47MW高压单缸凝汽式汽轮机热力设计开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

一、选题的背景及意义

现代社会离不开电。电能是最清洁的能源，使用方法简单，调节方便，容易转换。电力工业的发展水平实际上是工农业发展、人民生活水平和国防科技现代化的重要标志。生产电力的方法很多，如水利发电、核能发电、火力发电、太阳能发电、风能发电和地热能发电。在我国，火力发电是主要的发电装置。

火电厂是将化石燃料的化学能转换成电力生产的企业，在转换的过程中要经历一系列的物理和化学的变化，主要的转换设备有锅炉、汽轮机和发电机。对于火电专业的学生来说，锅炉原理，汽机原理和热力发电厂是三门主要的业务课程。锅炉将燃料的化学能转换成热能，在转换成汽轮机的工质，即蒸汽的热能，在汽轮机中蒸汽热能转化为涡轮高速旋转的动能，通过发电机变为电能输出。所以在火电厂中，锅炉，汽机和发电机被称为三大主机。下文就简要介一下绍汽轮机的功用，结构和国内外的发展现状。最后联系本课题的题目粗略谈一谈汽轮机的热力设计方法和热力核算过程。

汽轮机是把蒸汽热能转变为叶轮旋转机械能的热能动力设备。汽轮机是透平机械的一种。透平包括汽轮机（也称蒸汽轮机或蒸汽透平），燃气轮机（也称燃气透平），透平压缩机等。汽轮机是以蒸汽为工质并将蒸汽的热能转化为机械功的热力透平。

汽轮机广泛应用于能源动力工业上，目的是为了驱动发电机供给大量的电能或驱动其他动力机械，以满足日益发展的工农业生产需要。因此，汽轮机的用途有发电/热电联产联共和驱动两种。

汽轮机的本体由转动部分（转子）和固定部分（静子）组成。转动部分包括动叶栅，叶轮（或转鼓），主轴，联轴器等；固定部分包括汽缸，蒸汽室，喷嘴室，隔板，隔板套（或静叶持环）汽封，轴承，轴承座，机座，滑销系统等。汽轮机的级是汽轮机中最基本的工作单元，它由一列静叶栅（或喷嘴叶栅）和其后紧联的一列动叶栅组成。根据蒸汽在汽轮机动叶中的膨胀程度将汽轮机的级分为纯冲动级，反动级和冲动级。

汽轮机按照做功原理可分为：冲动式，反动式。按热力过程特性可分为：凝汽式，背压式。按蒸汽压力分为：低压汽轮机，中压汽轮机，高压汽轮机，超高压汽轮机，亚临界汽轮机，超超临界汽轮机。此外，按汽缸数可分为单缸汽轮机和多缸汽轮机；按机组转轴数可以分为单轴和多轴汽轮机。

热力设计可以计算出汽轮机机组所需的级数，叶轮的平均直径。在此基础上完成汽轮机通流部分的设计。再结合力学知识，机械知识，数学知识，热学知识，材料知识，电学知识等完成对汽轮机的总体设计。

二、国内外发展及研究现状

2.1火电用汽轮机制造技术的主要发展方向

许多年来，电用的大型轮机的蒸汽参数,除俄罗斯、乌克兰、的一部分公司采用超临界参数外,绝大多数都采用亚临界参数(蒸汽压力5～18MPa)。欧洲火电厂的汽轮机几乎100%是亚临界参数的。关于汽轮机的单机容量除前苏联外,一般不超过500～600MW,少数达到700～750MW。

但是随着各国科技水平的进步，时至今日，汽轮机主流容量已达到600～1000MW,蒸汽参数已经达到超临界或超超临界参数，最高蒸汽压力达到31MPa以上，最高蒸汽参数达620摄氏度。下一个十年，汽轮机进口蒸汽温度有望达到700摄氏度。20世纪60年代以来，核电技术也得到长足发展，目前主流容量也为1000MW等级。

