汽轮机课程设计

《普通高等教育"十二五"规划教材·能源动力类专业:汽轮机课程设计(应用型)》以电厂汽轮机热力设计为核心，主要介绍了汽轮机的工作原理、汽轮机本体结构、电厂回热加热系统、多级汽轮机的热力设计、变工况下汽轮机级的热力核算、转子轴向推力计算、50MW和300MW机组热力设计实例，并在光盘中附有热力设计程序。

《普通高等教育“十二五”规划教材：汽轮机课程设计（应用型）》可作为高等院校热能与动力工程专业学生的汽轮机课程设计参考教材，也可供相关专业的技术人员参考。

前言

第一章汽轮机的工作原理

第一节汽轮机级的工作原理

第二节多级汽轮机

第三节汽轮机的变工况

第二章汽轮机本体结构

第一节汽轮机定子结构

第二节汽轮机转子结构

第三章给水回热加热系统

第一节给水回热加热器

第二节给水回热加热系统

第四章汽轮机的热力计算

第一节汽轮机基本参数和结构的选择

第二节热力过程线的拟定

第三节回热系统热平衡的初步计算

第四节汽轮机漏汽量的计算

第五节调节级的选择及计算

第六节压力级的级数确定与比焓降分配

第七节逐级详细计算

第五章汽轮机变工况热力核算

第一节概述

第二节压力级的倒序算法

第三节压力级的顺序算法

第四节压力级混合算法

第五节调节级变工况核算

第六节整机变工况热力核算

第六章转子的轴向推力计算

第一节轴向推力的组成及计算方法

第二节推力轴承的安全系数

第三节计算举例

第七章汽轮机的热力计算实例

第一节50MW汽轮机热力计算

第二节300MW汽轮机热力计算

附录A计算中常用的数据与曲线

附录B计算用参考资料

参考文献 2100433B

多级汽轮机从原理上说是将若干个单级串联在一根机轴上。这样，虽然蒸汽在汽轮机中总的等熵焓降很大(有时达2000kJ/kg)，但在各级中顺序膨胀，每级的等熵焓降可减小到合理的程度，使各级都能在较理想的速度比下工作，获得较高的效率。多级汽轮机的轴向长度比多列速度级大。

多级汽轮机在船舶上多用作推进装置的主机，或用作经济性要求较高的大型辅机的原动机(如船舶电站汽轮机)。

多级汽轮机在船舶上有多种形式的组合。常见的有两大类：

(1)冲动式多级汽轮机：其中第一级常用复速级作为调节级(有的也用单级冲动级)，其后由若干个冲动级、纯冲动级或复速级组成非调节级级组。为了提高效率，各级常带有不大的反动度。

(2)混合式多级汽轮机：它有两种形式：一种是第一级为复速级或单级冲动级，其后由若干个反动级组成非调节级级组；另一种形式是第一级是复速级，而非调节级级组由若干个冲动级和若干个反动级组成。

作为船舶主机的多级汽轮机由于级数多，常分成高、低压缸汽轮机，平行配置，共同驱动减速器的第一级大齿轮。也有以高、中、低压三缸汽轮机组成的船舶主机。

多级汽轮机中，如级组的等熵焓降一定，则由反动级组成的级数，远较由冲动级组成的级数为多 。2100433B

半速汽轮机经济性比较

1.热效率比较

在机组入口参数(主蒸汽压力、温度、湿度、流量)确定的情况下，汽轮机的效率主要取决于通流部分效率和排汽损失等。

(1)通流部分效率

在现代汽轮机设计中，由于使用现代流体力学计算技术和采用三维优化设计，减小了各项损失，使汽轮机通流部分效率有明显的提高。无论是全速汽轮机还是半速汽轮机，对通流部分效率的提高已经接近了开发极限。相比而言，由于叶片较长、级数减少等结构特点，半速汽轮机通流部分效率比全速汽轮机高一些。

