。所以在生產(chǎn)實際中，我們必須視需要而定，保證汽輪機(jī)在最經(jīng)濟(jì)的情況下運(yùn)行，最大限度達(dá)到節(jié)能的目的。</p><p>　　

67、四、設(shè)計資料及參考文獻(xiàn)</p><p>　　馮慧雯，汽輪機(jī)課程設(shè)計參考資料，中國電力出版社，1992</p><p>　　李維特、黃保海，汽輪機(jī)變工況熱力計算，中國電力出版社，2001</p><p>　　靳智平，電廠汽輪機(jī)原理及系統(tǒng)，中國電力出版社，2004</p><p>　　翦天聰，汽輪機(jī)原理，中國電力出版社，1992</p>