经过100多年发展，现在世界著名的汽轮机生产厂商有GE、Simens、Alstom、

Hitachi、Toshiba、Mittsubishi、俄罗斯列宁格勒金属工厂（Leningradsky Metallichesky Zavod，以下简称LMZ）等。世界上3000r/min全速单轴汽轮机的最大容量已经超过1000MW（Toshiba）；用于核电的湿蒸汽半速汽轮机的最大容量已经达到1550MW（1500r/min，Alstom）和1380MW（1800r/min，Hitachi）。对3000r/min全速汽轮机，长度为1220mm的钢制（LMZ）和1415mm的钛合金末级动叶片（Simens）已近成功应用；1400～1500mm末级叶片为设计单机容量达到1800MW的高参数汽轮机和1200MW的湿蒸汽汽轮机奠定了基础。而针对核电半速汽轮机，Alstom和Simens正在开发长度为1675～1830mm的叶片，将制造出容量为1700MW的先进汽轮机。

为介绍汽轮机热力设计的最新进展，现简单描述扭叶片级的热力设计。随着汽轮机的单及功率增大，蒸汽体积流量增大，特别是凝汽式汽轮机的末几级，需要更大的通流面积，因此，径高比较小，叶片很长。这种情况下若仍以一元流动，平均直径处参数来计算，不考虑汽流参数沿叶高的变化，仍设计成直叶片，必将产生多种附加损失，使级的效率明显下降。为追求更高的级效率，即使是径高比很大的叶片也不按照一维流动规律设计了。对于径高比较小的叶片主要有：1.沿叶高圆周速度不同引起的损失。2.沿叶高节节距不同引起的损失.3.轴向间隙中径向流动所引起的损失（这个是主要的）。在扭叶片级中普遍采用简单径向平衡法和完全径向平衡的设计方法。所谓简单径向平衡就是说依靠蒸汽在轴间间隙汽流参数沿轴向不变，压力只在径向发生变化。这样用微元分析蒸汽在径向的受力，采用依据计算得到的数据合理设计弯扭叶片，以减少径向漏气损失。所谓完全径向平衡法就是考虑反动度沿叶高方向增大。从而要列出新的流体方程。在计算的基础上采用新的合理设计减少沿叶高方向的漏气损失。

近年来，我国通过科学研究和开发，中国已经能制造600～1000MW的超超临界参数的汽轮机和1000MW的核电汽轮机，也能制造先进的工业和舰船驱动汽轮机。长度为1200mm的钢制膜级叶片已经由哈尔滨汽轮机厂在国内首先制造。上海汽轮机厂和simens公司合作生产900MW和1000MW超临界参数的汽轮机也在国内投入运行。从而达到世界的先进水平。目前，中国电力工业主要依靠国内制造厂商提供设备，总装机容量接近8亿千瓦，规模达到世界第二。其中，由汽轮机驱动驱动发电的燃煤和核电机组占77%.在长期的运行实践中，中国的发电企业和西安热工研究所（现西安热工研究院）等电力行业的归口研究机构，为国内汽轮机的完善、改进提供了重要的数据和试验环境，为中国汽轮机技术的发展作出了贡献。

2.2汽轮机的热力设计过程

汽轮机热力设计即按给定的设计条件确定通流部分的几何尺寸力求获得高的相对内好的制造工艺性汽轮机的通流部分即汽轮机本体中汽流的通道。包括调节级的流通部排气部分。因此，主要作流程包括以下内容：

(1)分析和给定汽轮机设计的基本参数。参数包括：汽轮机类型，新蒸汽基本参数，其他参数（如：给水泵出口压力，凝结水泵出口压力，机械效率，发电机效率加热器效率等）,相对内效率的估计及损失的估算。

(2)拟定汽轮机的热力过程线。

(3)对汽机的进汽量进行估算。

(4)进行抽气回热系统热平衡初步计算，包括：给水温度的选取，回热抽气系统级数的选择，除氧器工作压力的选择，拟定回热系统图，对各加热器汽水参数计算及回热系统热平衡的初步计算。

