課程設(shè)計（論文）某型汽輪機最末級的倒序法變工況熱力核算

1、電氣工程學院課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱：某型汽輪機最末級的倒序法變工況熱力核算專業(yè)、班級： 指導教師： 2011年7月7日至2011年7月15日共2周 一、概述汽輪機作為電廠運行的重要設(shè)備之一，是能量從熱能轉(zhuǎn)變的機械能的部件，它的效率乃至正常工作也決定的電廠的效益；它的工作效率隨著電力需求的迅速增長，電力負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)電機組的工況必須隨著電力負荷的變化而變化。所以發(fā)電機組常常需要偏離設(shè)計工況運行。作為發(fā)電機組的原動機，汽輪機也必然受到變工況運行的影響。汽輪機在變工況下運行時，通過汽輪機的蒸汽流量或蒸汽參數(shù)將發(fā)生變化，汽輪機的某些級或全部級的反動度、級效率也

2、隨之發(fā)生變化。為了估計汽輪機在新工況下的經(jīng)濟性和可靠性，有必要對新工況進行熱力核算。汽輪機整機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熱力核算任務(wù)有重要意義。汽輪機在變工況在工作時，沿流通部分各級的蒸汽流量、噴嘴冬夜前后的氣溫、氣壓即濕度將偏離設(shè)計值，使零部件的受力情況、軸向推力、效率、出力發(fā)生變化。此外，汽輪機在啟?；蜇摵蓜×易儎訒r，可能在零部件中產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，引起金屬材料疲勞損壞，影響機組的安全可靠和經(jīng)濟運行。由于變工況熱力計算能獲得各級的狀態(tài)參數(shù)、理想比焓降、反動度、效率、出力等較為詳盡的數(shù)據(jù)，這就為強度分析、推力計算以及了解效率及出力變化提供了科

3、學的參考依據(jù)。因此，變工況熱力核算常成為了解機組運行情況、預測設(shè)備系統(tǒng)改進所產(chǎn)生的效果，乃至分析事故原因的重要手段。 汽輪機熱力核算有很多種方法：1、根據(jù)計算準確度的要求不同，熱力核算可采用詳細的熱力核算，也可以采用近似的算法。本次設(shè)計要求的是單級的詳細熱力核算。2、由給定的不同的原始條件，單級的詳細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。順序算法以給定的級前狀態(tài)為起點，由前向后計算；倒序算法則以給定的級后狀態(tài)為起點，由后向前計算。混合算法中，每級都包含若干輪先是順序的混合計算，只有當?shù)剐蚺c順序的計算結(jié)果相符時，級的核算才可以結(jié)束，然后逐級向前推進。本

4、設(shè)計采用以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最末級進行詳細的變工況熱力核算。原始數(shù)據(jù)：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m=0.574，級前余速動能，噴嘴速度系數(shù)=0.97，噴嘴出汽角1=1820，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2=3254。變

5、工況條件：g1=40.32kg/s，p21= p2=0.0046mpa，h21=2311 kj/kg。二、設(shè)計工況下的熱力核算2-1、噴嘴葉柵熱力計算根據(jù)已知條件：級前壓力 =0.0134mpa ，級前干度=0.903查水蒸汽性質(zhì)計算軟件得 ： =2363.56 kj/kg=7.3363 kj/(kg),=10.060265m3/kg,同理，由 p2=0.0046 mpa,級后干度 x2=0.866查得 ： =7.356 kj/(kg)=2232.95 kj/kg =26.4070899 m3/kg 假定蒸汽在本級的過程為等熵過程, =0.0046 mpa，=7.3363 kj/(kg) 查得

6、：=2226.97 kj/kg, =26.3318655 m3/kg 從而得整個末級的理想比焓降：由已知級前余速動能: 從而得末級的理想滯止比焓降:由已知反動度: 噴嘴前的滯止參數(shù)為:噴嘴理想焓降噴嘴出口理論流動速度： 噴嘴出口實際流動速度： 動葉前滯止焓： 噴嘴損失：由=7.3363 kj/(kg)查得：=0.01453864mpa， =9.35155 m3/kg，=0.9062噴嘴截面形狀計算：經(jīng)驗系數(shù): 臨界壓比： 對于過熱蒸汽 噴嘴后的參數(shù)： ，=0.8879噴嘴前后壓比： 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于p1噴嘴出口理論流動速度： 噴嘴出口實際

7、流動速度： m/s動葉理想比焓降 由h1、p1查得，s1=7.348 kj/(kg)，v1=14.333459 m3/kg，x1=0.8894從而： 從而求得隔板漏汽量： 隔板漏汽損失： kj/kg 2-2、動葉柵熱力計算 由于為亞音速流動，所以噴嘴出口汽流出口角=噴嘴出汽角1=18020，且由已知圓周速度u =314m/s，噴嘴出口實際速度c1=344.03m/s做出動葉的出口三角形：c21121u1u2c112圖1-2 求得： 動葉進口汽流能量： 查附圖可得動葉速度系數(shù)=0.95 由題已知：2= 3254，有出口速度三角形得： 動葉柵損失：從而： 查得：s2=7.3775 kj/(kg)，

