汽轮机课程设计报告书--透平机械原理课程设计.docx

军工路男子职业技术学院

课程设计报告书

课 程 名 称： 透平机械原理课程设计
院（系、部、中心）： 能源与动力工程学院
专 业： 能源与动力工程
班 级： 2013级
姓 名：
学 号：
起 止 日 期： 2016.12.19---2017.1.6
指 导 教 师：

前 言
我校研究的透平机械主要是是以水蒸汽为工质的旋转式动力机械，即汽轮机，常用于火力发电。汽轮机通常与锅炉、凝汽器、水泵等一些列的设备、装置配合使用，将燃煤热能通过转化为高品质电能。与其它原动机相比，汽轮机机具有单机功率大、效率高、运转平稳和使用寿命长等优点，但电站汽轮机在体积方面较为庞大。
汽轮机的主要用途是作为发动机的原动机。与常规活塞式内燃机相比，其具有输出功率稳定、功率大等特点。在使用化石燃料的现代常规火力发电厂、核电站及地热发电站中，都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组，这种汽轮机具有转速一定的特点。汽轮机在一定条件下还可变转速运行，例如驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，我国第一艘航母“辽宁号”就是以汽轮为原动机。汽轮机的排汽或中间抽气还可以用来满足工业生产（卷烟厂、纺织厂）和生活（北方冬季供暖、宾馆供应热水）上的供热需要。在生产过程中有余能、余热的工厂企业中，还可以用各种类型的工业汽轮机（包括发电、热电联供、驱动动力用），使用不同品位的热能，使热能得以合理且有效地利用。
汽轮机与锅炉（或其他蒸汽发生装置，比如核岛）、发电机（或其他被驱动机械，比如泵、螺旋桨等）、 凝汽器、加热器、泵等机械设备组成成套装置，协同工作。具有一定温度和压力的蒸汽可来自锅炉或其他汽源，经主汽阀和调节汽阀进入汽轮机内，依次流过一系列环形安装的喷嘴栅（或静叶栅）和动叶栅而膨胀做功，将其热能转换成推动汽轮机转子旋转的机械功，通过联轴器驱动其他机械，如发电机。膨胀做功后的蒸汽由汽轮机的排汽部分排出。在火电厂中，其排气通常被引入凝汽器，向冷却水或空气放热而凝结，凝结水再经泵输送至加热器中加热后作为锅炉给水，循环工作。

目 录
前 言 2
目 录 3
一、课程设计任务书 5
1.1 设计题目 5
1.2 已知参数 5
1.3 任务与要求 5
二、汽轮机近似热力过程线的拟定及汽轮发电机组经济指标的初算 6
2.1 汽轮机近似热力过程线的拟定 6
2.1.1 进汽压力损失的初步估计 6
2.1.2 选取机组的相对内效率、发电效率和机械效率 6
2.1.3 近似热力过程曲线的初步拟定 6
2.2 汽轮机总蒸汽量D0的估算 6
2.3 汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算 7
2.4 整机相对内效率 7
三、焓降分配与级数确定 8
3.1 第一级平均直径的估计 8
四、级的热力设计 9
4.1 调节级选型 9
4.2 调节级热力参数的选择 9
4.3 调节级详细热力计算 9
4.4其它压力级的详细计算 11
五、整机热力性能校核 13
5.1 功率校核 13
5.2 相对内效率校核 13
六、转子临界转速强度校核 14
6.1 转子临界转速计算 14
6.2 叶片强度校核 14
6.3 叶根强度校核 15
6.4 轮缘强度计算 16
七、轴封漏气量计算 18
7.1 高压端轴封漏汽 18
7.2 低压端轴封漏汽 18
八、整机热力过程线和压力级速度三角形汇总 20
8.1整机热力过程线 20
8.2压力级速度三角形汇总 21
九、热力计算数据汇总表 22
十、各级叶片型号及参数汇总 23
参考文献 24