(5)对阀杆漏气量与轴封漏气量进行估算：包括主气阀杆漏气量计算,调节汽阀阀杆漏气计算，前轴封漏气计算，后轴封漏气计算。

(6)对调节级进行选择与计算。列出一些基本参数，包括：调节级的形式（单列调节级还是双列复数级），调节级的比焓降，调节级地速比，调节级的平均直径，调节级的反动度，部分进汽度，汽流出口角α和β。再对调节级进行详细计算，包括喷嘴部分计算（计算出喷嘴的理想比焓降），调节级进汽量计算，级的平均反动度，喷嘴的滞止理想比焓降，喷嘴出口的汽流速度，喷嘴出口等比熵出口参数，喷嘴压比，喷嘴出口面积，级的假想速度，级的圆周速度，喷嘴的高度，喷嘴损失，喷嘴出口比焓值，求出动叶进口汽流相对速度w和进汽角β。类似的对动叶部分进行计算。对级内其他损失进行计算，包括叶高损失，扇形损失，叶轮摩擦损失，部分进汽损失从而计算出级内各项损失之和。得出下一级入口参数。

(6)通过以上数据得出级效率和内功率。

(7)通过以上计算得出压力级的级数和比焓降的分配。

(8)调整抽汽压力。

(9)计算汽轮机各部分的汽水流量和各项热经济指标。

2.3汽轮机的变工况热力核算

汽轮机的热力设计是在已经给定的蒸汽初参数，转速和功率进行的，这些参数值叫设计值。在汽机运行过程中，若各参数保持设计值，该运行工况称设计工况。若其运行参数偏离设计工况，称为汽轮机的变工况。汽轮机在变工况下运行，其效率和各零部件的受力，热膨胀，热变形等情况都会发生变化，影响机组的经济性和安全性。所以，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效果，乃至分析事故原因的重要手段。

汽轮机整机热力核算是建立在单级核算的基础上的，应此研究单级的热力核算对于保证顺利完成整机核算任务有着重要意义。下面简略介绍核算方法。

在目前的变工况计算中，根据不同的给定原始条件，单级的详细热力计算可分为顺序计算和倒序计算两种基本方法，此外还有将倒序和顺序结合起来的混合算法。

就具体级而言，核算方法为：

由级前向级后核算，由已知的级后压力开始，假设新工况下排气压力为P，在h-s图上查出相应的喷嘴理想比焓降△h,计算喷嘴出口汽流速度C，然后用喷嘴的流量连续性方程进行校核，若计算的蒸汽流量与已知流量不符，则需重新假设P，进行计算，直至满足流量要求。然后进行动叶核算，其方法与上述类同，假定新工况后压力为P,查出动叶理想比焓降△h，计算动叶出口速度w，再用动叶流量连续方程进行校核，直至满足连续方程。

由级后向级前推算，从已知级后压力开始，假设新工况下排气比焓及级后各项损失，求出动叶后参数再对动叶进口相对速度进行校核及修正；继而假定动叶进口相对速度，求出动叶前参数及喷嘴后参数，再对动叶进口相对速度进行校核并修正；最后确定喷嘴前蒸汽状态点，并对最初估计的各项损失进行校核及修正；最后确定喷嘴前蒸汽状态点，并且对最初估计的各项损失进行校核及修正；待各项假设都校核通过，即可求出新工况下级的反动度，级效率和内功率。当级内出现超音速流动时，还需确定临界状态点并计算出口汽流偏转角。

多级汽轮机整机的热力核算可以从已知的新汽参数开始，由高压级逐级向低压级核算；也可以采用第二种倒推核算的方法由排气点逐级向初参数靠拢。采用第二种方法核算时，因为排气比焓是估计的，故必须对计算结果进行校核。当计算的初比焓值（对喷嘴调节汽轮机，一般为第一压力级前比焓值）与已知的初比焓值不符时，需对末级排气比焓进行修正；当计算的初比焓高于已知的初比焓时，说明假设的末级排气比焓值过高，反之，说明末级的排气比焓假设的过低；在初比焓相差不大时，可采用平移热力过程曲线的方法使初比焓重合，若初比焓相差较大，则需要重新假设末级终比焓降进行核算，直至满足要求。