8、v2=26.4896541 m3/kg，x2=0.8687由動葉蒸汽流量： 所以在動葉為超音速狀態(tài)，即蒸汽在動葉的流動為超音速流動，則： 由h1*與s1查得：p1*=0.00947265 mpa ，v1*=13.7575355 m3/kg 臨界壓比： 臨界相對速度： 動葉進口焓：由與查得： 動葉漏汽損失：葉頂漏汽損失： 級內(nèi)有效比焓降：由動葉柵進口高度:已知,由書p37表2-3查得：d ，d ，得到： 動葉出口高度： e=1 輪周功及輪周效率通過輪周有效比焓降計算輪周效率： 輪周效率： 級內(nèi)各項損失計算： 葉高損失： 摩擦耗功： 其中,用能量表示摩擦損失： 因為是最末級為全周進汽， 所以 部分

9、進汽損失 為零 葉輪摩擦損失：葉頂漏汽損失： 濕汽損失： 級有效比焓降： 級的內(nèi)效率: 三、變工況下熱力校核計算 因流量、負荷等參數(shù)的該變，汽輪機處于新工況下運行，由于偏離設(shè)計工況，汽輪機的安全型經(jīng)濟性會發(fā)生很大的下降，甚至發(fā)生危險，造成事故。所以汽輪機變工況原始數(shù)據(jù)確定排汽狀態(tài)點和動葉出口狀態(tài)點：流量g=33.6kg/s，噴嘴平均直徑dn=2.004m，動葉平均直db=2.0mp0=0.0134mpa，級前干度x0=0.903，噴嘴下熱力校核至關(guān)重要圓周速度u1=314.6m/s，動葉圓周速度u2=314m/s，反動度m=0.574，級前余速動能hc0=11.05kj/kg，噴嘴速度系數(shù)=0

10、.97，噴嘴出汽角1=1820，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2=3254。變工況條件：g1=40.32kg/s，p21= p2=0.0046mpa，h21=2311 kj/kg。3-1、確定排汽狀態(tài)點和動葉出口狀態(tài)點由原始數(shù)據(jù)由在h-s圖上求得排汽狀態(tài)點1，如圖68所示，得，在進行核算前，用近似法估算設(shè)計工況下：動葉出口處音速為： 其中 而,可知末級動葉片出口是超臨界的。變工況下，流量增大，則動葉出口速度更是超音速。因此，可用壓力與流量成正比的關(guān)系求出為

11、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： ；葉輪摩擦損失：葉高損失： 漏汽損失：（式中 (kj/kg)是估計mpa到mpa之間的理想焓降。）濕汽損失 余速損失 (kj/kg)上列式中均是估計值。損失之和 在h-s圖上，由點k沿等壓線截取，則得動葉實際出口狀態(tài)點j，有.3-2、動葉的計算：從k點的比焓沿等壓線減去便得到j(luò)，點j表示動葉的出口狀態(tài)點。由該點的比焓和壓力利用基本函數(shù)關(guān)系便可以算出該點的其他未知參數(shù)量、和用動葉出口的連續(xù)性方程算出蒸汽在動葉出口處的相對速度以及馬赫數(shù)欲求動葉出口實際速度，考慮到動葉出口速度是超臨界的，不能使用連續(xù)性方程，為此需先求取動葉喉部的臨界壓力.

12、。為求 可作假想過程線,并在及其相應(yīng)的，假定這些點為臨界值，按下式計算。 式中，按上式求出數(shù)據(jù)如下表所示數(shù)據(jù)。表1（p2）cr (mpa)0.00490.0054000590.00686（kg/cm2）1/251/22.51/21.51/18.2(kg/m2 s）14.816.417.5520.57由上表數(shù)據(jù)，作出與的關(guān)系曲線，如圖所示， 當時，查圖得并且在h-s圖上查得，此時 動葉實際出口速度：式中是由到間的有效焓降。 動葉出口偏轉(zhuǎn)角： 又那么。 作動葉出口速度三角形，由速度三角形求出或按下式求: (m/s) 校核余速損失：（kj/kg）,與原估計值kj/kg相差1.9084kj/kg 因此

