汽輪機是一種將高溫高壓蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械,廣泛應用于煤電機組、核電機組、燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組、太陽能光熱發(fā)電機組與艦船動力等領(lǐng)域�；谖覈茉唇Y(jié)構(gòu)的特點,汽輪機是21世紀乃至更長時期內(nèi)我國能源高效轉(zhuǎn)換和潔凈利用系統(tǒng)的核心動力裝備。
汽輪機的熱力設(shè)計以工程熱力學和流體力學為基礎(chǔ),汽輪機原理給出了汽輪機熱力設(shè)計的具體方法。汽輪機的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計以理論力學和材料力學為基礎(chǔ),汽輪機強度給出了汽輪機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的具體方法。汽輪機的傳熱設(shè)計以傳熱學為基礎(chǔ),但目前工程上急需一本 “汽輪機傳熱設(shè)計原理與計算方法”學術(shù)專著,以給出汽輪機傳熱設(shè)計的具體方法。
隨著汽輪機參數(shù)提高到超臨界和超超臨界,以及汽輪機的快速起動、常態(tài)化深度調(diào)峰和靈活運行,汽輪機材料強度接近使用極限,需要開展精準的汽輪機傳熱設(shè)計。而且,國內(nèi)外汽輪機部件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的設(shè)計與計算公式尚未統(tǒng)一,缺少汽輪機部件傳熱設(shè)計理論與計算方法。
在汽輪機部件的傳熱與冷卻、結(jié)構(gòu)強度與壽命的設(shè)計中,人們首先要知道汽輪機部件的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。在汽輪機部件穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)溫度場和熱應力場的有限元計算分析中,建立有限元計算的力學模型時,需要給出汽輪機部件的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),以確定傳熱邊界條件。國內(nèi)外由汽輪機部件傳熱試驗得出的傳熱計算經(jīng)驗公式,公開發(fā)表的論文還不多見。有關(guān)單位采用的汽輪機部件的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算公式差異很大,其計算值直接影響汽輪機的傳熱與冷卻的結(jié)構(gòu)設(shè)計、溫度場與應力場的有限元分析和汽輪機結(jié)構(gòu)強度與壽命設(shè)計的安全性與準確性。
隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,汽輪機的進汽參數(shù)呈增長趨勢,以提高發(fā)電機組的熱效率。汽輪機進口溫度的不斷提高,需要開展汽輪機部件傳熱和冷卻的設(shè)計與計算。伴隨著可再生能源發(fā)電機組裝機容量的持續(xù)快速增長,為滿足電站汽輪機快速起動、深度調(diào)峰與靈活運行要求,保證汽輪機的壽命與安全性,需要精準設(shè)計汽輪機部件的傳熱與冷卻結(jié)構(gòu),精細分析汽輪機部件的溫度場與應力場,精確評定汽輪機部件的結(jié)構(gòu)強度與壽命。考慮汽輪機部件結(jié)構(gòu)復雜,開展汽輪機部件的溫度場、應力場的有限元數(shù)值計算和壽命設(shè)計,急需汽輪機傳熱設(shè)計原理與計算方法。
上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司從20世紀80年代初起步,開展汽輪機傳熱的基礎(chǔ)理論研究和工程應用,為我國電站汽輪機的研制和安全服役做出了積極貢獻。著者所在單位有一批技術(shù)人員,長期從事汽輪機的傳熱技術(shù)研究,20世紀80年代,承擔完成了125MW 汽輪機高壓汽缸與轉(zhuǎn)子的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)試驗研究工作。經(jīng)過40多年的技術(shù)研究工作,先后完成了十幾種機型的300MW、600MW 和1000MW 火電與核電汽輪機部件的傳熱與冷卻、溫度場與應力場、結(jié)構(gòu)強度與壽命的技術(shù)研究工作,對汽輪機傳熱設(shè)計原理與計算方法進行了系統(tǒng)深入的研究。
為了滿足汽輪機的高參數(shù)、快速起動、深度調(diào)峰、靈活運行、長壽命與安全服役的要求,著者在借鑒國內(nèi)外已有資料和前人成果的基礎(chǔ)上,主要結(jié)合研究團隊長期以來在此領(lǐng)域研究所取得的科研成果以及開展大量汽輪機傳熱理論分析和工程應用經(jīng)驗,撰寫了本學術(shù)專著。目標是推動汽輪機傳熱學分支學科的發(fā)展,建立汽輪機傳熱設(shè)計的分析理論和技術(shù)體系,給出汽輪機傳熱設(shè)計的具體方法,為汽輪機傳熱與冷卻設(shè)計以及溫度場與應力場分析提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。期盼本書的出版有助于汽輪機傳熱設(shè)計技術(shù)的推廣應用。
本書從開始到完成歷時3年,利用業(yè)余時間撰寫與修改書稿是一項艱苦的工作。著者所在研究團隊的謝岳生、徐佳敏和鄧志成完成了部分應用實例的計算工作,王思遠、王建業(yè)和徐望人完成了部分插圖的繪制工作,感謝他們付出的辛勤勞動,感謝諸多同事的大力支持。
本書的研究工作與撰寫,得到了上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司有關(guān)領(lǐng)導和專家的指導和幫助,在此深表謝意。感謝西安交通大學豐鎮(zhèn)平教授、上海交通大學杜朝暉教授和哈爾濱工業(yè)大學王松濤教授的大力支持。謹向書中所引用參考文獻的作者們致以衷心的感謝!
盡管著者在撰寫過程中利用了汽輪機傳熱技術(shù)的最新研究成果,并結(jié)合工程實踐,盡可能做到理論聯(lián)系實際,著力解決汽輪機傳熱的關(guān)鍵技術(shù)問題,但汽輪機傳熱設(shè)計與計算的內(nèi)容廣泛,且極為復雜,很多問題目前尚未得到解決,因此本書中不少內(nèi)容仍屬
于探索性的。限于著者水平有限,書中疏漏與不妥之處在所難免,懇請專家和讀者批評指正。
著者
2023年1月
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