回转式空气预热器热补偿密封结构设计

杜佳桥，王少华，邓杨扬，张明尧

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

1 引言

目前在我国火力发电厂中，回转式空预器作为锅炉中重要节能设备，在大型火力发电机组中得到了广泛的应用[1]。由于其自身的旋转结构以及高温引起的热变形，导致漏风率较大。上世纪50年代，文献[2-3]指出空预器的漏风量是影响火力发电机组锅炉效率和发电机输出功率的重要因素。其后不久，文献[4]提出漏风率与热交换率的概念。直到70年代，文献[5]定量描述了漏风率与热交换率的关系。

目前在各种型号空预器的密封装置中，运用最广泛的是采用刚性密封片的密封技术，这种密封形式不能调节密封间隙，在转子发生热变形后会导致漏风间隙增大，漏风率激增[6]。于是出现了一种由弹簧和滑块组成的密封装置，通过弹簧的作用使滑块紧紧地贴在扇形板上，理论上可以使漏风率接近0%，但是在高温环境下其可靠性低，极易发生故障。此外，还有刷式柔性密封技术、多重密封技术、弹性密封技术等。总之，上述的各种密封装置虽然各有优点，能够在一段时间内一定程度上解决漏风率大的问题，但仍然具有较大的局限性，存在噪声大、寿命短、故障率高、更换困难等问题。为解决传统空预器的漏风问题，以某600MW发电机组空预器为研究对象，提出了一种能够使空预器漏风率长期处于较低水平的复合型柔性密封装置，其由柔性密封片和热补偿金属结构组成。着重研究了其中的热补偿金属结构，并进行了理论分析和ANSYS有限元仿真。研究了热双金属变形量大小的影响因素，为其他型号空预器复合型柔性密封装置的设计提供了指导。

2 空预器转子温度场及变形分析

2.1 温度场分析

三分仓回转式空预器的传热示意图，如图1所示。空预器在工作过程中，蓄热材料在转子的带动下首先通过烟气侧，在烟气侧中被加热。然后在一次风和二次风的作用下，空气最大限度地带走蓄热材料中的热量。为使蓄热材料与空气换热充分，空气侧的设计风向与烟气的流动方向相反。

图1 三分仓回转式空预器传热示意图Fig.1 Heat Transfer Diagram of Rotary Air Preheater in Three Compartment

空气预热器属于一种复杂的热动力系统。但对于任何复杂的热动力系统，仍可将其看作是由大量的基础模型组成，符合动量守恒、质能守恒定律。用多层金属流体来模拟旋转的转子，空气道和烟气道中的气体垂直穿过转子中的蓄热材料。

在Design Model建立空气预热器的三维模型，在Fluent中进行流体分析。为方便计算，将空预器模型进行了简化。使用材料库中的多孔介质替代蓄热材料[7]，利用挡板替代转子格仓板。网格划分总体采用六面体网格，并在漏风位置进行网格细化，如图2所示。

图2 转子模型网格划分Fig.2 Mesh Generation of Rotor Model

在Fluent前处理器设置中，求解器类型选择三维单精度求解器，湍流模型选择realizablek-ε模型。经过试算，时间步长设置为0.01s。部分时刻转子的温度场分布，如图3所示。根据其温度变化可看出转子的传热过程。

图3 转子传热过程示意图Fig.3 Schematic Diagram of Rotor Heat Transfer Process

由图3可知，随着空预器转子的转动，其温度先升高，到达一定温度后保持稳定。形成热端和冷端，其温差较大。空气侧转子热端和冷端温度均低于烟气侧。当转子从烟气侧即将进入一次风侧时，此时转子经过充分加热，其温度达到最高。热端温度升至约359.3℃，冷端温度升至约106.2℃。当转子从二次风侧即将进入烟气侧时，转子的热量在最大程度被空气带走，其温度达到最低。热端降至约339.7℃，冷端降至约67.7℃。

2.2 变形分析

空预器转子变形主要有两个原因：一是由于转子自重导致的变形；二是由于热端和冷端温差而导致的“蘑菇状”热变形。热变形是主要的变形，也是造成空预器气体泄漏的主要因素。通过流体分析，知道了转子的温度分布。在转子的有限元模型上加载温度场以及自重，可以得到转子在温度场和自重联合作用下的变形分布。基于ANSYSWorkbench进行温度场和结构的耦合分析，如图4所示。转子的变形结果，如图5所示。

