汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)

《普通高等教育"十二五"規(guī)劃教材·能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè):汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)(應(yīng)用型)》以電廠汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)為核心，主要介紹了汽輪機(jī)的工作原理、汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)、電廠回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)、多級(jí)汽輪機(jī)的熱力設(shè)計(jì)、變工況下汽輪機(jī)級(jí)的熱力核算、轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算、50MW和300MW機(jī)組熱力設(shè)計(jì)實(shí)例，并在光盤(pán)中附有熱力設(shè)計(jì)程序。

《普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材：汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)（應(yīng)用型）》可作為高等院校熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)參考教材，也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員參考。

前言

第一章汽輪機(jī)的工作原理

第一節(jié)汽輪機(jī)級(jí)的工作原理

第二節(jié)多級(jí)汽輪機(jī)

第三節(jié)汽輪機(jī)的變工況

第二章汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)

第一節(jié)汽輪機(jī)定子結(jié)構(gòu)

第二節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

第三章給水回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)

第一節(jié)給水回?zé)峒訜崞?

第二節(jié)給水回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)

第四章汽輪機(jī)的熱力計(jì)算

第一節(jié)汽輪機(jī)基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)的選擇

第二節(jié)熱力過(guò)程線(xiàn)的擬定

第三節(jié)回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡的初步計(jì)算

第四節(jié)汽輪機(jī)漏汽量的計(jì)算

第五節(jié)調(diào)節(jié)級(jí)的選擇及計(jì)算

第六節(jié)壓力級(jí)的級(jí)數(shù)確定與比焓降分配

第七節(jié)逐級(jí)詳細(xì)計(jì)算

第五章汽輪機(jī)變工況熱力核算

第一節(jié)概述

第二節(jié)壓力級(jí)的倒序算法

第三節(jié)壓力級(jí)的順序算法

第四節(jié)壓力級(jí)混合算法

第五節(jié)調(diào)節(jié)級(jí)變工況核算

第六節(jié)整機(jī)變工況熱力核算

第六章轉(zhuǎn)子的軸向推力計(jì)算

第一節(jié)軸向推力的組成及計(jì)算方法

第二節(jié)推力軸承的安全系數(shù)

第三節(jié)計(jì)算舉例

第七章汽輪機(jī)的熱力計(jì)算實(shí)例

第一節(jié)50MW汽輪機(jī)熱力計(jì)算

第二節(jié)300MW汽輪機(jī)熱力計(jì)算

附錄A計(jì)算中常用的數(shù)據(jù)與曲線(xiàn)

附錄B計(jì)算用參考資料

參考文獻(xiàn) 2100433B

多級(jí)汽輪機(jī)從原理上說(shuō)是將若干個(gè)單級(jí)串聯(lián)在一根機(jī)軸上。這樣，雖然蒸汽在汽輪機(jī)中總的等熵焓降很大(有時(shí)達(dá)2000kJ/kg)，但在各級(jí)中順序膨脹，每級(jí)的等熵焓降可減小到合理的程度，使各級(jí)都能在較理想的速度比下工作，獲得較高的效率。多級(jí)汽輪機(jī)的軸向長(zhǎng)度比多列速度級(jí)大。

多級(jí)汽輪機(jī)在船舶上多用作推進(jìn)裝置的主機(jī)，或用作經(jīng)濟(jì)性要求較高的大型輔機(jī)的原動(dòng)機(jī)(如船舶電站汽輪機(jī))。

多級(jí)汽輪機(jī)在船舶上有多種形式的組合。常見(jiàn)的有兩大類(lèi)：

(1)沖動(dòng)式多級(jí)汽輪機(jī)：其中第一級(jí)常用復(fù)速級(jí)作為調(diào)節(jié)級(jí)(有的也用單級(jí)沖動(dòng)級(jí))，其后由若干個(gè)沖動(dòng)級(jí)、純沖動(dòng)級(jí)或復(fù)速級(jí)組成非調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)組。為了提高效率，各級(jí)常帶有不大的反動(dòng)度。

(2)混合式多級(jí)汽輪機(jī)：它有兩種形式：一種是第一級(jí)為復(fù)速級(jí)或單級(jí)沖動(dòng)級(jí)，其后由若干個(gè)反動(dòng)級(jí)組成非調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)組；另一種形式是第一級(jí)是復(fù)速級(jí)，而非調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)組由若干個(gè)沖動(dòng)級(jí)和若干個(gè)反動(dòng)級(jí)組成。

