《汽轮机原理》习题.doc

汽轮机原理”习题

0、汽轮机某级p0=3.4MPa，t0=435ºC，Ωm=0.38，p2=2.2MPa。
喷嘴为渐缩型，其出口面积A=52cm2。试计算：
（1）通过喷嘴的实际流量G(取流量系数0.97)；
（2）当p2=2.2MPa，Ωm=0.3时，通过喷嘴的流量又为多少？
（3）如果喷嘴入口c0=120m/s，则在（2）条件下喷嘴的流量？

1． 国产引进型Westinghouse 300MW亚临界、一次中间再热凝汽式电站汽轮机，工作转速为3000转/分。该机末级的平均直径2604mm，额定工况下通过该级的蒸汽流量为273.75t/h，级前蒸汽的压力，温度，静叶压差为0.0108Mpa，整级压差为0.0191Mpa，喷嘴进口汽流初速度为110m/s；喷嘴出口汽流角，动叶相对出口汽流角。设计估算时，取喷嘴速度系数，动叶速度系数。计算
(1) 该级的轮周速度和反动度
(2) 喷嘴叶栅热力计算。由喷嘴出口汽流速度、判别喷嘴是否临界和斜切部分是否膨胀、喷嘴流量系数等的计算，求出喷嘴损失和喷嘴高度。
(3) 动叶叶栅热力计算。由动叶进口相对速度、动叶理想焓降和动叶出口相对速度、判别动叶是否临界和斜切部分是否膨胀、动叶流量系数等的计算，求出动叶损失和动叶高度。
(4) 该级动叶、喷嘴出口面积比，按常规设计原则对计算结果的正确合理作检验、分析。
(5) 按比例作出该级动叶进、出口的汽流速度三角形。
(6) 该级的轮周功、理想能量、轮周效率。
(7) 该级的其余级内损失(转轴直径取660mm，汽封间隙为0.50mm，汽封流量系数为0.15)。
(8) 按比例画出该级各项损失的棒形图或圆饼图。
(9) 画出该级的h-s汽态线，注明主要点的意义。
(10) 画出该级动叶根部、顶部的速度三角形，计算出基于平均直径的根部、顶部汽流撞击角。
(11) 基于平均直径处的反动度，求出叶根、叶顶处的反动度。
(12) 基于(10)和(11)的计算，分析说明长叶片必须采用扭曲叶型的理由。
2． 国产引进型Westinghouse 300MW汽轮机，额定工况下主汽门前的主蒸汽压力为16.7Mpa、温度为537℃，主蒸汽流量为910.2t/h，给水温度为274℃，采用高中压合缸、1个双分流对置低压缸结构布置，各级主要设计数据见附表1。
(1) 计算高压缸各级的理想焓降和实际焓降，由此得到高压缸各级的相对内效率和高压缸的重热系数。
(2) 画出高压缸额定工况下各级相对内效率分布棒形图，依据汽轮机级的工作原理的理论与方法，分析其中的原因。
(3) 计算出高压进汽、再热器和中低连通管压力损失，各缸的相对内效率和调节级的相对内效率，画出整机的热力过程线，分析、比较该汽轮机各缸大小不同的主要原因。
(4) 计算求出高压缸非调节级、中压缸和低压缸的第一和末级的理想焓降及假想速比，并用棒形图表示之，研究、分析一次中间再热汽轮机中沿蒸汽膨胀流程的焓降变化规律。

.5.

附表1　国产引进型300MW汽轮机各级主要数据
缸
别
级
号
额定工况
喷嘴
动叶
级流量
级前温度
级前压力
静叶压差
全级压差
内功率
平均直径
出口高度
出口面积
平均直径
出口高度
出口面积
T/h
℃
MPa
MPa
MPa
kW
mm
mm
mm2
mm
mm
mm2