图4 温度和结构耦合分析Fig.4 Temperature and Structure Coupling Analysis

图5 转子总变形云图Fig.5 Total Deformation Cloud Diagram of the Rotor

由图5可知，转子总的最大变形量为41.075mm，而安装有蓄热材料部分的转子最大变形量为39.7mm。

为了方便地求出空气预热器转子的热变形量，国内外学者提出了大量的经验公式。利用文献[8]提出的一种经验公式进行计算，并与仿真结果进行对比。

式中：ΔL—转子热变形量（mm）；

α1—冷端金属热膨胀系数（1/℃）；

α2—热端金属热膨胀系数（1/℃）；

T0—环境温度（℃）；

T1—冷端温度（℃）；

T2—热端温度（℃）；

H—蓄热材料高度（mm）；

R—转子半径（mm）。

计算可得ΔL=37.8mm，与仿真结果39.7mm误差很小。

3 空预器热补偿密封结构设计

3.1 柔性密封片和热补偿金属结构

设计的密封装置主要由两部分组成：一是与扇形板接触的柔性密封片；二是调节密封间隙的热补偿金属结构。柔性密封片在高温下必须保持良好的力学性能，与扇形板摩擦小。当柔性密封片背侧风压大于其预压力时，密封片发生弯曲。密封片弯曲后，其弯曲应力大于风压，密封片回弹。在整个过程中，密封片始终处于动态平衡中，密封间隙在一个很小的范围内波动。

热补偿金属结构，其核心是热补偿金属。在转子变形较小的区域，可单独使用柔性密封片进行密封，如图6所示。在转子发生变形较大的位置（一般认为大于10mm），需要将柔性密封片和热补偿金属结构组合使用。通过热补偿金属的变形来补偿较大的漏风间隙，使漏风间隙始终保持在一个较小的范围，如图7（图示结构仅作为参考）所示。

图6 密封片单独作用示意图Fig.6 Separate Action Diagram of Sealing Sheet

图7 密封片与热补偿金属结构组合作用示意图Fig.7 Schematic Diagram of Combination Action of Sealing Sheet and Thermal Compensation Metal Structure

3.2 热补偿金属结构设计

为减少漏风量，在不影响空预器正常工作的情况下，应使转子端面到扇形板的距离尽量小并且可调[9]。根据所研究的空气预热器，要求热端密封结构的尺寸小于187mm，冷端密封结构的尺寸小于138mm。通过测量和计算，要求热补偿金属结构在热端的高度小于125mm，在冷端的高度＜110mm。并且要求在转子径向距离最远位置处的热补偿装置的热补偿量能够达到39.7mm[10]。

热双金属是热补偿金属结构的核心部分。其形状随着温度变化而变化以适应转子的变形。热双金属由主动层和被动层轧制而成，主动层金属的热膨胀系数较大，被动层金属的热膨胀系数较小。温度升高时，由于两层金属的热膨胀系数不同，热双金属片发生弯曲，由此产生的位移可补偿转子变形产生的密封间隙。设计的热补偿金属结构，如图8、图9所示。

图8 热补偿金属结构二维图Fig.8 Two-Dimensional Diagram of Thermal Compensation Metal Structure

图9 热补偿金属结构三维图Fig.9 Three-Dimensional Diagram of Thermal Compensation Metal Structure

如图8所示，密封片固定板通过螺栓连接在热双金属片上，两块热双金属片两端通过销轴连接，当其发生弯曲变形时可绕销轴转动，下端热双金属片与固定板通过螺栓连接。当温度升高时，两块热双金属片发生相反方向的弯曲变形，带动柔性密封片向上移动。

初步选定热双金属片，其厚为2mm，长为200mm（有效长度为180mm），宽为30mm。通过热变形公式和热力公式进行理论计算，在ANSYS中进行有限元仿真，得到最佳尺寸。热变形公式和热力公式如下：

式中：ΔL—热双金属的变形量（mm）；

F—热双金属形变产生的热力（N）；

K—热双金属的温曲率(10-6/℃)；

L—热双金属的有效长度（mm）；

T—热双金属变形前后温差（℃）；

t—热双金属厚度（mm）；

w—热双金属宽度（mm）；

E—热双金属弹性模量（N/mm2）。

转子的最大变形量为39.7mm，由于热补偿金属结构是由两片热双金属片组成，因此一条热双金属片变形量达到总变形量的一半即可，即ΔL=20mm。转子从烟气侧即将进入一次风侧时的变形量最大，因此要求安装在此位置的热双金属片变形量最大。计算可得热双金属温曲率为：

沿空预器转子径向需要安装一整条柔性密封片，柔性密封片长度为5200mm。在转子径向上，半径越大转子的变形量越大，所需要的热补偿金属结构的补偿量就越大。热双金属的变形需要与转子的变形匹配，因此在半径方向上安装14套热补偿量不同的金属结构。根据测量，5200mm的柔性密封片质量约5.6kg，一套热补偿金属结构的质量约1kg。因此每条热金属片承受的质量为1.4kg，即F=14N。

