考慮傾覆力矩影響的回轉式空氣預熱器主軸強度分析

高建強, 張子悅, 劉松洋, 李紅玉

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院,河北保定 071003)

三分倉回轉式空氣預熱器是燃煤鍋爐的尾部煙氣熱交換設備[1-2],具有質量小、結構緊湊、換熱面積大、傳熱效率高等優點[3],其安全穩定運行對火電機組具有重要意義。

三分倉回轉式空氣預熱器包含煙氣倉、一次風倉、二次風倉3個分倉[4]。在實際運行時,由于煙氣側與空氣側存在壓力差,其主軸除了受電機驅動力產生的扭轉力矩外,還會承受煙氣與空氣兩側因壓差不同所產生的傾覆力矩。因此,在回轉式空氣預熱器熱態運行過程中,由于結構設計不合理以及運行參數的變化,可能會使空氣預熱器主軸長期承受較為集中的應力,導致疲勞斷裂。

目前,在對回轉式空氣預熱器主軸強度的計算和分析研究中,考慮傾覆力矩的變化并定量計算其對主軸強度的影響研究還鮮有報道。侯超[5]將回轉式空氣預熱器轉子截面簡化為懸臂梁結構,沿中心筒軸向對轉子進行受力分析,并定性指出煙氣側的傾覆力最大。王林[6]對回轉式空氣預熱器冷端大梁進行了受力分析,設計了3種結構方案,并對其變形和漏風進行分析。常毅君等[7]以“U形波紋”徑向密封片為例,著重分析了回轉式空氣預熱器隔倉壓差對柔性接觸式密封片剛度和強度的影響。

孫玉秋[8]采用復合應力法構建了轉軸疲勞強度的數學模型,給出了綜合疲勞系數中的尺寸系數和影響系數,運用該模型可以大大減少轉軸疲勞強度的計算工作量。韓金亮等[9]通過具體案例闡述了彎曲變形構件中危險截面的判定方法,對于圓形的雙向彎曲變形構件,合成彎矩最大的截面即為危險截面。張曉偉等[10]采用彎扭合成當量彎矩法計算旋轉軸所受應力,并將軸所受的應力與許用疲勞強度進行比較,從而說明了此方法的適用性。因此,回轉式空氣預熱器主軸的強度校核可采用多種計算方法,其中彎扭合成當量彎矩法計算簡便、適用性強,可對回轉式空氣預熱器運行過程中作用在主軸上的傾覆力矩、應力、強度等進行計算分析。

筆者采用彎扭合成當量彎矩法,考慮運行中傾覆力矩的影響,對某660 MW火電機組的空氣預熱器主軸強度進行計算與分析。

1 空氣預熱器轉子受力模型

對回轉式空氣預熱器主軸在運行過程中的受力情況進行如下簡化:假設回轉式空氣預熱器的轉子和主軸為剛體,其在受力作用下不會發生形變;假設回轉式空氣預熱器轉子與密封板的接觸變形均在彈性范圍內,忽略空氣預熱器轉子與扇形板和軸向密封板之間的摩擦;由于回轉式空氣預熱器轉子轉速為1～2 r/min[11],轉速較低,忽略其陀螺力矩產生的影響;回轉式空氣預熱器主軸同時承受結構應力和溫度變化產生的熱應力,由于結構應力遠大于熱應力,暫不考慮熱應力對空氣預熱器主軸的影響;假定回轉式空氣預熱器轉子質量分布均勻,其重力對主軸的彎矩為0 N·m。

回轉式空氣預熱器的主軸為轉動軸,其受電機所傳遞的扭矩。此外,作用于軸上的力有3個:一是轉子自身的重力;二是回轉式空氣預熱器中煙、風的流動阻力;三是煙、風壓差引起的徑向力。回轉式空氣預熱器轉子在運行過程中的受力情況如圖1所示。其中,空氣預熱器主軸所受來自煙氣側、一次風側和二次風側徑向力的示意圖如圖2所示。其中,Fji為產生的徑向力;Fi為煙、風對轉子平面的軸向壓力;R為轉子半徑;h為主軸高度;T為聯軸器傳遞給軸的扭矩;D為主軸直徑;下標i=1,2,3,分別表示回轉式空氣預熱器一次風倉、二次風倉和煙氣倉;β和γ分別為一次風倉和二次風倉所產生徑向力作用在空氣預熱器主軸上的角度。回轉式空氣預熱器主軸同時受扭矩和彎矩,因此可以采用彎扭合成當量彎矩法對空氣預熱器的主軸進行強度校核。

圖1 回轉式空氣預熱器轉子的受力情況Fig.1 Force on rotor of rotary air preheater

圖2 回轉式空氣預熱器主軸所受徑向力示意圖Fig.2 Radial force diagram of the main shaft of the rotary air preheater

彎扭合成當量彎矩法是以經驗為主導的安全系數法。該方法雖然選取有限的截面進行計算,有可能導致非危險截面設計直徑過大,造成材料成本增加,但此方法應用簡便,可有效防止軸的受載不合理,采用該方法可以計算回轉式空氣預熱器主軸所受扭矩、傾覆力矩等對其強度的影響。

