汽轮机是一种将高温高压蒸汽的热能转换为机械功的旋转式动力机械,广泛应用于煤电机组、核电机组、燃气轮机联合循环发电机组、太阳能光热发电机组与舰船动力等领域。基于我国能源结构的特点,汽轮机是21世纪乃至更长时期内我国能源高效转换和洁净利用系统的核心动力装备。
汽轮机的热力设计以工程热力学和流体力学为基础,汽轮机原理给出了汽轮机热力设计的具体方法。汽轮机的结构强度设计以理论力学和材料力学为基础,汽轮机强度给出了汽轮机结构强度设计的具体方法。汽轮机的传热设计以传热学为基础,但目前工程上急需一本 “汽轮机传热设计原理与计算方法”学术专著,以给出汽轮机传热设计的具体方法。
随着汽轮机参数提高到超临界和超超临界,以及汽轮机的快速起动、常态化深度调峰和灵活运行,汽轮机材料强度接近使用极限,需要开展精准的汽轮机传热设计。而且,国内外汽轮机部件表面传热系数的设计与计算公式尚未统一,缺少汽轮机部件传热设计理论与计算方法。
在汽轮机部件的传热与冷却、结构强度与寿命的设计中,人们首先要知道汽轮机部件的表面传热系数。在汽轮机部件稳态与瞬态温度场和热应力场的有限元计算分析中,建立有限元计算的力学模型时,需要给出汽轮机部件的表面传热系数,以确定传热边界条件。国内外由汽轮机部件传热试验得出的传热计算经验公式,公开发表的论文还不多见。有关单位采用的汽轮机部件的表面传热系数的计算公式差异很大,其计算值直接影响汽轮机的传热与冷却的结构设计、温度场与应力场的有限元分析和汽轮机结构强度与寿命设计的安全性与准确性。
随着科学技术的不断发展,汽轮机的进汽参数呈增长趋势,以提高发电机组的热效率。汽轮机进口温度的不断提高,需要开展汽轮机部件传热和冷却的设计与计算。伴随着可再生能源发电机组装机容量的持续快速增长,为满足电站汽轮机快速起动、深度调峰与灵活运行要求,保证汽轮机的寿命与安全性,需要精准设计汽轮机部件的传热与冷却结构,精细分析汽轮机部件的温度场与应力场,精确评定汽轮机部件的结构强度与寿命。考虑汽轮机部件结构复杂,开展汽轮机部件的温度场、应力场的有限元数值计算和寿命设计,急需汽轮机传热设计原理与计算方法。
上海发电设备成套设计研究院有限责任公司从20世纪80年代初起步,开展汽轮机传热的基础理论研究和工程应用,为我国电站汽轮机的研制和安全服役做出了积极贡献。著者所在单位有一批技术人员,长期从事汽轮机的传热技术研究,20世纪80年代,承担完成了125MW 汽轮机高压汽缸与转子的表面传热系数试验研究工作。经过40多年的技术研究工作,先后完成了十几种机型的300MW、600MW 和1000MW 火电与核电汽轮机部件的传热与冷却、温度场与应力场、结构强度与寿命的技术研究工作,对汽轮机传热设计原理与计算方法进行了系统深入的研究。
为了满足汽轮机的高参数、快速起动、深度调峰、灵活运行、长寿命与安全服役的要求,著者在借鉴国内外已有资料和前人成果的基础上,主要结合研究团队长期以来在此领域研究所取得的科研成果以及开展大量汽轮机传热理论分析和工程应用经验,撰写了本学术专著。目标是推动汽轮机传热学分支学科的发展,建立汽轮机传热设计的分析理论和技术体系,给出汽轮机传热设计的具体方法,为汽轮机传热与冷却设计以及温度场与应力场分析提供理论基础和技术支撑。期盼本书的出版有助于汽轮机传热设计技术的推广应用。
本书从开始到完成历时3年,利用业余时间撰写与修改书稿是一项艰苦的工作。著者所在研究团队的谢岳生、徐佳敏和邓志成完成了部分应用实例的计算工作,王思远、王建业和徐望人完成了部分插图的绘制工作,感谢他们付出的辛勤劳动,感谢诸多同事的大力支持。
本书的研究工作与撰写,得到了上海发电设备成套设计研究院有限责任公司有关领导和专家的指导和帮助,在此深表谢意。感谢西安交通大学丰镇平教授、上海交通大学杜朝晖教授和哈尔滨工业大学王松涛教授的大力支持。谨向书中所引用参考文献的作者们致以衷心的感谢!
尽管著者在撰写过程中利用了汽轮机传热技术的最新研究成果,并结合工程实践,尽可能做到理论联系实际,着力解决汽轮机传热的关键技术问题,但汽轮机传热设计与计算的内容广泛,且极为复杂,很多问题目前尚未得到解决,因此本书中不少内容仍属
于探索性的。限于著者水平有限,书中疏漏与不妥之处在所难免,恳请专家和读者批评指正。
著者
2023年1月
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