作為船舶主機(jī)的多級(jí)汽輪機(jī)由于級(jí)數(shù)多，常分成高、低壓缸汽輪機(jī)，平行配置，共同驅(qū)動(dòng)減速器的第一級(jí)大齒輪。也有以高、中、低壓三缸汽輪機(jī)組成的船舶主機(jī)。

多級(jí)汽輪機(jī)中，如級(jí)組的等熵焓降一定，則由反動(dòng)級(jí)組成的級(jí)數(shù)，遠(yuǎn)較由沖動(dòng)級(jí)組成的級(jí)數(shù)為多 。2100433B

半速汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性比較

1.熱效率比較

在機(jī)組入口參數(shù)(主蒸汽壓力、溫度、濕度、流量)確定的情況下，汽輪機(jī)的效率主要取決于通流部分效率和排汽損失等。

(1)通流部分效率

在現(xiàn)代汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中，由于使用現(xiàn)代流體力學(xué)計(jì)算技術(shù)和采用三維優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了各項(xiàng)損失，使汽輪機(jī)通流部分效率有明顯的提高。無(wú)論是全速汽輪機(jī)還是半速汽輪機(jī)，對(duì)通流部分效率的提高已經(jīng)接近了開(kāi)發(fā)極限。相比而言，由于葉片較長(zhǎng)、級(jí)數(shù)減少等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，半速汽輪機(jī)通流部分效率比全速汽輪機(jī)高一些。

(2)排汽損失

在蒸汽流量一定情況下，排汽面積越大，余速越低，余速損失越小。所以要減少余速損失，就需要較長(zhǎng)的汽輪機(jī)末級(jí)葉片，以增大排汽面積。半速汽輪機(jī)由于末級(jí)葉片可以設(shè)計(jì)得比較長(zhǎng)，能夠提供較大的排汽面積，從而減少了排汽損失，提高了汽輪機(jī)的熱效率。分析結(jié)果表明，排汽余速損失約為40 kJ/kg，機(jī)組的熱力循環(huán)效率最好。另外轉(zhuǎn)速降低，減少了濕蒸汽對(duì)葉片的侵蝕，改善了蒸汽的流動(dòng)特性，從而也提高了熱效率。

2.百萬(wàn)千瓦級(jí)核電汽輪機(jī)熱效率

根據(jù)世界上各大核電汽輪機(jī)制造商的介紹情況，百萬(wàn)千瓦級(jí)核電半速汽輪機(jī)熱效率比全速汽輪機(jī)高，平均高出2%最多的高出3.3%。如果反應(yīng)堆熱輸出功率為2 905 MW，即相當(dāng)于出力提高9.6%。

半速汽輪機(jī)安全可靠性

1.應(yīng)力水平

一般來(lái)講，全速汽輪機(jī)與半速汽輪機(jī)靜子部件的應(yīng)力水平大致相當(dāng)，但對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)兩者的應(yīng)力水平差別就比較大。由離心力引起動(dòng)葉片的拉伸應(yīng)力的公式：δ=MRω²(式中：M-動(dòng)葉片的質(zhì)量；R-動(dòng)葉片的平均旋轉(zhuǎn)半徑；ω-角速度)?？煽闯觯簯?yīng)力是與轉(zhuǎn)速的平方成正比。如果1 500 r/min和3 000 r/min的汽輪機(jī)使用相同的動(dòng)葉片(即M相等)，那么全速與半速應(yīng)力之比就是4: 1，這是理論上的比較。實(shí)際情況是全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力比半轉(zhuǎn)速高1.3 ~2倍。對(duì)于大功率機(jī)組，全速汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的應(yīng)力水平往往用到許用應(yīng)力的極限，所以，從這一角度比較，對(duì)于大功率汽輪機(jī)，半速機(jī)組的安全裕量更大些。

2.汽缸的穩(wěn)定性

在功率等級(jí)相同條件下，半速汽輪機(jī)尺寸和重量比全速機(jī)大，因而承受外界對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的力和力矩的能力比全速汽輪機(jī)強(qiáng)，其穩(wěn)定性?xún)?yōu)于全速機(jī)。

