课程设计（论文）某型汽轮机最末级的倒序法变工况热力核算

电气工程学院课程设计任务书课题名称：某型汽轮机最末级的倒序法变工况热力核算专业、班级： 指导教师： 2011年7月7日至2011年7月15日共2周 一、概述汽轮机作为电厂运行的重要设备之一，是能量从热能转变的机械能的部件，它的效率乃至正常工作也决定的电厂的效益；它的工作效率随着电力需求的迅速增长，电力负荷的多样性及可变性在所难免，而电能的不可储藏性决定了发电机组的工况必须随着电力负荷的变化而变化。所以发电机组常常需要偏离设计工况运行。作为发电机组的原动机，汽轮机也必然受到变工况运行的影响。汽轮机在变工况下运行时，通过汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数将发生变化，汽轮机的某些级或全部级的反动度、级效率也随之发生变化。为了估计汽轮机在新工况下的经济性和可靠性，有必要对新工况进行热力核算。汽轮机整机变工况热力核算是建立在单级核算基础上的，因此研究单级热力核算对于顺利完成整机热力核算任务有重要意义。汽轮机在变工况在工作时，沿流通部分各级的蒸汽流量、喷嘴冬夜前后的气温、气压即湿度将偏离设计值，使零部件的受力情况、轴向推力、效率、出力发生变化。此外，汽轮机在启停或负荷剧烈变动时，可能在零部件中产生很大的热应力，引起金属材料疲劳损坏，影响机组的安全可靠和经济运行。由于变工况热力计算能获得各级的状态参数、理想比焓降、反动度、效率、出力等较为详尽的数据，这就为强度分析、推力计算以及了解效率及出力变化提供了科学的参考依据。因此，变工况热力核算常成为了解机组运行情况、预测设备系统改进所产生的效果，乃至分析事故原因的重要手段。 汽轮机热力核算有很多种方法：1、根据计算准确度的要求不同，热力核算可采用详细的热力核算，也可以采用近似的算法。本次设计要求的是单级的详细热力核算。2、由给定的不同的原始条件，单级的详细热力核算又分为顺序计算和倒序计算两种基本方法，以及将这两种算法结合起来的混合算法。顺序算法以给定的级前状态为起点，由前向后计算；倒序算法则以给定的级后状态为起点，由后向前计算。混合算法中，每级都包含若干轮先是顺序的混合计算，只有当倒序与顺序的计算结果相符时，级的核算才可以结束，然后逐级向前推进。本设计采用以给定的变工况后的级后状态为起点，由后向前计算的倒序法对某型汽轮机最末级进行详细的变工况热力核算。原始数据：流量G=33.6kg/s，喷嘴平均直径dn=2.004m，动叶平均直径db=2.0m，级前压力p0=0.0134Mpa，级前干度x0=0.903，喷嘴圆周速度u1=314.6m/s，动叶圆周速度u2=314m/s，反动度m=0.574，级前余速动能，喷嘴速度系数=0.97，喷嘴出汽角1=1820，喷嘴高度ln=0.665m，喷嘴出口截面积An=1.321m2；级后压力p2=0.0046Mpa，级后干度x2=0.866，动叶出口截面积Ab=2.275m2，动叶出汽角2=3254。变工况条件：G1=40.32kg/s，p21= p2=0.0046Mpa，h21=2311 kJ/kg。二、设计工况下的热力核算2-1、喷嘴叶栅热力计算根据已知条件：级前压力 =0.0134MPa ，级前干度=0.903查水蒸汽性质计算软件得 ： =2363.56 kJ/kg=7.3363 kJ/(kg),=10.060265m3/kg,同理，由 P2=0.0046 Mpa,级后干度 X2=0.866查得 ： =7.356 kJ/(kg)=2232.95 kJ/kg =26.4070899 m3/kg 假定蒸汽在本级的过程为等熵过程, =0.0046 Mpa，=7.3363 kJ/(kg) 查得：=2226.97 kJ/kg, =26.3318655 m3/kg 从而得整个末级的理想比焓降：由已知级前余速动能: 从而得末级的理想滞止比焓降:由已知反动度: 喷嘴前的滞止参数为:喷嘴理想焓降喷嘴出口理论流动速度： 喷嘴出口实际流动速度： 动叶前滞止焓： 喷嘴损失：由=7.3363 kJ/(kg)查得：=0.01453864Mpa， =9.35155 m3/kg，=0.9062喷嘴截面形状计算：经验系数: 临界压比： 对于过热蒸汽 喷嘴后的参数： ，=0.8879喷嘴前后压比： 所以蒸汽在喷嘴中的流动状态为亚音速流动，所以为渐缩喷嘴且喷嘴出口压力等于p1喷嘴出口理论流动速度： 喷嘴出口实际流动速度： m/s动叶理想比焓降 