一、课程设计任务书
1.1 设计题目
冲动式机轮机通流部分热力设计

1.2 已知参数
额定功率：Pe=350kw
额定转速：n=10000r/min
进汽压力：P0=2.45MPa
进气温度：t0=3900c
排汽压力：Pc=0.50MPa

1.3 任务与要求
１．汽轮机近似热力过程线的拟定及汽轮发电机组经济指标的初算
１．1 汽轮机热力过程线的拟定 ；
１．2 汽轮机总蒸汽量D0的估算 ；
１．3 汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算
２．调节级的热力设计 ；
２．1调节级选型；
２．2调节级热力参数的选择；
２．3调节级详细热力计算;
3 ．整机热力性能校核
4 ．整机热力过程线和压力级速度三角形汇总
5 ．热力计算数据汇总表
6 ．设计小结

二、汽轮机近似热力过程线的拟定及汽轮发电机组经济指标的初算
2.1 汽轮机近似热力过程线的拟定
2.1.1 进汽压力损失的初步估计
进汽节流损失：
ΔP=0.05*P0=0.1225MPa
进汽前压力：
P1=P0-ΔP=2.3275MPa
2.1.2 选取机组的相对内效率、发电效率和机械效率
由于汽轮发电机组的额定功率：Pr=350kw ,所以取汽轮机相对内效率: ηri=0.73，发电机效率ηg=0.970 (全负荷)，机械效率ηm=0.987
2.1.3 近似热力过程曲线的初步拟定
由P0=2.45MPa，t0=3900c，确定初始状态点“0”，
查表知
h0=3216.88kJ/kg, s0=6.7kJ/(kg.K)
节流后
h1=h0=3216.88kJ/kg, P1=2.3275MPa
确定点“1”。
过“0”点做定熵线与Pc=0.50MPa的定压线交于“z”点，
查表知
hzt=2827.37kJ/kg, tzt=187.2470c
整机理想焓降
Δht*=h0-hzt=389.51kJ/kg
整机有效焓降
Δhi*=ηriΔht*=280.45kJ/kg
从而确定“z’”点的比焓为
Hz’*=h0-Δhi*=2936.43kJ/kg
然后过“z’”作等焓线交过“z”的等压线于点2，过“1”、“2”点作光滑曲线即为汽轮机的近似热力过程线
2.2 汽轮机总蒸汽量D0的估算
由额定功率Pe、有效焓降Δhi*、机械效率ηm、发电机效率ηg，得

总蒸汽量D0为
D0==4.69t/h
2.3 汽轮发电机组汽耗率与热耗率的初算
发电机组汽耗率d0为
d0==13.4kg/(kW.h)
发电机组热耗率q0为
q0=d0×Δhi*=3758.03kJ/(kW.h)
2.4 整机相对内效率
整机相对内效率ηri为
ηri==0.73

三、焓降分配与级数确定
3.1 第一级平均直径的估计
假设第一级理想等熵焓降为Δh1*=250kJ/kg，α1=14.50
假想速度
Ca==707.11m/s
取假想速比
Xa=0.242
由
u=Xa×Ca=πdm1n/60
得节圆直径dm1=0.327m，根据式
G=πdm1l1eCasinα1/ν1
得叶高l1=0.019m
根据同样的方法，假设末级等熵焓降Δhz*=74.51kJ/kg,假设末级α1=11.20
计算出末级参数
dmz=0.380m ,lz=0.036m
假设汽轮机分为3 级，具体形式为一列双列复数级和两列压力级，双列复速级部分进汽度e=0.23，各级理想焓降分别为：
Δh1*=250kJ/kg、Δh2*=65kJ/kg、Δh3*=74.51kJ/kg
各节圆直径分别为：
dm1=0.327m、dm2=0.353m、dm3=0.380m
各级理想焓降与各节圆直径沿级数方向变化趋势见图2-1、2-2：