(2)排汽损失

在蒸汽流量一定情况下，排汽面积越大，余速越低，余速损失越小。所以要减少余速损失，就需要较长的汽轮机末级叶片，以增大排汽面积。半速汽轮机由于末级叶片可以设计得比较长，能够提供较大的排汽面积，从而减少了排汽损失，提高了汽轮机的热效率。分析结果表明，排汽余速损失约为40 kJ/kg，机组的热力循环效率最好。另外转速降低，减少了湿蒸汽对叶片的侵蚀，改善了蒸汽的流动特性，从而也提高了热效率。

2.百万千瓦级核电汽轮机热效率

根据世界上各大核电汽轮机制造商的介绍情况，百万千瓦级核电半速汽轮机热效率比全速汽轮机高，平均高出2%最多的高出3.3%。如果反应堆热输出功率为2 905 MW，即相当于出力提高9.6%。

半速汽轮机安全可靠性

1.应力水平

一般来讲，全速汽轮机与半速汽轮机静子部件的应力水平大致相当，但对于转动部件来说两者的应力水平差别就比较大。由离心力引起动叶片的拉伸应力的公式：δ=MRω²(式中：M-动叶片的质量；R-动叶片的平均旋转半径；ω-角速度)。可看出：应力是与转速的平方成正比。如果1 500 r/min和3 000 r/min的汽轮机使用相同的动叶片(即M相等)，那么全速与半速应力之比就是4: 1，这是理论上的比较。实际情况是全转速汽轮机转子应力比半转速高1.3 ~2倍。对于大功率机组，全速汽轮机转动部件的应力水平往往用到许用应力的极限，所以，从这一角度比较，对于大功率汽轮机，半速机组的安全裕量更大些。

2.汽缸的稳定性

在功率等级相同条件下，半速汽轮机尺寸和重量比全速机大，因而承受外界对机组产生的力和力矩的能力比全速汽轮机强，其稳定性优于全速机。

3.抗侵蚀、腐蚀能力

核电汽轮机大约2/3的作功在低压缸内完成，虽然核电汽轮机低压缸的进汽参数核火电差不多，但由于核电汽轮机在低压缸内的焙降较火电多，因此核电汽轮机低压缸的排汽湿度较大，一般高达12%-14%。发生侵蚀、腐蚀的部件，除动叶片外大部分与转速无关。由于末级及次末级长叶片长时间在湿蒸汽区工作，因此受侵蚀腐蚀情况比火电机组要严重得多。如果不作防水蚀处理，叶片运行一段时间后会因水滴冲击产生水蚀，在叶片顶部背弧进汽边处会出现蜂窝状的凹坑或被冲击成锯齿形。叶片的水蚀，不但使叶片热力性能降低，还可能造成叶片断裂等事故。

在现代汽轮机设计中，控制叶片侵蚀常用的几种方法是:1. 增加去湿，去除动叶片由于离心力的作用而被甩到并聚集在隔板外缘延伸环上的水分。2. 增加动、静叶片之间的轴向间隙。3. 在叶片进汽边顶部进行防水蚀处，如焊接司太立合金片等。在高压和低压末级动叶片顶部进汽边开设径向导流槽。

4.运行的灵活性

半速汽轮机由于转子直径大、重量重，高压缸的汽缸壁较厚，导致热应力增大，在快速起动和变负荷适应性方面比全速汽轮机稍微差些，但由于核电机组大部分为带基本负荷运行，起、停、变负荷次数较少，加上核电的进汽参数比较低，因此热应力的影响不是太大。

5.机组的振动特性

半速汽轮机由于转速较全速低、转子重量重、转动惯量大，因此其对激振力的敏感程度比全速机低，抗振性能比全速机优。

半速汽轮机投资成本

1.材料消耗

一般在相同功率等级的情况下，半速汽轮机组由于体积大，单个部件的重量要比全速机重得多，因此半速汽轮机的材料消耗量要比全转速汽轮机多。采用半速机后由于末级通流面积增加，低压缸的数量比全速机减少，因此对于整台机组来说半速汽轮机组的重量是全转速机组的1.2-2.4倍。