由h1、p1查得，s1=7.348 kJ/(kg)，v1=14.333459 m3/kg，x1=0.8894从而： 从而求得隔板漏汽量： 隔板漏汽损失： kJ/kg 2-2、动叶栅热力计算 由于为亚音速流动，所以喷嘴出口汽流出口角=喷嘴出汽角1=18020，且由已知圆周速度u =314m/s，喷嘴出口实际速度c1=344.03m/s做出动叶的出口三角形：c21121u1u2c112图1-2 求得： 动叶进口汽流能量： 查附图可得动叶速度系数=0.95 由题已知：2= 3254，有出口速度三角形得： 动叶栅损失：从而： 查得：s2=7.3775 kJ/(kg)，v2=26.4896541 m3/kg，x2=0.8687由动叶蒸汽流量： 所以在动叶为超音速状态，即蒸汽在动叶的流动为超音速流动，则： 由h1*与s1查得：p1*=0.00947265 MPa ，v1*=13.7575355 m3/kg 临界压比： 临界相对速度： 动叶进口焓：由与查得： 动叶漏汽损失：叶顶漏汽损失： 级内有效比焓降：由动叶栅进口高度:已知,由书P37表2-3查得：D ，D ，得到： 动叶出口高度： e=1 轮周功及轮周效率通过轮周有效比焓降计算轮周效率： 轮周效率： 级内各项损失计算： 叶高损失： 摩擦耗功： 其中,用能量表示摩擦损失： 因为是最末级为全周进汽， 所以 部分进汽损失 为零 叶轮摩擦损失：叶顶漏汽损失： 湿汽损失： 级有效比焓降： 级的内效率: 三、变工况下热力校核计算 因流量、负荷等参数的该变，汽轮机处于新工况下运行，由于偏离设计工况，汽轮机的安全型经济性会发生很大的下降，甚至发生危险，造成事故。所以汽轮机变工况原始数据确定排汽状态点和动叶出口状态点：流量G=33.6kg/s，喷嘴平均直径dn=2.004m，动叶平均直db=2.0mp0=0.0134Mpa，级前干度x0=0.903，喷嘴下热力校核至关重要圆周速度u1=314.6m/s，动叶圆周速度u2=314m/s，反动度m=0.574，级前余速动能hc0=11.05kJ/kg，喷嘴速度系数=0.97，喷嘴出汽角1=1820，喷嘴高度ln=0.665m，喷嘴出口截面积An=1.321m2；级后压力p2=0.0046Mpa，级后干度x2=0.866，动叶出口截面积Ab=2.275m2，动叶出汽角2=3254。变工况条件：G1=40.32kg/s，p21= p2=0.0046Mpa，h21=2311 kJ/kg。3-1、确定排汽状态点和动叶出口状态点由原始数据由在h-s图上求得排汽状态点1，如图68所示，得，在进行核算前，用近似法估算设计工况下：动叶出口处音速为： 其中 而,可知末级动叶片出口是超临界的。变工况下，流量增大，则动叶出口速度更是超音速。因此，可用压力与流量成正比的关系求出为确定动叶出口的蒸汽状态，而需要先估算变工况下级的几项损失： ；叶轮摩擦损失：叶高损失： 漏汽损失：（式中 (kJ/kg)是估计MPa到MPa之间的理想焓降。）湿汽损失 余速损失 (kJ/kg)上列式中均是估计值。损失之和 在h-s图上，由点K沿等压线截取，则得动叶实际出口状态点J，有.3-2、动叶的计算：从K点的比焓沿等压线减去便得到J，点J表示动叶的出口状态点。由该点的比焓和压力利用基本函数关系便可以算出该点的其他未知参数量、和用动叶出口的连续性方程算出蒸汽在动叶出口处的相对速度以及马赫数欲求动叶出口实际速度，考虑到动叶出口速度是超临界的，不能使用连续性方程，为此需先求取动叶喉部的临界压力.。为求 可作假想过程线,并在及其相应的，假定这些点为临界值，按下式计算。 式中，按上式求出数据如下表所示数据。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由上表数据，作出与的关系曲线，如图所示， 当时，查图得并且在h-s图上查得，此时 动叶实际出口速度：式中是由到间的有效焓降。 动叶出口偏转角： 又那么。 作动叶出口速度三角形，由速度三角形求出或按下式求: (m/s) 校核余速损失：（kJ/kg）,与原估计值kJ/kg相差1.9084kJ/kg 因此，等，均不必用再做计算. 动叶损失 沿线，由点J向下截取，得点G， , 动叶滞止理想焓降. 由动叶出口理想状态点G向上，得动叶进口滞止状态点.估计动叶理想焓降： 式中取设计值。由点G垂直向上截取,得动叶进口状态点F,查得 =0.01002Mpa，与估计值较接近，=kg/,=0.9027. 