13、，等，均不必用再做計算. 動葉損失 沿線，由點j向下截取，得點g， , 動葉滯止理想焓降. 由動葉出口理想狀態(tài)點g向上，得動葉進口滯止狀態(tài)點.估計動葉理想焓降： 式中取設(shè)計值。由點g垂直向上截取,得動葉進口狀態(tài)點f,查得 =0.01002mpa，與估計值較接近，=kg/,=0.9027. 校核動葉假想過程線無誤，不需重新擬定。3-3、噴嘴柵的計算 暫不考慮撞擊損失，因其數(shù)值小，影響不大，則可認為點f即是噴嘴出口的蒸汽狀態(tài)點。初算噴嘴出口實際速度：噴嘴出口處音速：式中。 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，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。 重新定

14、點f，由點g垂直向上取得點f，此時，=0.010125mpa，=。求噴嘴喉部的臨界壓力。 作噴嘴假想過程線，并在其上取點d，d,查得 ,之值，再按下式求。 圖表法計算結(jié)果如表2所示。當=30.52kg/（）時，由圖查得=0.0106mpa，由h-s圖表2（mpa）0.01050.01150.012（kg/）（kg/)30.1832.8834.3 按表2的數(shù)據(jù)作曲線 查得=kg/。計算汽流偏轉(zhuǎn)角： 則 偏轉(zhuǎn)角 由動葉進口速度三角形。校核=97.67（kj/kg）此值與相差1.89kj/kg誤差小于2%，則以 =97.67kj/kg為最后確定值，計算撞擊損失：則沖角。撞擊損失沿線由點f向下截取=0

15、.353kj/kg得噴嘴實際出口狀態(tài)點d（實際上因0.353值很小，點f與點d重合),.噴嘴損失 沿線由點f向下截取5kj/kg，得噴嘴出口理想狀態(tài)點c，查得=2345.807kj/kg。估算噴嘴理想焓降： 式中取設(shè)計值，待對上一級進行變工況計算后，才能對此值進行校核。 由點c向上截取=71kj/kg，得噴嘴進口狀態(tài)點b，此時，=0.016mpa(與估算值接近），。取等于設(shè)計值，即=11.05kj/kg，由點b垂直向上截取11.02kj/kg，得噴嘴進口滯止狀態(tài)點a。查得。3-4、級的功率與效率計算 ： 級的理想能量=82.05+97.64=179.7（kj/kg）輪周焓降: =179.7-5

16、-10.75-37.21-0.27=126.47（kj/kg）輪周效率=0.7038校核各項損失：葉高損失： (kj/kg）摩擦損失：漏氣損失：=0.0477（kj/kg）級平均干度：=0.8995 濕氣損失：=13.09（kj/kg） 損失和： 49.737kj/kg 與最初估算值=47.3 kj/kg相差不大 以為準。級的有效比焓降： 級內(nèi)效率： 0.6379 內(nèi)功率： 4622kw變工況后功率增加： 940.745 kj/kg四、分析和討論設(shè)計工況和變工況比較：序號名稱設(shè)定工況下變工況下1反動度2葉高損失3摩擦損失4濕汽損失5平均干度6漏氣損失7級有效比焓降7輪周效率8級內(nèi)效率 9級內(nèi)功

17、率比較我們可以看到，當汽輪機在變工況下運行時，由于參數(shù)偏離設(shè)計工況，汽輪機的輪周效率、級效率都偏低，反動度減小，但相對的多種損失增加，漏氣損失卻減少，由于流量的增加級內(nèi)功率相應(yīng)增加。汽輪機再設(shè)計工況下效率最高。偏離設(shè)計工況，效率就會降低，并且符合變化越大效率降低越多。由上可知級有效比焓降增大，即（m1）則級的速度比減小。這五、結(jié)論 種情況下，從動葉通道出口的流量大于動葉進口的流量，也不滿足動葉通道中的連續(xù)性。為了嗎，滿足蒸汽在動葉通道中的連續(xù)性，則一定是動葉出口速度相應(yīng)有所減小，也就是級的反動度減小了。每一種葉柵都有一定的幾何進汽角，設(shè)計工況下，汽流進入動葉的進汽角與動葉的幾何進汽角相匹配，汽流能平滑的進入動葉通道，葉型損失最小。 變工況時，汽輪機的比焓降會發(fā)生變化，引起動葉進口速度三角形發(fā)生變化，相應(yīng)的汽流相對速度的大小和方向也會發(fā)生變化。這樣，汽流將對動葉的進氣邊的內(nèi)弧或外弧產(chǎn)生撞擊，不利于安全運行。當流量增大時，末級前壓力升高，而末級級后壓力受凝汽器的控制近乎不變，則級的比焓降增大，級后壓力增大。末級動靜葉所受的汽流作用力增大。因此，在變工況時，必須地調(diào)節(jié)級和末級動靜葉片所受的汽流力進行核算，以保證機組的安全性。避免發(fā)生事故。參考文獻1 馮慧雯，汽輪機課程設(shè)計參考資料，中國電力出版社，1