汽轮机课程设计指导书冯慧雯 编华 中 科 技 大 学能源与动力工程学院第一节 课程设计的任务与要求1．设计题目 N25-3.5/435汽轮通流部分热力设计2．已知参数额定功率： Pr=25MW， 额定转速： n=3000r/min，设计功率：Pe=20MW, 新蒸汽压力：p0=3.5 MPa,新蒸汽温度：t0=435℃, 排汽压力：=0.005MPa，给水温度： tfw=160~170℃， 冷却水温度：tw1=20℃，给水泵压头：pfp=6.3MPa， 凝结水泵压头：pcp=1.2 MPa，射汽抽汽器用汽量 △Dej=500kg/h，射汽抽汽器中凝结水温升 △tej=3℃，轴封漏汽量 △Dl=1000 kg/h，第二高压加热器中回收的轴封漏汽量 △=700kg/h3．任务与要求（1） 估算整机蒸汽流量及拟定热力过程曲线；（2） 回热系统热平衡初步计算及回热系统示意图绘制；（3） 非调节级理想比焓降分配和级数的确定；（4） 计算调节级与非调节级通流部分几何尺寸：各级平均直径dn（b）、叶片高度ln（b）、通流面积An（b）、叶片数Zn（b）、叶宽Bn（b）、节距tn（b）、静叶片安装角、动叶片安装角、及出汽角（）、（）等；（5） 计算级效率、级内功率、整机内功率及相对内效率；（6） 整机校核（电功率、内效率）；（7） 按比例绘制通流部分子午剖面流道图和各级速度三角形图，以及调节级详细热力过程曲线示意图，整机热力过程曲线图；（8） 编写计算机程序方框图；（9） 编写计算机运算程序；（10） 调试并运行热力设计计算机程序；（11） 编写课程设计说明书（说明书规格按学校要求，内容为上述计算内容）。
第二节 多级汽轮机热力计算一般原则—— 各级型式、结构、参数的选择一、通流部分的合理成型在凝汽式汽轮机中，由于蒸汽在膨胀过程中比容变化的结果，蒸汽的容积流量GV变化很大所以在设计凝汽式汽轮机时，如何使蒸汽通流部分的成型满足于蒸汽流动的这一特性——使通流部分平滑地变化极为重要，必须以此作为出发点诚然，要使设计的汽轮机有较高的效率，尚须使各级的速度比xa=u/ca等于其最佳值，各级的喷嘴，动叶片有足够的高度，选择最好的型线，合理的间隙和反动度等，但最终须保证通流部分平滑，不然以上的措施就会失去其积极意义一般使机组的通流部分轮廓的锥角不超过30º可采用改变各级的理想比焓降分配，直径，喷嘴和动叶片的型线（角度）以及反动度的方法，来保证通流部分平滑变化保证了通流部分平滑地变化就能实现全部或部分利用前级余速损失这个要求另外，喷嘴、动叶型线（角度）的选择除了根据效率及通流部分平滑的条件外，最好在各个级组或整个机组中用统一的型线设计通流部分时，要保证热力计算中的数据和要求除调节级和末几级外，其它各级应尽量避免使蒸汽速度超过临界值为保证机组有较高的效率，除了上述措施外对下面几个问题也应重视a）各级反动度的合理选择：实际运行证明，反动度（平均轮径处）Ωm选择得过大或过小，都会带来附加损失。
