汽轮机长叶片计算(完整版)

CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY课程设计题目：300MW亚临界冲动式汽轮机末级长叶片设计学生姓名：杨斌刘佳利肖江王磐杨再兴院（系）名称：城南学院能动系班级:热能与动力工程07-01班指导教师：谭欣星汽轮机课程设计22010年12月能源与动力工程学院课程设计任务书热能动力工程专业0701班课程名称汽轮机原理题目300MW亚临界冲动式汽轮机末级长叶片设计任务起止日期：2010年11月22日~2010年12月11日汽轮机课程设计3目录前言---------------------------------------------------------------------------------------2一、课程设计任务书-----------------------------------------------------------------------3二、长叶片级概述及其设计内容--------------------------------------------------------4三、设计计算--------------------------------------------------------------------------------13总结-----------------------------------------------------------------------------------------21附图一长叶片级动叶进出口速度三角形--------------------------------------------22附图二沿叶片高度各截面速度三角形图--------------------------------------------23参考文献--------------------------------------------------------------------------------------26汽轮机课程设计4前言本次设计从电厂汽轮机长叶片的热力设计与计算的角度出发，着重介绍了多级汽轮机长叶片的蒸汽流动方程式，叶片设计，简单径向平衡法，并对汽轮机的叶片进行等截面计算，绘制了各截面的速度三角形，并对叶片各截面的流量进行计算等内容。Thisdesigngetsgoingattheangleofdesignandcalculationforheatpowerofthesteamer’slonglamina,putsit’semphasisontheequationforthesteamflow.laminadesignandsimpleradialequityofthemultileuelsteamerlonglamina.Itdividesthelaminadesignedinto10equalsharestodocalculationonequalsectionsprotractsthespeedtriangleforeachsection,aswellasworksoutfluxoneachsection.汽轮机课程设计5一、课程设计任务书设计内容1、建立长叶片中的蒸汽流动方程，选择叶型；2、采用径向平衡方法，使汽流在级的轴向间隙保持径向平衡，从而设计叶片沿叶高的扭曲规律与汽流参数的变化规律相适应，使级后汽流参数分布均匀。3、分析计算喷嘴出口汽流角1沿叶高的变化规律；4、分析计算动叶进口汽流角1沿叶高的变化规律；5、分析计算动叶出口汽流角2沿叶高的变化规律；6、分析计算动叶出口汽流角2沿叶高的变化规律；7、级的反动度沿叶高的变化规律。设计要求：1、运行时具有较高的经济性；2、不同工况时均有高的可靠性。