1.1 空氣預熱器主軸所受的壓應力與剪切應力

在回轉式空氣預熱器僅受靜載荷時,其主軸所受的壓應力為:

(1)

式中:σc為空氣預熱器主軸橫截面所受的壓應力,Pa;FN為作用在空氣預熱器主軸軸線方向的壓力,N;A為空氣預熱器主軸橫截面面積,m2。

根據回轉式空氣預熱器主軸所傳遞的功率和轉速,可以得到驅動電機傳遞給空氣預熱器主軸的扭矩[12]。

(2)

式中:P為空氣預熱器轉子驅動電機的功率,kW;n為空氣預熱器轉子的轉速,r/min。

回轉式空氣預熱器主軸扭轉截面上的切應力為:

(3)

式中:τρ為主軸橫截面上任意點的切應力,Pa;ρ為主軸橫截面上選定點與圓心的距離,m。

1.2 空氣預熱器主軸所受軸向力和徑向力

回轉式空氣預熱器受動載荷時,將煙、風驅動力作用在空氣預熱器轉子上的壓力F向軸線簡化后,由力的平移定理[13],得到作用于軸線上的軸向力和傾覆力矩M[14]。

煙、風對轉子平面的軸向壓力Fi為:

Fi=pi·Si

(4)

式中:pi為煙、風流動方向上產生的壓強,Pa;Si為各倉室的流通面積,m2。

在分析回轉式空氣預熱器的受力時,將空氣預熱器轉子的3個分倉簡化為質點,壓力作用在質點上,則質心距旋轉中心的距離為:

(5)

式中:di為質心與旋轉中心的距離,m;θi為各倉室扇形部分的弧度,rad。

根據力的平移定理將壓力向軸線簡化后,得到回轉式空氣預熱器主軸彎矩,即煙、風作用產生的傾覆力矩為:

(6)

空氣預熱器主軸所受徑向力的計算公式為:

Fji=pi·πDfi·h

(7)

式中:fi為各倉室所占主軸周卡的份額。

由彎扭合成當量彎矩法可得,回轉式空氣預熱器受動載荷時主軸所受的應力σ為:

(8)

式中:α為折合系數,取值為0.3;Wz為抗彎截面系數,取值為0.098。

2 空氣預熱器主軸受力模型計算

2.1 空氣預熱器主軸所受靜載荷分析

以河南某660 MW火電機組的空氣預熱器為研究對象,該機組所使用的空氣預熱器為32.5 VNT 2200型回轉式空氣預熱器,其主要由圓筒型轉子、固定外殼及上部中心傳動裝置等重要部件組成。轉子由徑向和切向隔板分隔成48個扇形倉格,倉格內裝滿蓄熱板,并作為傳熱元件[15]。外殼的上下扇形板將轉子通流截面分成3部分,即煙氣流通部分、空氣流通部分和密封區[16]。回轉式空氣預熱器采用單馬達頂部中心驅動。該回轉式空氣預熱器的設計參數如表1所示。

表1 回轉式空氣預熱器設計參數

不考慮煙風兩側壓差所產生的轉子傾覆力矩對主軸的沖擊載荷時,空氣預熱器主軸所承受的靜應力為壓應力和剪切應力。對主軸截面進行應力計算時,采用線性彈性各向同性本構模型,主軸所用Q235鋼的材料參數如表2所示。

表2 回轉式空氣預熱器主軸材料參數

主軸所受壓應力來源于回轉式空氣預熱器轉子的重力,其值為6.37×106N。由式(1)可得,空氣預熱器主軸所受壓應力σc為8.12×106Pa。

由式(3)可知,在ρ=R,即主軸邊緣處空氣預熱器主軸扭轉截面上的切應力τ達到最大,為5.84×106Pa。

回轉式空氣預熱器主軸材料為Q235鋼,其疲勞極限為1.70×108Pa。對于靜載荷,取安全系數ns=1.8,則許用壓應力為[β]=1.42×108Pa,許用剪切應力為[τ]=5.67×107Pa。在此計算模型中,空氣預熱器主軸所受壓應力和剪切應力均小于許用應力,在僅受靜載荷時符合強度要求。

2.2 空氣預熱器主軸所受動載荷分析

2.2.1 空氣預熱器主軸受力

在回轉式空氣預熱器實際運行過程中,主軸所受軸向力除轉子重力外,還包括煙、風作用在主軸軸線方向的力,主軸所受來自煙、風的作用力與轉子自身重力疊加會使主軸所受壓應力發生改變。

在不同運行工況下,空氣預熱器煙氣側、一次風側和二次風側的壓差如表3所示。由力的合成定理和應力計算公式可得不同工況下主軸所受壓應力,見表4。其中,BMCR表示鍋爐最大連續蒸發量工況;BRL表示鍋爐額定負荷工況;THA表示熱耗率驗收工況。在不同工況下空氣預熱器主軸所受壓應力如圖3所示。