根据试验资料，建议在设计工况下选择反动度Ωm的原则是：使叶根部处的反动度在3%~5%之间对调节级可使根部反动度为0~5%b）各级速度比xa的合理选取为使整机的效率高，必须使各级的速度比xa接近最佳值通常选取范围如下：复速级的速度比范围： xa=0.20~0.28单列调节级的速度比范围： xa=0.40~0.45高、中压非调节级的速度比范围： xa=0.46~0.50扭叶片低压级的速度比范围： xa=0.48~0.6速度比xa与反动度Ωm、部分进汽度e有密切的关系对应一定的Ωm、e，有一xa与之对应一般说来，最佳的xa值随反动度Ωm、部分进汽度e的增加而增大，随Ωm、e的减小而减小另外，喷嘴与叶片出口截面积之比f=Ab/An主要取决于反动度Ωm和速度比xa，Ωm越小，xa越小，f就越大Ωm与f之间是相互对应的，选定其中一个参数，另一个参数也就决定了c）合理地选择通流部分的各项间隙： 表1 （单位：mm）喷嘴高度≤5051—9091~150＞150叶顶盖度Δt1.522—2.52.5~3.5叶根盖度Δr0.511—1.51.5直径差db-dn1111~2喷嘴闭式间隙δ21~22~33~44~6动叶闭式间隙δ32.52.52.52.5总轴向间隙5~66~77~88~10叶顶径向间隙，=(0.5~1.5)(mm)；—围带厚度，=2.0~ 4.0（mm）；—喷嘴闭式间隙，—动叶闭式间隙，—顶部盖度，—根部盖度，以及叶片高度可查表1。
这些几何参数选择得合理与否，直接影响到机组运行的经济性与可靠性二、配汽机构的合理选择汽轮机的配汽机构有各种不同的型式由于它们各具自己的优缺点，因而应根据所设计机组的类型和用途的不同来选取一般来说，设计带基本负荷的机组，由于其在运行过程中，长期处在经济工况下工作，要求有较高的经济性，可采用节流配汽或喷嘴配汽设计带尖峰负荷的机组，希望在变动工况下效率变化比较小，一般采用喷嘴配汽较合理三、调节级理想比焓降的合理选择现代汽轮机大多数采用喷嘴配汽，影响其经济性的主要因素之一是调节级理想比焓降值的大小在选择调节级理想比焓降值时，应充分考虑到该机组在变工况时的工作条件，正确地选择调节级的尺寸和型式，使它能保证在给定的蒸汽参数和功率的各个持久工况时，具有较高的经济性这是汽轮机初步设计的主要任务之一a） 调节级型式的选择，即采用单列级还是复速级，须根据机组承担负荷情况而定单列级在设计工况下有较高的效率，但能承担的理想比焓降较小，机组投资费用较大，因此大容量机组及带基本负荷的机组采用单列级作为调节级复速级能承担的理想比焓降较大，在变工况时其效率变化较小，可减小机组级数、转子长度和尺寸，使结构简化；还可降低调节汽室压力和温度，减小轴封漏汽。
中、小型汽轮机常采用复速级作调节级b） 调节级理想比焓降的选择：复速级一般在195~300（KJ/kg）之间；单列级一般在80~130（KJ/kg）之间c） 调节级平均直径的选择中压机组（套装叶轮） dm=(1000~1200mm)高压机组（整锻转子） dm=(900~1100mm)除此之外还要求最大工况下调节汽室的最高温度符合材料要求，对套装叶轮不超过350（℃），对整锻载子不超过530（℃）四、非调节级特点一般对于凝汽式轮机，非调节级即调节级后各级按特点分为：高压级、中间级和低压级a） 高压级：蒸汽容积流量很小，设计时应尽量提高叶片高度常选用较小直径，或较小的比焓降，或较小的喷嘴出汽角α1(α1=11º~14º)，以提高叶高ln，来提高效率当ln过低时，则采用部分进汽来提高级效率b） 容积流量较大的中间级：叶片高, 效率也高，较易设计c） 末几级在真空下工作的低压级：为适应容积流量急剧变化的需要，叶高和平均直径同时放大当径高比d/l≤8~10时选用扭叶片级根部反动度Ωr可选用(0~5)%为使通流部分平滑变化，并且设法避免采用缩放喷嘴，级平均轮径处反动度Ωm应逐级增大末级Ωm可达0.3~0.55。