高

压

缸
调节级
905.6
537.0
16.00

4.250
18555
1061.3
22.90
20169
1064.30
27.94
31120
1
886.1
483.8
11.60
0.445
0.883
5365
844.2
68.40
45624
854.19
68.82
45985
2
886.1
471.1
10.70
0.437
0.859
5608
864.2
69.20
47269
874.24
69.56
48392
3
886.1
457.9
9.87
0.437
0.857
5992
884.2
70.00
48981
894.39
70.52
50230
4
886.1
443.8
9.01
0.424
0.838
6325
904.4
70.90
51590
915.04
71.96
52500
5
886.1
428.9
8.17
0.404
0.797
6551
926.0
73.40
54792
937.14
74.86
56091
6
886.1
413.5
7.38
0.387
0.765
6855
948.0
76.20
58347
959.14
77.66
59695
7
886.1
397.6
6.61
0.366
0.730
7194
970.8
79.60
62586
983.44
82.66
63539
8
852.9
381.0
5.89
0.309
0.626
6345
991.4
81.00
64180
1002.39
82.42
64602
9
852.9
365.2
5.26
0.299
0.599
6653
1014.0
84.50
68641
1026.69
87.50
69625
10
852.9
348.8
4.66
0.280
0.563
6930
1039.0
90.30
74454
1051.74
9336
75515
11
852.9
331.8
4.10
0.263
0.525
7203
1063.6
95.10
81094
1077.04
99.56
82671

中

压

缸
1
747.6
533.6
3.12
0.175
0.336
7818
1078.87
101.40
120770
1089.66
103.76
125953
2
758.0
515.3
2.78
0.159
0.314
8052
1100.46
106.12
130829
1111.25
108.48
135315
3
758.0
496.4
2.47
0.153
0.302
8520
1122.04
110.85
140239
1134.82
113.20
145569
4
758.0
476.4
2.16
0.144
0.281
8831
1145.60
115.57
152732
1159.76
119.28
159584
5
758.0
455.5
1.88
0.133
0.257
9158
1172.97
124.08
168079
1190.66
131.30
176858
6
724.9
433.7
1.63
0.121
0.236
9062
1204.86
137.08
179997
1220.22
142.00
189542
7
724.9
411.1
1.39
0.115
0.220
9651
1233.42
146.80
197614
1251.10
154.02
210971
8
724.9
386.9
1.17
0.106
0.203
10276
1265.32
159.85
221512
1282.98
167.06
236818
9
724.9
361.1
0.97
0.0942
0.179

10666
1302.43
176.08
253749
1327.36
188.60
274245

低

压

缸
1
329.3
331.4
0.7690
0.1370
0.2420
8610
1915.16
86.36
115870
1919.78
90.68
138014
2
329.3
287.2
0.5410
0.1040
0.1910
9197
1928.24
98.80
151122
1935.77
107.09
182743
3
294.3
243.7
0.3720
0.0839
0.1400
8585
1952.04
122.01
218782
1970.18
141.61
257838
4
275.4
194.5
0.2320
0.0594
0.1010
9262
1992.71
162.82
305778
2016.20
188.57
380095
5
258.5
140.8
0.1330
0.0339
0.0608
8297
2046.94
217.47
446533
2087.50
265.76
565647
6
246.5
91.8
0.0736
0.0292
0.0527
13222
2241.47
412.67
711954
2299.77
474.62
1141891
7
246.5
63.4
0.0228
0.0099
0.0168
11308
2579.74
813.90
2112830
2642.87
905.51
3638022
图1　Westinghouse 600MW汽轮机高压缸平衡活塞汽封和前端汽封结构示意图与参数

(5) 分别求出高压缸非调节级、中压缸和低压缸的第一和末级的相对内效率，将此结果会同调节级的相对内效率用棒形图表示之，研究、分析这些数据不一致的原因。
(6) 求出汽轮机的内功率、机械与电效率(即机械效率与发电机效率之积)、循环热效率、汽耗率和热耗率。