2.制造、起吊、运输、土建、安装等方面的成本

由于半速汽轮机的尺寸和重量比全速汽轮机大，使得半速汽轮机的制造、起吊和运输等方面的难度增加，从而增大了一系列的投资。

半速汽轮机与全速汽轮机在尺寸和重量上的差别较大的部件在低压模块。半速汽轮机低压内外缸体较大，末级叶片长，转子直径大。如低压转子装配后的重量接近200吨。这样就要求起吊吊车的吨位增大，低压内外缸加工机床、叶片加工机床、转子加工机床等加工设备都要相应增大。因而，制造厂在加工设备、起吊设备等方面需作适当的改造和更新，增加一定的投资，使制造成本相应提高。

由于半速汽轮机尺寸和重量的增大，相应的汽轮机基础的支承负荷也应加大。从而使汽轮机基础的支承梁的厚度增加、支承基础尺寸增大，在汽轮机运行平台上要求予留的检修面积增大。这就有可能使得厂房面积增加。使电厂厂房、汽轮机基础建设方面投资相应加大。

运输方面，由于半速机重量和尺寸的增大，使得运输难度增大，运输吨位增加，相应的运输成本也会提高。

安装方面，由于半速汽轮机的重量和尺寸都大于全速汽轮机，这就要求安装现场的行车等大型起吊设施的起吊能力要增大，从而增加了起吊设备的投资。对于安装来说，安装费用包括人工费、材料费用、机械台班使用费。由于半速机的结构和全速机组相比除尺寸大、重量重外基本一样，安装方面也没有什么特殊要求，且半速机低压缸的数量相对全速机减少，因而安装的人工费、材料费应和全速机相差不大。但由于国内安装承包商缺乏安装半速机的经验，会遇到一些新的问题影响安装进度，需要外方提供更多的技术支持，这就有可能使安装费用增加。

总之，在投资成本方面，半速汽轮机比全速汽轮机的投资成本相应要高些。根据有关供货商介绍，设备造价和安装土建费，半速机比全速机高20%一30%(对整个常规岛相当于高7%左右)。但对于不同的供应商，结果是不同的，如日立公司提供的信息表明，对于半速机，如考虑低压缸、辅机(如MSR,凝汽器、除氧器、各类加热器等)的数量相对全速机减少，其整个核电厂常规岛部分的造价与全速机相当。

半速汽轮机发展潜力

1.极限功率

由于核电站选址要求严格而又不太容易，且投资成本比较高，为了降低单位千瓦(KW)造价，在同样的厂址面积范围内增大单机的功率是降低造价的发展趋势。核电汽轮机功率一般为百万千瓦级，世界上最大的核电单机功率高达1 700 MW。末级叶片的通流能力是决定单机所能达到最大功率的主要因素。这样就要求不断增大汽轮机低压缸的排汽面积。为了增加排汽面积，要么增加低压缸数量，要么采用更长的末级叶片。

增加低压缸数量:运行的核电机组一般不超过3只低压缸，极少数采用4只低压缸。缸数的增加将使结构复杂、设计困难，尤其会给轴系的设计带来一些难以解决的问题。

采用更长的末级叶片:末级叶片的加长由于受到应力水平和材料的限制，全速机不可能采用很长的末级叶片，半速机的末级叶片可以适当加长。如ALSTOM的半速机末级叶片可达到1 450 mm，且已有几年的运行经验。末级叶片的加长，使得排汽面积增大，功率增大。从而使半速汽轮机的极限功率可以比全速汽轮机高。

一般分析认为，全速汽轮机适合用于1 200 MW以下，否则机组的安全可靠性不容易得到保证，而半速汽轮机则可达到1700 MW甚至更高。

2.发展趋势

从我国持续发展核电工业的政策出发，我国核电的本地化制造，不仅是百万千瓦级核电机组，而且要向1 200 MW, 1 300 MW, 1 500 MW, 1 700 MW甚至更高等系列发展。从这一方面来讲，半速汽轮机有更好的适应性，机组的安全可靠性更容易得到保证，有利于核电机组向大功率化不断发展。

小汽轮机的型式有纯凝汽式、纯背压式、抽凝式、抽背压式几种，常用的是前两种。采用纯凝汽式小汽轮机，在主机排汽面积和发电机出力相同的条件下，可减少主机的凝汽流量和余速损失；纯背压式小汽轮机布置上比较灵活，但投资和金属耗量要大些。