三、总结

综上分析可知，汽轮机热力设计计算是是设计汽轮机的第一步，也是十分关键的一步，在汽轮机的热力设计基础上再进行汽轮机的其他方面的设计，如结构，零件等等。本次设计的汽轮机是用于小型自备电厂的动力机械，市场需求量较大。并且作为毕业设计的课题，通过汽轮机的热力计算，能够系统掌握汽轮机理论知识，将理论知识更好地运用于实际工作中，锻炼了人独立思考的能力，培养了综合运用所学知识解决实际问题地能力。

四、参考文献

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２． 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

完成N47-8.82/535型凝汽式汽轮机的热力计算，及其通流部分的结构设计.

主要设计内容与要求：

1． 查阅资料：

要求广泛查阅相关技术资料，中文文献20篇以上，英文文献5篇以上，了解汽轮机的基本工作原理，汽轮机本体结构、给水回热加热系统、多级汽轮机的热力设计等。写文献综述，并作开题报告；

2.完成N47-8.82/535型高压、单杠单轴凝汽式汽轮机的热力计算，并撰写计算说明书。

机组型号：N47-8.82/535；机组形式：高压、单杠单轴凝汽式汽轮机；额定功率47MW；新蒸汽压力8.82MPa；新蒸汽温度535℃；凝汽器压力4.7kPa；汽轮机转速3000r/min。

热力计算过程主要包括：（1）设计基本参数选择；（2）汽轮机热力过程线拟定；（3）汽轮机进汽量估算；（4）抽汽回热系统热平衡计算；（5）漏汽量估算；（6）调节级的选择与计算；（7）压力级设计；（8）抽汽压力调整；（9）汽轮机各部分汽水流量和各项热经济指标计算。

3． 1、零部件图纸（折1#图纸6张以上）；

2、绘制内容可以包括：汽轮机主观图、主轴装配图、主轴部件图、某一级的隔板图、喷嘴组图等；上述汽轮机热力计算，完成汽轮机通流部分结构设计及主要部件图纸的绘制。为力求获得高的相对内效率。汽轮机热力设计主要设计程序如下:

1.分析与确定汽轮机热力设计的基本参数，这些汽轮机热力设计的任务是，按给定的设计条件，确定通流部分的几何尺寸，参数包括汽轮机的容量，进汽参数，转速，排汽压力冷却水温度，给水温度，供热蒸汽压力等；

2.分析并选择汽轮机的型式，配汽机构形式，通流部分形状及有关参数；

3.对汽轮机的原则性热力系统进行汽耗量及热经济性的初步计算；

4.根据汽轮机运行特性，经济要求及结构强度等因素，比较和确定调节级的型式，比焓降，叶型及尺寸等。

5.根据通流部分形状和回热抽汽点的要求，确定压力级既非调节级的级数和排汽口数，并进行各级比焓降分配；

6.对各级进行详细的热力计算，求出各级通流部分的几何尺寸，相对内效率，实际热力过程曲线。

7.根据各级热力计算结果，修正各回热抽汽点压力以符合实际热力过程曲线的要求，并修正回热系统的热力平衡计算；

8.根据需要修正汽轮机热力计算的结果。

在进行汽轮机热力计算时，所设计的汽轮机应满足下列主要要求：

1.运行时具有较高的经济性；

2.不同工况下工作时均有高的可靠性；

3.在满足经济性和可靠性要求的同时，还要考虑到汽轮机的结构紧凑，系统简单，布置合理，成本低廉，安装和维修方便，以及零件的通用化和系列等应素

指导教师意见：

1．对文献综述的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

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所在专业审查意见：

负责人：

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