3.抗侵蝕、腐蝕能力

核電汽輪機(jī)大約2/3的作功在低壓缸內(nèi)完成，雖然核電汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)汽參數(shù)核火電差不多，但由于核電汽輪機(jī)在低壓缸內(nèi)的焙降較火電多，因此核電汽輪機(jī)低壓缸的排汽濕度較大，一般高達(dá)12%-14%。發(fā)生侵蝕、腐蝕的部件，除動(dòng)葉片外大部分與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。由于末級(jí)及次末級(jí)長(zhǎng)葉片長(zhǎng)時(shí)間在濕蒸汽區(qū)工作，因此受侵蝕腐蝕情況比火電機(jī)組要嚴(yán)重得多。如果不作防水蝕處理，葉片運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)因水滴沖擊產(chǎn)生水蝕，在葉片頂部背弧進(jìn)汽邊處會(huì)出現(xiàn)蜂窩狀的凹坑或被沖擊成鋸齒形。葉片的水蝕，不但使葉片熱力性能降低，還可能造成葉片斷裂等事故。

在現(xiàn)代汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中，控制葉片侵蝕常用的幾種方法是:1. 增加去濕，去除動(dòng)葉片由于離心力的作用而被甩到并聚集在隔板外緣延伸環(huán)上的水分。2. 增加動(dòng)、靜葉片之間的軸向間隙。3. 在葉片進(jìn)汽邊頂部進(jìn)行防水蝕處，如焊接司太立合金片等。在高壓和低壓末級(jí)動(dòng)葉片頂部進(jìn)汽邊開(kāi)設(shè)徑向?qū)Я鞑邸?

4.運(yùn)行的靈活性

半速汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)子直徑大、重量重，高壓缸的汽缸壁較厚，導(dǎo)致熱應(yīng)力增大，在快速起動(dòng)和變負(fù)荷適應(yīng)性方面比全速汽輪機(jī)稍微差些，但由于核電機(jī)組大部分為帶基本負(fù)荷運(yùn)行，起、停、變負(fù)荷次數(shù)較少，加上核電的進(jìn)汽參數(shù)比較低，因此熱應(yīng)力的影響不是太大。

5.機(jī)組的振動(dòng)特性

半速汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)速較全速低、轉(zhuǎn)子重量重、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，因此其對(duì)激振力的敏感程度比全速機(jī)低，抗振性能比全速機(jī)優(yōu)。

半速汽輪機(jī)投資成本

1.材料消耗

一般在相同功率等級(jí)的情況下，半速汽輪機(jī)組由于體積大，單個(gè)部件的重量要比全速機(jī)重得多，因此半速汽輪機(jī)的材料消耗量要比全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)多。采用半速機(jī)后由于末級(jí)通流面積增加，低壓缸的數(shù)量比全速機(jī)減少，因此對(duì)于整臺(tái)機(jī)組來(lái)說(shuō)半速汽輪機(jī)組的重量是全轉(zhuǎn)速機(jī)組的1.2-2.4倍。

2.制造、起吊、運(yùn)輸、土建、安裝等方面的成本

由于半速汽輪機(jī)的尺寸和重量比全速汽輪機(jī)大，使得半速汽輪機(jī)的制造、起吊和運(yùn)輸?shù)确矫娴碾y度增加，從而增大了一系列的投資。

半速汽輪機(jī)與全速汽輪機(jī)在尺寸和重量上的差別較大的部件在低壓模塊。半速汽輪機(jī)低壓內(nèi)外缸體較大，末級(jí)葉片長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子直徑大。如低壓轉(zhuǎn)子裝配后的重量接近200噸。這樣就要求起吊吊車(chē)的噸位增大，低壓內(nèi)外缸加工機(jī)床、葉片加工機(jī)床、轉(zhuǎn)子加工機(jī)床等加工設(shè)備都要相應(yīng)增大。因而，制造廠在加工設(shè)備、起吊設(shè)備等方面需作適當(dāng)?shù)母脑旌透拢黾右欢ǖ耐顿Y，使制造成本相應(yīng)提高。

由于半速汽輪機(jī)尺寸和重量的增大，相應(yīng)的汽輪機(jī)基礎(chǔ)的支承負(fù)荷也應(yīng)加大。從而使汽輪機(jī)基礎(chǔ)的支承梁的厚度增加、支承基礎(chǔ)尺寸增大，在汽輪機(jī)運(yùn)行平臺(tái)上要求予留的檢修面積增大。這就有可能使得廠房面積增加。使電廠廠房、汽輪機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)方面投資相應(yīng)加大。

運(yùn)輸方面，由于半速機(jī)重量和尺寸的增大，使得運(yùn)輸難度增大，運(yùn)輸噸位增加，相應(yīng)的運(yùn)輸成本也會(huì)提高。