3． Westinghouse 600MW汽轮机为反动式汽轮机，采用1个高压缸、1个双向对置分流中压缸和2个双向对置分流低压缸布置，为平衡高压转子的轴向力，在高压转子的前端设计平衡活塞，结构如图1所示。调节级后蒸汽经平衡活塞汽封流向与高压缸排汽相通的腔室，该腔室的蒸汽经高压外缸前端汽封流向腔室A和腔室B；为实现蒸汽不外泄和蒸汽不内漏，由抽汽设备维持腔室A的压力为100.6kPa(略低于大气压力)，腔室B的压力为120.7kPa。根据图1所示各腔室的蒸汽参数和结构数据，计算：
(1) 平衡活塞中间腔室的压力和通过平衡活塞汽封的漏汽量，并由计算得平衡活塞上蒸汽产生的轴向力。
(2) 漏入腔室B和腔室A的蒸汽量。
(3) 漏入腔室A的空气量和抽汽设备的蒸汽－空气混合物的容积负荷(即汽、气混合物的容积流量)。
(4) 当调节级喷嘴室和平衡活塞的汽封间隙均增大至1.651mm时，平衡活塞上蒸汽产生的轴向力变化多少？
(5) 当高压外缸汽封的间隙由0.508mm增大至0.762mm时，漏入腔室B的蒸汽量是多少？
(6) 抽汽设备的抽汽能力决定于进入抽汽设备的蒸汽量，蒸汽量增大，抽汽设备的负载增大，导致腔室A的压力上升。如果抽汽设备的负载每增大20%，腔室A的压力升高0.01kPa，试问当汽封间隙增大到多少时，有可能引起蒸汽的外泄？

4． 国产引进型300MW汽轮机，额定蒸汽压力16.7Mpa、温度537℃。调节级设有6个喷嘴组，每个喷嘴组有21片喷嘴叶片组成，因喷嘴组间分隔板产生的部分进汽度为0.9545。调节级的平均直径1061mm，喷嘴出口汽流角、动叶出口相对汽流角。在5个调节汽门全开(即5个喷嘴组进汽)时，机组发出额定功率300MW，此时调节级后压力11.6Mpa、温度484.0℃，主蒸汽流量为910.2t/h。假设调节级的反动度为零，主汽门和调节汽门的压力损失为主蒸汽压力的3.0%，且在调节汽门顺序开启时无重迭度。试计算：
(1) 对应于调节汽门全开时单个喷嘴组通过的最大流量。
(2) 在不计调节级后温度变化情况下，调节汽门顺序开启时各阀点的流量，并画出各阀点处各调节汽门的流量分布图。
(3) 如果调节级的效率保持不变，由调节汽门顺序开启时调节级热力过程线，估算各阀点处调节级后的温度值，由此估算考虑调节级后温度变化时各阀点的流量变化。
(4) 分别计算出额定工况(5个调节汽门(全)开启时)和3个调节汽门(全)开启时调节级的部分进汽损失，画出这两种情况的调节级动叶的速度三角形，并对计算结果作分析、讨论。
(5) 在主蒸汽流量为750t/h时，计算出各调节汽门中的流量分配和调节级后温度与焓值，以及部分开启调节汽门后的蒸汽压力。

5． 国产引进型300MW汽轮机，额定蒸汽压力16.7Mpa、温度537℃。调节级设有6个通流面积完全相等的喷嘴组，在5个调节汽门全开(即5个喷嘴组进汽)时，机组发出额定功率300MW，此时调节级后压力11.6Mpa、温度484.0℃，主蒸汽流量为910.2t/h；高压缸的排汽压力3.58Mpa、温度317.0℃。假设调节级的反动度为零，主汽门和调节汽门的压力损失为主蒸汽压力的3.0%，试计算：
(1) 5个调节汽门全开时，调节级的焓降效率(即实际焓降与理想焓降之比)和高压缸非调节级级组的焓降效率。
(2) 如果调节汽门顺序开启时3阀点的焓降效率是5阀点焓降效率的85%，求出3阀点时汽轮机的进汽量，计算中考虑调节级后温度的影响。
(3) 在(2)计算工况下，如果高压缸非调级组的焓降效率不变，此时高压缸的排汽压力和温度为多少？
(4) 如果采用6个调节汽门同步启闭的节流配汽方式运行，在进入汽轮机的流量为910.2t/h时，调节汽门后的压力应为多少？
(5) 如果采用6个调节汽门全部开启的滑压运行方式，在进入汽轮机的流量为910.2t/h时，主蒸汽的压力应为多少？
(6) 在(2)计算得的3阀点流量下，采用6个调节汽门同步启闭的节流配汽方式运行，此时调节汽门后的压力和高压缸的排汽压力及温度为多少？
(7) 在(2)计算得的3阀点流量下，采用6个调节汽门全开的滑压配汽方式运行，如果高压缸的焓降效率不变，此时调高压缸的排汽压力及温度为多少？
(8) 在同一图上画出对应于3阀点流量的喷嘴配汽、节流配汽和滑压配汽时高压缸的热力过程曲线，比较三种配汽方式下高压缸内温度与效率的差异，从中归纳总结出科学合理的配汽方式。