表3 不同工況下回轉式空氣預熱器煙氣側、空氣側壓差

從表4和圖3可以看出,不同工況下隨著煙、風壓差的增大,回轉式空氣預熱器主軸所受軸向力逐漸增大,主軸所受壓應力也隨之增大,但增幅不明顯,對主軸安全性影響不大。

空氣預熱器主軸所受來自煙氣側、一次風側和二次風側的徑向力可由力的合成定理進行合成計算,取一次風倉所產生徑向力角度β為25°,二次風倉所產生徑向力角度γ為65°。不同工況下空氣預熱器主軸所受徑向力如表5所示。

表4 回轉式空氣預熱器主軸所受軸向力和壓應力

圖3 回轉式空氣預熱器主軸所受壓應力變化

表5 回轉式空氣預熱器主軸所受徑向力

不同工況下回轉式空氣預熱器煙氣側、一次風側和二次風側產生的徑向力以及空氣預熱器主軸所受徑向力總和的變化曲線如圖4所示。由圖4可知,在不同工況下,隨著煙氣側壓差、一次風側壓差和二次風側壓差的增大,各分倉產生的徑向力也隨之增大,在BMCR工況下主軸所受的徑向力總和達到最大。

2.2.2 空氣預熱器主軸所受傾覆力矩

由于回轉式空氣預熱器的煙氣側與空氣側存在壓差,空氣預熱器主軸在運行中還會承受煙氣與空氣兩側壓差所產生的傾覆力矩。不同工況下回轉式空氣預熱器煙氣側、一次風側和二次風側所產生的傾覆力矩如表6所示。不同工況下空氣預熱器煙氣側和空氣側傾覆力矩的變化曲線如圖5所示。

圖4 空氣預熱器主軸所受徑向力的變化曲線Fig.4 The variation of radial force of the main shaft of the rotary air preheater

表6 不同工況下回轉式空氣預熱器所受傾覆力矩

圖5 不同工況下各分倉傾覆力矩的變化曲線Fig.5 The variation of the overturning moment of each division under different working conditions

由圖5可知,不同工況下隨著壓差的增大,各分倉所產生的傾覆力矩也隨之增大,在BMCR工況下空氣預熱器轉子所受傾覆力矩達到最大,且煙氣側產生的傾覆力矩最大,其次是二次風側,一次風側所產生的傾覆力矩最小,相較其他2個分倉,其變化趨勢更平緩。

在30%BMCR工況下,分別將煙氣側、一次風側和二次風側的壓差逐漸增加至150%,得到空氣預熱器主軸所受傾覆力矩的變化曲線,如圖6所示。

圖6 空氣預熱器主軸所受傾覆力矩的變化曲線Fig.6 The variation of the overturning moment on the main shaft of the rotary air preheater

由圖6可知,當回轉式空氣預熱器結構參數一定時,隨著空氣預熱器煙氣側、一次風側和二次風側壓差的增加,傾覆力矩與作用在轉子各分倉的壓差呈線性關系。因此,當空氣預熱器轉子各分倉壓差增加時,主軸所受傾覆力矩線性增加。當煙氣側壓差逐漸增加時,主軸所受傾覆力矩變化曲線的斜率最大,主軸所受傾覆力矩增速最快;當一次風側壓差逐漸增加時,一次風側所受傾覆力矩變化曲線斜率最小,主軸所受傾覆力矩增速最小。可見,當運行壓差增大時,煙氣側產生的傾覆力矩對主軸影響最大。

如表6所示,各工況下該回轉式空氣預熱器煙氣側產生的傾覆力矩最大,占空氣預熱器轉子所受總傾覆力矩的56%左右,且在BMCR工況下,空氣預熱器主軸所受傾覆力矩最大,此時傾覆力矩產生的彎曲應力在合成應力中占比52%,是影響主軸彎曲變形的重要因素。

2.2.3 空氣預熱器主軸強度

在BMCR工況下運行時,回轉式空氣預熱器主軸截面所受應力為5.654×106Pa。主軸材質為Q235鋼,對于動載荷,取安全系數ns=3,其許用應力為[σ]=5.67×107Pa。可見考慮傾覆力矩后,空氣預熱器主軸所受合成應力仍符合強度要求。但相較于不考慮傾覆力矩影響的情況下,安全裕度降低了40%。

3 結 論

(1) 回轉式空氣預熱器在運行過程中,作用于主軸上的力主要有轉子自身的重力、煙、風的流動阻力以及煙、風壓差引起的徑向力。主軸除了受電機驅動力產生的扭矩外,還會承受煙氣與空氣側由于壓差不同所產生的傾覆力矩。

(2) 在BMCR工況下,回轉式空氣預熱器轉子所受到的傾覆力矩最大,且由于煙氣側的壓差和流通面積相較其他兩分倉更大,因此煙氣側產生的傾覆力矩最大,一次風側所產生的傾覆力矩最小。

(3) 回轉式空氣預熱器在BMCR工況下運行時,主軸所受傾覆力矩產生的彎曲應力在合成應力中占比52%,是影響主軸彎曲變形的重要因素。此時,相較于不考慮傾覆力矩影響的情況下,主軸強度的安全裕度降低了40%。