校核动叶假想过程线无误，不需重新拟定。3-3、喷嘴栅的计算 暂不考虑撞击损失，因其数值小，影响不大，则可认为点F即是喷嘴出口的蒸汽状态点。初算喷嘴出口实际速度：喷嘴出口处音速：式中。 因为，则汽流在喷嘴斜切部分发生偏转，但与相差很小，偏转角不大，故先暂不考虑偏转，先算出动叶实际出口速度，以便初步校核。 重新定点F，由点G垂直向上取得点F，此时，=0.010125Mpa，=。求喷嘴喉部的临界压力。 作喷嘴假想过程线，并在其上取点D，D,查得 ,之值，再按下式求。 图表法计算结果如表2所示。当=30.52kg/（）时，由图查得=0.0106Mpa，由h-s图表2（Mpa）0.01050.01150.012（kg/）（kg/)30.1832.8834.3 按表2的数据作曲线 查得=kg/。计算汽流偏转角： 则 偏转角 由动叶进口速度三角形。校核=97.67（kJ/kg）此值与相差1.89kJ/kg误差小于2%，则以 =97.67kJ/kg为最后确定值，计算撞击损失：则冲角。撞击损失沿线由点F向下截取=0.353kJ/kg得喷嘴实际出口状态点D（实际上因0.353值很小，点F与点D重合),.喷嘴损失 沿线由点F向下截取5kJ/kg，得喷嘴出口理想状态点C，查得=2345.807kJ/kg。估算喷嘴理想焓降： 式中取设计值，待对上一级进行变工况计算后，才能对此值进行校核。 由点C向上截取=71kJ/kg，得喷嘴进口状态点B，此时，=0.016Mpa(与估算值接近），。取等于设计值，即=11.05KJ/kg，由点B垂直向上截取11.02kJ/kg，得喷嘴进口滞止状态点A。查得。3-4、级的功率与效率计算 ： 级的理想能量=82.05+97.64=179.7（KJ/kg）轮周焓降: =179.7-5-10.75-37.21-0.27=126.47（kJ/kg）轮周效率=0.7038校核各项损失：叶高损失： (kJ/kg）摩擦损失：漏气损失：=0.0477（kJ/kg）级平均干度：=0.8995 湿气损失：=13.09（kJ/kg） 损失和： 49.737kJ/kg 与最初估算值=47.3 kJ/kg相差不大 以为准。级的有效比焓降： 级内效率： 0.6379 内功率： 4622kw变工况后功率增加： 940.745 kJ/kg四、分析和讨论设计工况和变工况比较：序号名称设定工况下变工况下1反动度2叶高损失3摩擦损失4湿汽损失5平均干度6漏气损失7级有效比焓降7轮周效率8级内效率 9级内功率比较我们可以看到，当汽轮机在变工况下运行时，由于参数偏离设计工况，汽轮机的轮周效率、级效率都偏低，反动度减小，但相对的多种损失增加，漏气损失却减少，由于流量的增加级内功率相应增加。汽轮机再设计工况下效率最高。偏离设计工况，效率就会降低，并且符合变化越大效率降低越多。由上可知级有效比焓降增大，即（m1）则级的速度比减小。这五、结论 种情况下，从动叶通道出口的流量大于动叶进口的流量，也不满足动叶通道中的连续性。为了吗，满足蒸汽在动叶通道中的连续性，则一定是动叶出口速度相应有所减小，也就是级的反动度减小了。每一种叶栅都有一定的几何进汽角，设计工况下，汽流进入动叶的进汽角与动叶的几何进汽角相匹配，汽流能平滑的进入动叶通道，叶型损失最小。 变工况时，汽轮机的比焓降会发生变化，引起动叶进口速度三角形发生变化，相应的汽流相对速度的大小和方向也会发生变化。这样，汽流将对动叶的进气边的内弧或外弧产生撞击，不利于安全运行。当流量增大时，末级前压力升高，而末级级后压力受凝汽器的控制近乎不变，则级的比焓降增大，级后压力增大。末级动静叶所受的汽流作用力增大。因此，在变工况时，必须地调节级和末级动静叶片所受的汽流力进行核算，以保证机组的安全性。避免发生事故。参考文献1 冯慧雯，汽轮机课程设计参考资料，中国电力出版社，19922 李维特、黄保海，汽轮机变工况热力计算，中国电力出版社，20013 黄树红 ，汽轮机原理，中国电力出版社，20084 翦天聪，汽轮机原理，中国电力出版社，19925 王乃宁，汽轮机热力设计，水利电力出版社，1987后记：经过两星期的努力，我们终于把这学期的课程设计做完，从开始的新奇，到后来的疲惫以至于看见电脑就会昏头通过不断地计算，校核加深对知识的系统化的学习，对变工况下汽轮机的参数变化与设计工况下的比较，在此过程中出现很多错误和缺陷，首先对知识的理解和贯通不够，所学知识太死板，所学的知识有很多的不足，才发现要学的还很多，应该踏踏实实的，戒骄戒躁。- 22 -