技术条件与参数：1、300MW亚临界冲动式汽轮机，三排汽口2、转速3000minr3、主汽压力：16.67MPa：主汽温度：537c04、低压缸排汽压力：4.9MPa5、其他参数由低压缸通流部分设计组提供。汽轮机课程设计6二、长叶片级概述及其设计内容1、长叶片级概述在汽轮机级内，当叶片比较高时，级平均直径处的汽流参数与顶部和根部的汽流参数比较相差很大，此时就不能用平均直径处的汽流参数值代替顶部和根部的汽流参数值了，而且必须考虑汽流参数沿叶高的变化，这样的级称为长叶片级。一般地讲，当初的平均直径dm和动叶片高度lb之比ldbm（级的径高比）小于8~10时，应考虑汽流参数沿叶高的变化，否则级效率将显著下降。进入低压缸次末级和末级的蒸汽压力，温度都较低，其体积流量很大，次末级，尤其是末级必须有足够的通流面积，才能使体积流量很大的蒸汽顺利通过。因此，要采用尽可能长的末级动叶片。2、设计内容理论知识2.1长叶片中蒸汽流动方程式研究长叶片级的汽流动力问题，在设不再研究静动叶片汽流道内的气动计算，只研究如图5-1所示的三个特征截面0-0、1-1、2-2的气动力计算。通过这三个截面的气动力计算，即可在现在叶型资料的基础上合理地进行长叶片的成型。由于这三个截面在本质上相同，将重点研究截面1-1的气动力计算。为了保证整个长叶片级都是较高的效率，同时为了找出便与在工程实践中应用的流动规律，把复杂的具有粘性的不稳定的实际流动，简化为理想的三元流动模型。为此，作如下假设：（1）、不考虑蒸汽的粘性对流动的影响；（2）、近似将汽流看作为稳定流；（3）、假定所有圆周向流面都是围绕着一根共同轴线的任意回转面流动，称为轴对称流动；（4）、忽略叶片对汽流的作用力，近似地认为间隙中的汽流参数沿轴向不变。现根据以上几项假定来分析汽流在通流部分轴向的间隙的受力情况，在截面1-1上取一个微元体A，并按图5-2那样将微元体的运动分解为子午面内的运动和绕汽轮机转轴（既Z轴）的回转面内的运动。如果把轴向间隙中汽流速度C分解为子午向分量cm，轴向分量cz和却向cu，则它们之间存在cccum222，ccczrm222和dtdrcu的关系若将子午面内汽流各分速绘于图5-3中，则可以清楚地看到以下的关系：mmrccsinmmzcccosdcRmmmmdtd式中：Rm——流面上某点的曲率半径m——速度cm对Z轴的倾角汽轮机课程设计7为了避免繁琐的数字推导，这里将不采用三元流的欧拉方程。而直接从微元体的径向受力平衡条件求出长叶片蒸汽流动方程式。若微元体A的质量为G，则在此微元体上所受的力为：1、静压力：根据汽流与轴对称和轴向参数不变的假定，微元体沿圆周向和轴向两侧的静压力应互相抵消，因此在微元体上只存在径向压力差，其值为dddzrrrp。2、离心力：微元体上受到的离心力有两部分，一部分是由于汽流在圆周方向的却向分速cu所产生的离心力rGcu2，其方向是沿半径向外；另一部分是由于子午面上流线弯曲所引起的向心加速度所产生的离心力RcmmG2，其径向分量为mmmRcGcos2，其方向恰与rGcu2的方向相反。3、惯性力：微元体上受到的惯性力是由于汽流沿子午流线方向的加速度dtdcm所产生的，其值为dtdGcm，其方向与子午加速度方向相反，它的径向分量为mmmRcGsin2。根据微元体在径向保持平很的条件，则所有施加与微元体的力，在径向的投影之和应为零，即：rGcu2mmmRcGcos2mmmRcGsin2dddzrrrp=05-2式中dtdcm=dtdmdmdcm=dmdccmm由于假定汽道内蒸汽的流动是与轴对称的，所以cm与圆周相位角无关，即mdmdccmm，于是dtdcmmccmm。已知drdzrdG为微元体的质量，其中表示汽流的密度。若以单位质量计算，则用G通除式（5-2），经整理后得到微元体的完全径向平衡方程式也就是研究任意流型的蒸汽流动方程式：)sincos(122mrrpccRccmmmmmmu5-3式中mccmmmsin——流线弯曲点处，子午加速度所产生的惯性力的径向投影；汽轮机课程设计8mmmRccos2——子午流线弯曲点处，曲率半径Rm所引起的离心力的径向投影。