安裝方面，由于半速汽輪機(jī)的重量和尺寸都大于全速汽輪機(jī)，這就要求安裝現(xiàn)場(chǎng)的行車(chē)等大型起吊設(shè)施的起吊能力要增大，從而增加了起吊設(shè)備的投資。對(duì)于安裝來(lái)說(shuō)，安裝費(fèi)用包括人工費(fèi)、材料費(fèi)用、機(jī)械臺(tái)班使用費(fèi)。由于半速機(jī)的結(jié)構(gòu)和全速機(jī)組相比除尺寸大、重量重外基本一樣，安裝方面也沒(méi)有什么特殊要求，且半速機(jī)低壓缸的數(shù)量相對(duì)全速機(jī)減少，因而安裝的人工費(fèi)、材料費(fèi)應(yīng)和全速機(jī)相差不大。但由于國(guó)內(nèi)安裝承包商缺乏安裝半速機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，會(huì)遇到一些新的問(wèn)題影響安裝進(jìn)度，需要外方提供更多的技術(shù)支持，這就有可能使安裝費(fèi)用增加。

總之，在投資成本方面，半速汽輪機(jī)比全速汽輪機(jī)的投資成本相應(yīng)要高些。根據(jù)有關(guān)供貨商介紹，設(shè)備造價(jià)和安裝土建費(fèi)，半速機(jī)比全速機(jī)高20%一30%(對(duì)整個(gè)常規(guī)島相當(dāng)于高7%左右)。但對(duì)于不同的供應(yīng)商，結(jié)果是不同的，如日立公司提供的信息表明，對(duì)于半速機(jī)，如考慮低壓缸、輔機(jī)(如MSR,凝汽器、除氧器、各類(lèi)加熱器等)的數(shù)量相對(duì)全速機(jī)減少，其整個(gè)核電廠常規(guī)島部分的造價(jià)與全速機(jī)相當(dāng)。

半速汽輪機(jī)發(fā)展?jié)摿?/h3>

1.極限功率

由于核電站選址要求嚴(yán)格而又不太容易，且投資成本比較高，為了降低單位千瓦(KW)造價(jià)，在同樣的廠址面積范圍內(nèi)增大單機(jī)的功率是降低造價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)。核電汽輪機(jī)功率一般為百萬(wàn)千瓦級(jí)，世界上最大的核電單機(jī)功率高達(dá)1 700 MW。末級(jí)葉片的通流能力是決定單機(jī)所能達(dá)到最大功率的主要因素。這樣就要求不斷增大汽輪機(jī)低壓缸的排汽面積。為了增加排汽面積，要么增加低壓缸數(shù)量，要么采用更長(zhǎng)的末級(jí)葉片。

增加低壓缸數(shù)量:運(yùn)行的核電機(jī)組一般不超過(guò)3只低壓缸，極少數(shù)采用4只低壓缸。缸數(shù)的增加將使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)困難，尤其會(huì)給軸系的設(shè)計(jì)帶來(lái)一些難以解決的問(wèn)題。

采用更長(zhǎng)的末級(jí)葉片:末級(jí)葉片的加長(zhǎng)由于受到應(yīng)力水平和材料的限制，全速機(jī)不可能采用很長(zhǎng)的末級(jí)葉片，半速機(jī)的末級(jí)葉片可以適當(dāng)加長(zhǎng)。如ALSTOM的半速機(jī)末級(jí)葉片可達(dá)到1 450 mm，且已有幾年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。末級(jí)葉片的加長(zhǎng)，使得排汽面積增大，功率增大。從而使半速汽輪機(jī)的極限功率可以比全速汽輪機(jī)高。

一般分析認(rèn)為，全速汽輪機(jī)適合用于1 200 MW以下，否則機(jī)組的安全可靠性不容易得到保證，而半速汽輪機(jī)則可達(dá)到1700 MW甚至更高。

2.發(fā)展趨勢(shì)

從我國(guó)持續(xù)發(fā)展核電工業(yè)的政策出發(fā)，我國(guó)核電的本地化制造，不僅是百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組，而且要向1 200 MW, 1 300 MW, 1 500 MW, 1 700 MW甚至更高等系列發(fā)展。從這一方面來(lái)講，半速汽輪機(jī)有更好的適應(yīng)性，機(jī)組的安全可靠性更容易得到保證，有利于核電機(jī)組向大功率化不斷發(fā)展。

小汽輪機(jī)的型式有純凝汽式、純背壓式、抽凝式、抽背壓式幾種，常用的是前兩種。采用純凝汽式小汽輪機(jī)，在主機(jī)排汽面積和發(fā)電機(jī)出力相同的條件下，可減少主機(jī)的凝汽流量和余速損失；純背壓式小汽輪機(jī)布置上比較靈活，但投資和金屬耗量要大些。