图2　抽汽供热凝汽式汽轮机示意图
6． 调整抽汽供热汽轮机是通过旋转隔板和供热调节阀(图2所示)实现供热量与供热压力调节的。在供热量增大时，关小旋转隔板的开度，减小低压部分的蒸汽量，当抽汽室压力大于供热压力时，关小供汽调节阀节流降压；在发电量增大时，开大旋转隔板的开度，关小供热调节阀，增大进入汽轮机的蒸汽量。某一次调整抽汽供热凝汽式汽轮机，主蒸汽压力、温度，排汽压力；抽汽室允许压力范围，额定电功率；热用户要求供热压力为0.12Mpa，额定抽汽供热量；在纯凝汽(抽汽量为零)工况下，抽汽室的压力机组发出额定电功率12MW；如果高压部分(即抽汽点前)的相对内效率，低压部分的相对内效率，机械效率与发电机效率的乘积。设计计算：
(1) 在纯凝非供热工况、且旋转隔板全开时，计算出高压、低压部分的有效焓降，进而求得机组发出额定电功率12MW时进入汽轮机的蒸汽量。
(2) 在最低抽汽压力、且旋转隔板全开时，机组发出额定电功率12MW，计算出此时汽轮机高、低压部分通过的蒸汽量和，以及最大允许供热量。
(3) 在抽汽室压力达到最大值0.25Mpa时，如果供热量达到额定值65t/h和机组发出额定电功率12MW，计算出此时通过低压部分的蒸汽量。
(4) 当供热量为30t/h时，如果要求机组发出的电功率仍为12MW，计算出对应的抽汽室压力和进入高压、低压部分的蒸汽量。计算中，假设高、低部分的相对内效率不变。
(5) 在供热量为30t/h时，如果要求机组发出的电功率为10MW，计算出对应的抽汽室压力和进入汽轮机高、低压部分的流量。计算中，假设汽轮机的相对内效率不变，且尽可能减小旋转隔板和供汽调节阀的节流损失。
(6) 由上计算，综合分析调整供热机组的供热量与发电量相互影响的关系，是否存在供热量与发电量独立调节的矛盾。

7． Westinghouse 600MW设有2个双向分流式低压缸，在额定工况下低压缸总的排汽量为1136t/h，排汽的干度为91.3%。在凝汽器额定设计工况下，循环冷却水的进口温度为20℃，冷却水的循环倍率为55；冷却管选用外径为25mm、壁厚为1mm的海军铜管；清洁系数0.85，冷却管中水速取2.0m/s。设计计算：
(1) 两个低压缸分设两个结构相同的凝汽器并列运行(单压凝汽器方式)，即单个凝汽器的蒸汽负荷为568t/h。在凝汽器压力为4.9kPa要求下，计算出冷却水的温升、总体传热系数和凝汽器的传热面积，进而求得传热端差、凝汽器压力(或真空)和冷却管的长度、冷却管的根数。
(2) 在(1)计算得的总传热面积下，如果两个结构相同的凝汽器串联运行(双压凝汽器方式)，即低压凝汽器出口的冷却水送入高压凝汽器的进口，但单个凝汽器的蒸汽负荷仍为568t/h。若冷却水的总体循环倍率仍为55，且冷却管的壁厚、清洁系数和水速均不变，计算出高、低压凝汽器的冷却水的温升、总体传热系数、管径、管长和管数，由此计算出高、低压凝汽器的传热端差和对应的压力(或真空)。
(3) 分析(1)、(2)计算结果，比较在相同冷却水循环倍率和水速下，凝汽器并列、串联运行凝汽器传热面积、冷却管的管长与管数、传热端差等的差别。计算出双压凝汽器的折算压力，以及把低压凝汽器的凝结水与高压凝汽器的凝结水混合后，将节省多少低压加热器中的吸热量。由此阐述采用双压或多压凝汽器的经济意义。