在设计扭叶片时，为了使汽流在级的轴向间隙中保持径向平衡，叶片沿叶高的扭曲规律应与汽流参数的变化规律相适应，从而使级后汽流参数分布均匀。目前，汽轮机的设计与制造中，普遍采用了这种径向平衡法，它能够较好地满足这些要求，保证叶片有较高的效率。2.2叶型设计在汽轮机级内，汽流参数沿叶高的变化是客观存在的，并且要遵循气体流动方程。1、沿叶高圆周速度不同引起的损失在长叶片级中，从叶根到叶顶，其圆周速度相差也较大。这时，如果动叶仍按平均直径处的速度三角形进行设计，则除了平均直径处外，其他各直径处的汽流在流进动叶片时，都将产生不同程度的撞击现象，都将造成能量损失。并且由于c2，x2也会发生很大的变化，造成级后汽流扭曲使下一级汽流进口条件恶化，产生附加能量损失。2、沿叶高节距不同引起的损失由于汽轮机叶栅是环形叶栅，当ldbb较小时，从叶棍到叶顶，叶栅节距t相差较大。各个叶栅都有一个最佳相对节距，大于或小于这个最佳值，都会使叶栅损失增加，效率降低。3、轴向间隙中汽流径向流动所引起的损失当蒸汽从喷管叶栅和动叶栅流出时，由于有圆周方向的分速cu1和cu2存在，使蒸汽在动静叶栅进出的轴向间隙中受到离心力的作用。因为没有采取径向平衡措施，使汽流在轴向间隙中发生径向流动。这种径向流动是不会推动叶轮旋转做功的，构成了汽轮机级的损失，而这种损失在长叶片中尤为显著。综上所述，为了避免在长叶片级中由于按照平均直径上的汽流参数进行设计所带来的附加损失，以获得较高的级效率，就必须把长叶片设计成进出口角，以及截面积沿叶片高度变化的变截面叶片，以适应圆周速度和汽流参数沿叶高变化的规律。通常当8时，扭叶片不直叶片提高效率为1.5%~2.5%；当6时，提高效率3%~4%；当4时，提高效率7%~8%。可见值越小，采用扭叶对级效率的提越显著。目前由于扭叶片加工工艺水平的提高，成本下降，使扭叶片的应用范围逐渐扩大。我们设计所参照的是东方汽轮机厂所生产的300MW冲动式汽轮机，全部静叶和动叶均采用了扭叶片。东方汽轮机厂所生产的300MW亚临界机组动叶片的结构所述详见参考文献[4]。对于冲动式低压缸动叶片，共有7级。末级动叶片采用自带围带并带凸台拉筋的结构，叶片为锻造制成。其叶根也采用圆弧纵树型叶根，与转子上的叶根槽相匹配，这种拉筋形式不受高受力载荷影响，但需要频率试验，检查真实频率，因为振动会导致材料疲劳及叶片表面产生裂纹。末级动叶片在运行可能引起叶片腐蚀的高湿度区，为了将腐蚀减小到最小，在每一个叶片的进汽边装有腐蚀性很好的肽合金片。综上所述，本次设计中末级动叶片选用自带围带凸台拉筋结构的变截面长扭叶片。2.3扭曲叶片设计方法简介目前扭曲叶片级设计普遍采用径向平衡法，即在级的轴向间隙中确定汽流的平衡条件，使之不产生径向流动，因此建立汽体流动的模型，从而得到不同轴向间隙中汽流参数沿叶高的变化规律。简单径向平衡法是假定汽流在级的轴向间隙中作与轴对称的圆柱面流动，这是按二元流建立的气体流动模型，此计算方法较好的克服了一元流理论中的缺陷，使级的效率汽轮机课程设计9显著的提高，在长叶片设计中得到了广泛的应用。随着单机功率不断增大，末级叶片高度也越来越大，有的叶片高度可达1320mm，其42.2使轴向间隙中的汽流流动不再保持与轴对称的圆柱面流动。因此再用简单径向平衡法来确定这种长叶片的扭曲规律，就难以符合汽流的实际情况，而使级效率降低。对于3的长叶片，应采用完全径向平衡流型的特性方程，即三元流动的方程式进行设计。根据径向平衡理论，在某些特定条件下，可求得长叶片不同的扭曲规律或流型，常用的几种流型有：（1）等环量流型（2）等1角流型（3）等密度流型（4）可控涡流型等。其中前三种扭曲规律，基于简单径向平衡理论，它们有一个共同缺点，就是反动度或动静叶片轴向间隙内的汽流压力沿叶高增大，