第三节 多级汽轮机初步热力设计一般程序初步热力设计的主要任务是：根据给定的条件（汽轮机型式，额定功率Pr，蒸汽初参数p0、t0，排汽压力pc及工作转速n）确定机组的相对内效率，汽耗量及通流部分的主要几何尺寸首先选择汽轮机的配汽方式（假定采用喷嘴配汽），确定设计工况，即确定经济功率Pe，然后进行下列计算一．汽轮机进汽量D0的初步估算和近似热力过程线的初步计算1、根据已知的p0、t0和pc，确定蒸汽通过主汽门、配汽机构及排汽管中的压力损失一般全开阀门进汽机构的节流损失取：△p0=(0.03～0.05)p0排汽管中的压力损失取 △pc=pc 或 △pc=(0.02～0.06)pc其中：λ——与排汽管的结构和流速有关的阻力系数一般λ=0.05～0.1Cex——排汽管中汽流速度 通常凝汽式轮机 Cex =(80～100) （m/s） 背压式汽轮机 Cex =(40～60) （m/s）所以调节级前压力 = p0-△p0末级动叶后压力 2、参考同类型、同容量的汽轮发电机组，选取机组的相对内效率、发电机效率ηg和机械效率ηax。
由于相对内效率ηri取决于汽轮机内部各项损失，这些损失又与蒸汽流量及通流部分的几何参数有关，因此只能初步估计（ηri），待热力计算后将计算的相对内效率ηri与估计值（ηri）进行校核若△η＜1%，为合格，否则重新计算直至满意此处 表2 汽轮发电机组的各种效率范围额定功率（MW）0.75~612~2550~100＞125机械效率（%）0.965~0.9850.985~0.9900.990~0.9950.995发电机效率（%）全负荷0.930~0.9600.965~0.9750.980~0.9850.985~0.990半负荷0.910~0.9400.945~0.9600.965~0.9800.980~0.985相对内效率（%）0.760~0.8200.820~0.8500.850~0.870＞0.8703、近似热力过程线的初步拟定：由p0、t0及pc在h-s图上可查得整机的理想比焓降和有效比焓降=考虑了进汽机构的节流损失后，可求得调节级前的蒸汽状态点“1”考虑了排汽管压损和末级的余速损失后，可得末级动叶蒸汽状态点“4”，末级余速损失可由下式近似的估计：凝汽式汽轮机热力过程曲线的拟定方法为：用直线连接“1”、“4”两点，求出中点“2′”，并在“2′”点沿等压线向下移12—15（kJ/kg）距离求得“2”点。
通过“1”、“2”、“4”三点作光滑曲线，即为凝汽式汽轮机的近似热力过程线如图1（a）所示一般汽轮机厂常采用图1（b）的方法作近似热力过程曲线图1 凝汽式汽轮热力过程曲线的拟定4、蒸汽流量D0的初步估算：D0=3600Pem/（kg/h）式中：m——考虑回热抽汽进汽量增大的系数；它与回热级数、给水温度及机组参数和容量有关；通常m=1.15—1.25△D——考虑阀杆漏汽和前轴封漏汽及保证发出经济功率的蒸汽余量；通常△D =(3～5)%D0 （kg/h）二、回热系统热平衡初步估算1． 给水回热参数确定提高机组循环效率的重要措施是采用回热循环，即在汽轮机中采用多级抽汽，逐级加热给水，使凝结水在进入锅炉以前先加热到一定的温度在分析回热系统时，需要选择确定给水温度、抽汽级数以及加热器端差和抽汽管道压损通常用较高的给水温度，增多抽汽级数，降低加热器的端差及抽汽管道的压损，都能提高循环效率，但也增大了投资费用因此，必须通过技术经济比较，合理确定这些参数现将根据实践经验及一些分析的结论简述如下：（a）温度tfw：在其它条件不变时，回热级数越多，给水温度越高，循环效率也将。