回转式空气预热器转子隔板的热变形分析

2018-08-18任小龙张世红杨海平

电站辅机 2018年2期

任小龙，张世红，杨海平

(华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074)

0 概述

空气预热器是利用锅炉尾部烟气的热量加热空气的装备，是提高火电厂锅炉效率的重要设备。受烟气与空气温度差异[1-3]、冷端与热端温度差异[4-5]、转子及转子隔板存在热变形[6-7]等因素的影响，流体会在不同的仓室之间相互泄漏，造成直接漏风，极大地程度影响了锅炉运行的经济性。掌握预热器转子隔板的变形规律，选择合适的密封结构，才能优化密封效果。

对于空气预热器转子的变形问题，王洪跃[8]等人采用数学方法，建立了热态运行时隔板热应变的数学模型，利用热弹性力学理论和有限元方法进行求解，得到较为准确的热应变结果。强君刚[9]等采用ANSYS有限元分析法，对转子仓室的隔板进行分析求解，证明了有限元分析法用于转子热变形分析的可靠性。李林[10]则采用MSC.Nastran软件，对预热器整体进行了有限元分析，并考虑了自重对预热器变形的影响，得到较为精确的转子热变形数据。目前，在关于转子热变形的研究中，利用有限元分析法较为便捷和直观，应用较为广泛。但在前人的研究中，并未详细涉及不同预热器尺寸及不同温度条件下转子的热变形状态,也未建立相应的热变形预测公式。

1 转子热变形的有限元分析

1.1 研究对象

空气预热器在热态运行时，流经上烟风道的高温烟气被送入转子，烟气与转子仓格中的金属蓄热元件进行换热。当预热器的运行温度稳定后，转子热端的平均温度将高于冷端的平均温度，即转子内部存在形成温度梯度，引发了热应力。热应力导致转子变形，形态呈“蘑菇状”，如图1所示。在热态条件下，转子变形将导致某些部位的零件间隙增大，造成漏风现象严重，也有某些部位的间隙变小，可能造成卡壳现象，严重影响空预器的正常运行。

图1 回转式预热器转子的热态变形

回转式空气预热器的基本组成单元，是包含换热元件的仓室。在各个仓室之间，以径向隔板作为间隔。由于烟气、一次风和二次风的进出口温度不同，转子在不同区域的热变形程度也不相同，且预热器转子的热变形将随温度变化而时刻改变。若以整个转子为研究对象，分析时将十分复杂。根据预热器的结构特点，仅选取扇形仓室间的径向隔板为研究对象，分析仓室内烟气或空气通过时隔板的热变形状态，虽然无法得到转子任意位置的变形与时间的关系，却能得到转子变形量最大时在某位置的变形特征。径向隔板的位置，如图2所示。

图2 径向隔板位置示意图

1.2 求解过程

利用ANSYS有限元分析法，探究转子热变形的规律，研究过程主要分为有限元模型的建立、施加热载荷与应力载荷、模型计算与分析三个过程[12]。首先，确立有限元模型的结构及物性参数，并划分模型网格，获得离散化的模型，再对模型施加温度条件、位移约束等边界条件。最后，选择合理的计算参数，获得指定参数条件下的温度场、应力分布、位移变化等数据。

现以某电站的三分仓回转式空气预热器为计算模型，该预热器的主要参数，如表1所示。

表1回转式空气预热器主要参数

名称及运行参数数值转子半径R/mm10500传热元件高度H/mm1800隔板高度Hp/mm2767隔板长度L/mm9572热膨胀系数α1.35×10-5弹性模量E/Pa2×1011密度ρ/(kg·m-3)7.9×103泊松比/λ0.25烟气进口温度t/℃370烟气出口温度t′/℃125

2 转子热变形的模拟分析

2.1 温度分布及热变形分布

将预热器转子模型简化后，再设置各求解参数，利用ANSYS mechanical APDL模块功能，对模型进行有限元网格划分。模型左端为与转轴相连的隔板内端，右端为隔板的外缘，模型上方为烟气进口，称作热端，下端为烟气出口，称作冷端。待网格划分完毕后，加载位移边界条件约束及热边界条件约束。隔板是焊接在预热器中心转轴上的结构，因此，对左端(焊接部位)施加位移约束，计算得到转子热变形云图，如图3所示。为了便于观察，已将转子变形量放大了5倍。

图3 隔板热变形云图

从图3可知，当机组满负荷运行时，转子整体发生向下弯曲，符合常见的“蘑菇状”变形(图3只显示中心转轴的一侧)。在隔板的热端与冷端均发生了弯曲变形，而在隔板外缘，虽发生了位移变化，但几乎仍保持直线状。为获得更加全面的变形状态，从模拟结果中，导出了隔板的水平方向位移云图和竖直方向位移云图，如图4、如图5所示。在水平位移与竖直位移的计算中，以某有限元单位为基准，表示隔板某一点发生位移后与该点原来位置之间的水平距离和竖直距离。不难发现，水平位移的最大处位于热端的最外缘，为42.77 mm，冷端的水平位移，则为14.57 mm。热端与冷端外缘的水平位移差值，达28.20 mm。因此，在设计轴向密封时，在热端的外缘需适当减小密封间隙，而在冷端的外缘需增大密封间隙。根据图7所示，竖直位移最大处位于冷端的最外缘，为52.55 mm，热端外缘的竖直位移则为44.24 mm，热端与冷端外缘竖直位移的差值为8.31 mm。在竖直方向上的位移导致转子变形，是造成空气预热器直接漏风的重要因素。