图2-1 各级理想焓降沿级数方向变化趋势 图2-2 各节圆直径沿级数方向变化趋势

四、级的热力设计
4.1 调节级选型
由于整机绝热焓降较大，整机级的设计选择调节级加压力级的形式。由于双列复速级具有可以承担较大焓降这一优点，故调节级确定为双列复速级。

4.2 调节级热力参数的选择
调节级承担绝热焓降Δh1s为
Δh1s=250kJ/kg
调节级进口参数
h1=3216.88kJ/kg， P1=2.3275MPa
查表可知
s1=7.023kJ/(kg.K)， ν1=0.12765m3/kg
其它已知参数：喷嘴速度系数φ=0.947，动叶一速度系数ψ=0.91，导叶速度系数φ'=0.94，动叶二速度系数ψ'=0.97
第一列动叶反动度Ω1=0.02，导叶反动度Ω2=0.05，第二列动叶反动度Ω3=0.02，总反动度Ω=0.09.
4.3 调节级详细热力计算
（以下公式均来自与《汽轮机原理》-王新军P38与P40页）
喷嘴理想焓降
Δhns=（1-Ω）×Δh1s=227.5kJ/kg
喷嘴速度
C1s==674.54m/s
C1=φ×C1s=638.79m/s

喷嘴能量损失
Δhnξ=（1-φ2）Δhns=23.48kJ/kg
圆周速度
u=πdm1n/60=171.14m/s
相对汽流速度
w1==475.36m/s
静叶出汽角
β1=actan=20.120
动叶一理想比焓降
5 kJ/kg
动叶出口气流相对速度

动叶一损失

动叶一出口绝对气流速度

动叶一出口相对气流角
0
导叶出口绝对气流速度

导叶损失

动叶二进口相对汽流速度

动叶二进口相对汽流角

动叶二理想比焓降

动叶二出口汽流相对速度

动叶二损失

动叶二出口汽流绝对速度

动叶二出汽角

余速损失

轮周有效焓降

轮周效率

叶高损失

叶轮摩擦损失、漏气损失、湿汽损失忽略不计
级有效比焓降

级的相对内效率

级的内功率

4.4其它压力级的详细计算
其他各压力级计算过程与第一级相同。用EXCEL 软件计算。过程不再书写，只将各级计算的结果列于表中。

表4-1 其他各压力级计算

五、整机热力性能校核
5.1 功率校核
汽机额定功率
Pe=350kw
由本说明书4.4节可知汽机实际运行功率
Pr=358.07
偏差
Δ=
汽机运行功率满足要求
5.2 相对内效率校核
预估汽机相对内效率
ηri=0.73
由本说明书4.4节可知汽机实际运行时相对内效率
ηrir=0.749
偏差
Δ=
汽机相对内效率满足要求

六、转子临界转速强度校核
6.1 转子临界转速计算
转子材料选用30Cr1Mo1V，于网上找到其物性参数，具体如下所示：
转子密度
ρ=7760kg/m3
转子弹性模量
E=192GPa
惯性矩

转子横截面积

转子一阶临界转速

转子转速低于材料允许的一阶临界转速，转子转速满足要求。
6.2 叶片强度校核
由于末级叶片动叶处于汽轮机工况最为恶劣的地方，故只需校核第二列压力级动叶强度。若其承受应力小于许用应力，则认为其强度达到要求。具体校核步骤如下所示：
叶片选用材料：1Cr13
材料密度
ρ=7760kg/m3
屈服强度
σ0.2t=420MPa
许用应力

动叶离心拉应力

动叶在圆周方向承受的作用力

动叶在轴向方向承受的作用力

动叶气流力合力

动叶底部截面弯矩

查阅《汽轮机设计课程参考资料-苏字叶型》P156页可知
动叶截面系数

动叶进出口截面应力

动叶背部截面应力

动叶进出口截面合成应力

动叶背部截面合成应力

由上述计算可知，末级动叶片承担的最大应力小于许用应力，叶片强度满足使用条件。
6.3 叶根强度校核
由于末级叶片动叶处于汽轮机工况最为恶劣的地方，故只需校核第二列压力级动叶叶根强度。若其承受应力小于许用应力，则认为其强度达到要求。
末级承担焓降较大，叶根型式考虑使用叉型叶根。叉型叶根具体形式为双叉双铆钉。如图6-1所示。具体校核步骤如下所示：
叶根底部截面到叶根I-I截面的距离
a=0.015
截面I-I处的半径

i-i截面上的离心拉力
C1==5569.24N/m

叶根叉数
ZH=2
铆钉直径
d=0.005m
每叉宽度
b=0.05
叶片数目
ZH=56
偏心距
E=0.0005
截面I-I处叶片节距

叶根I-I截面上的离心拉应力

叶根I-I截面系数

汽流力产生的弯矩和弯应力

偏心引起的弯矩及弯应力

叶根I-I截面合成应力

叶根承受应力小于许用应力，叶根强度满足使用条件

图6-1 叉形叶根
6.4 轮缘强度计算
汽机末级位置处的轮缘承担了最大的应力。故只需校核末级位置处的轮缘强度即可。
截面Ⅱ-Ⅱ处的半径
R2=0.123m
截面Ⅱ-Ⅱ以上的轮缘部分的离心力
Crim=
轮缘宽度
b1=0.075m
轮周上一排铆钉数目
Zr=56
轮缘承受拉应力

轮缘承受应力小于许用应力，轮缘强度满足使用需要。

七、轴封漏气量计算
本汽轮机采用迷宫式轴封，平齿，如图7-1，取d=0.1m。

图7-1 迷宫式轴封示意图
齿间距s=0.01m；齿宽Δ=0.001m；齿高h=0.003；颈项间隙δ=0.0003m
（以下计算均按照王新军-《汽轮机原理》P106、P107有关内容进行。）
7.1 高压端轴封漏汽

又由知
达到临界时的临界齿数为z=3
假设总漏气量为

高压端漏气量

根据

可得

7.2 低压端轴封漏汽

根据

可知，达到临界时的临界齿数为z=2
低压端漏气量

根据

可得

根据轴封齿数复求高压端、低压端漏气量，有

总漏气量

满足要求

八、整机热力过程线和压力级速度三角形汇总
8.1整机热力过程线
将各关键位置处的焓值与熵值输入EXCEL中，利用EXCEL强大的计算与绘图能力得到较为真实的的热力过程线，如下图6-1所示。

图6-1实际热力过程线

图6-2 各级焓降变化示意图
8.2压力级速度三角形汇总
8.2.1 第一压力级速度三角形

图7-1 第一压力级速度三角形
8.2.2 第二压力级速度三角形

图7-2 第二压力级速度三角形

九、热力计算数据汇总表

十、各级叶片型号及参数汇总

参考文献
[1] 王新军.李亮.汽轮机原理.西安：西安交通大学出版社.2013.
[2] 冯慧雯.汽轮机课程设计参考资料[M].水利电力出版社.1992.
[3] 韩中合等.火电厂气机设备运行.北京：中国电力出版社.2002.8.
[4] 曹祖庆.汽轮机的变工况特性[M].北京：水利电力出版社.1992.
1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究
8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统
10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
14. 基于单片机的自动找平控制系统研究
15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发
17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现
18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制
19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制
21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制
22. 基于单片机的软起动器的研究和设计
23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
24. 基于单片机的机电产品控制系统开发
25. 基于PIC单片机的智能手机充电器
26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究
27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
29. 基于微型光谱仪的单片机系统
30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制
35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制
36. 基于单片机的数字磁通门传感器
37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究
38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制
40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪
41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
42. Pico专用单片机核的可测性设计研究
43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究
46. 基于单片机的轮轨力检测
47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现
48. 基于单片机的电液伺服控制系统
49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制
50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究
51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究
52. 单片机控制的后备式方波UPS
53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究
56. 基于单片机的多通道数据采集系统
57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
58. 基于单片机的红外测油仪的研究
59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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