图4 隔板的水平方向位移云图

图5 隔板竖直方向位移云图

2.2 隔板热变形的规律

利用有限元模拟方法，有效解决了测量转子变形量的难题。根据分析可知，预热器的尺寸大小对转子的变形有重要影响。现选取不同的隔板高度、不同的隔板长度进行有限元分析，并设置了不同的烟气进口温度，将出口烟气温度保持不变，从而获取更全面的隔板变形规律。

图6表示沿隔板热端及冷端沿径向竖直位移量的变化规律。纵坐标的正负值分别表示向上方与下方的变形。由图可知，沿隔板长度逐渐增大的方向，热端在接近转轴处发生微小的向上的变形，这是由于转子的膨胀作用与转轴的固定作用耦合产生的。沿隔板长度方向，冷端与热端均呈现总体向下变形量逐渐增大的趋势，最大变形发生在隔板的末端。随着进口烟气温度的增大，曲线坡度随之增加，最大变形量也逐渐增加，可知隔板的变形受温度的影响较大。

(a)热端

(b)冷端

由于热端靠近转轴处，存在微小的向上变形量，在距中心转轴的相同位置处，冷端比热端具有更大的变形量。计算热端总变形量时，可认为总变形量被一部分向上的变形量所抵消，因此，冷端最大变形量等于热端向下最大变形量加上2个热端向上最大变形量。当运行温度为420℃时，最大变形量为：53.69+2×4.34=62.37≈62.4 mm。

隔板热端及冷端的水平位移量，随隔板高度的增加而发生变化。水平位移量的变化规律，如图7所示。从图7可知，隔板受膨胀作用的影响，水平位移均为正值。随隔板高度的增加，隔板热端的最大水平位移几乎保持不变，其变化主要受温度的影响(经验证为线性变化)，而隔板的冷端的最大水平位移，则随隔板高度的增加呈线性增长，温度对其的影响值也接近线性。整体而言，无论热端还是冷端，增加隔板高度后，对水平位移量的影响较小(<0.1 mm)。隔板水平方向的变形，可认为主要是受温度的影响。

(a)热端

(b)冷端

图7 水平位移随隔板高度变化规律(L=9 527 mm)

在竖直方向上，随着隔板热端及冷端隔板高度的增加，位移量的变化规律，如图8所示。由图8可知，随隔板高度的增加，隔板热端与冷端的竖直位移呈非线性减小趋势，温度越高，曲线坡度越大。由此可见，适当增加转子的高度可减小漏风间隙。若增加转子高度，将使传热元件的高度增加，气体流动通道变长，传热效率下降。因此，在不影响传热效率的前提下，可适当增加转子的高度，从而减少漏风量。

(a)热端

(b)冷端

图8 竖直位移随隔板高度变化规律(L=9 527 mm)

隔板热端及冷端随隔板长度的增加，水平位移量的变化规律，如图9所示。由图9可知，随隔板长度的增加，隔板热端的水平位移呈线性增加趋势，温度越高，曲线坡度越大。在隔板的冷端，当隔板长度增加后，水平位移量几乎无增长。据分析，影响隔板水平位移的主要因素，是隔板的长度。

(a)热端

(b)冷端

图9 水平位移随隔板长度变化规律(Hp=2 767 mm)

当增加隔板长度后，隔板热端及冷端在竖直方向上的位移量，如图10所示。由图10可知，随隔板长度的增加，隔板热端的竖直位移呈非线性增加趋势，温度越高，曲线坡度越大。隔板冷端的竖直位移量，也随隔板高度的增加呈非线性增大趋势，温度增高，曲线的坡度同样增大。由此可见，转子半径的增加将增大漏风间隙，同时，也增大了转子的轴向变形。减小转子半径，可减小漏风间隙，但转子半径的减小，将使通过预热器的气体流量减小，降低了传热总量。因此，在传热量允许的条件下，减小预热器转子半径，从而减少漏风量。

图10竖直位移随隔板长度变化规律(Hp=2767mm)

在工程应用中，回转式空气预热器的径向间隙，是影响漏风量大小的关键因素。在隔板尺寸及温度变化的工况下，探讨冷热端竖直位移量的变化规律更为重要。据模拟计算的结果，确定了计算隔板位移量的公式：

(1)

-d·(α·ΔT)eHp

(2)

在式(1)、式(2)中，Vc为预热器冷端的最大竖直位移量；Vh为预热器热端的最大竖直位移量；ΔT为预热器进出口烟气温差；Hp为隔板高度；a、b、c、d、e为待定常量。在式(2)计算式中，右端第一项为冷端变形量，第二项为热端靠近转轴处的向上变形量。通过模拟计算，将冷热端在竖直方向上的位移量导入origin9.0数据处理软件中，并进行非线性拟合，得到冷热端变形的经验公式为：

(3)