计算可得温曲率为：k2=

计算可知，热双金属的温曲率必须大于7.1×10-6/℃才能符合要求。查询FPA系列热双金属参数，初步选择型号为FPA258-60、温曲率为11.5×10-6/℃的热双金属材料。其材料属性，如表1所示。

表1 FPA258-60热双金属金属材料属性Tab.1 FPA 258-60 Thermal Bimetallic Material Properties

为使热双金属片发生变形时产生足够的热变形力，需要计算热双金属片的最小宽长比，计算可得：

由计算结果可知，要使热双金属片产生足够的热变形力，其宽长比应＞0.043。

3.3 热双金属仿真分析

选择尺寸为（200×30×2）mm的热双金属片进行初步分析。在ANSYS中建立热双金属片有限元模型，如图10所示。主动层金属和被动层金属厚度均为1mm，其相同的厚度可降低制造成本，这样的设计与最佳主、被动层厚度组合的变形量相差很小[11]。

图10 热双金属片有限元模型Fig.10 Thermal Bimetallic Plate Finite Element Model

得到热双金属片变形结果，如图11所示。其变形量为21.95mm，由于热补偿金属结构是由两片热双金属片组成，因此总变形量为43.9mm，大于所需要的变形量39.7mm，因此还需要进一步调整热双金属片的尺寸，使其补偿量与转子的变形更加匹配。

图11 （200×30×20）mm变形云图Fig.11 （200×30×20）mm Deformation Nephogram

改变热双金属片长度、宽度和厚度，并分别进行有限元分析，得到与转子不同位置变形量相匹配的热双金属片尺寸，如表2所示。

表2 转子位置对应的热双金属尺寸及变形量（mm）Tab.2 Size and Deformation of Thermal Bimetal Corresponding to Rotor Position（mm）

表2 转子位置对应的热双金属尺寸及变形量（mm）（续）Tab.2 Size and Deformation of Thermal Bimetal Corresponding to Rotor Position（mm）（continued）

热补偿金属结构变形量变化趋势，如图12所示。

图12 转子变形量与热补偿金属结构变形量关系Fig.12 The Relationship Between the Rotor Deformation and the Thermal Compensation Metal Structure Deformation

一般情况下，当密封间隙＜10mm时，不需要进行密封间隙的补偿。但考虑到空预器在制造安装中可能产生误差，因此密封间隙大于5mm时需安装热补偿金属结构。当密封间隙介于（5～10）mm时，其热补偿金属结构中的热双金属片规格可采用（100×20×2）mm、（90×20×2）mm以及（80×20×2）mm。其热变形区间为（5.2～9.4）mm，适合（5～10）mm的间隙密封。复合型柔性密封装置安装示意图，如图13所示。

图13 热补偿金属结构与柔性密封片组合示意图Fig.13 Schematic Diagram of Combination of Thermal Compensation Metal Structure and Flexible Sealing Sheet

3.4 热双金属片参数分析

为使热补偿金属结构能够在不同的空气预热器中得到广泛应用，对热双金属片变形量的相关影响因素进行分析。以FPPA258-60型热双金属为研究对象，保持其宽度（30mm）、厚度（2mm）不变，研究其热变形量与长度的相关性，如图14所示。

图14 热双金属变形量随长度变化规律Fig.14 The Deformation of Thermal Bimetal Varies with Length

热双金属的变形量随长度的增加近似呈线性增长，将其拟合为线性表达式：

同理，可得到热双金属变形量随宽度变化的规律，如图15所示。

图15 热双金属变形量随宽度变化规律Fig.15 The Deformation of Thermal Bimetal Varies with Width

经过拟合，可得到线性表达式：

分别单独改变主动层厚度、被动层厚度，以及主动层、被动层厚度同时等幅度改变来研究变形量随厚度变化的规律。得到热变形量随厚度变化的规律，如图16所示。

图16 热双金属变形量随厚度变化规律Fig.16 The Deformation of Thermobimetal Varies with Thickness

由图16可知，随着主动层或被动层变薄，变形量大致呈二次增长。热变形量增大到一定程度后开始减小，当主动层厚度为1.2mm或被动层为1mm时热变形量达到最大。主动层、被动层厚度同时等幅度变化时，随着厚度变薄，变形量近似呈指数增长。但是热双金属片变薄，其热变形力随之变小。因此，在设计热双金属片尺寸时，需要综合考虑其厚度和热变形力。

4 总结

（1）对空预器进行温度场和变形分析，得到空预器转子热端最高温度为359.3℃，最低温度为339.7℃；冷端最高温度为106.2℃，最低温度为67.7℃。转子的变形量随径向距离的增大而增大，仿真计算得到的最大变形量为39.7mm，理论计算得到的最大变形量为37.8mm。

（2）根据空预器转子的变形特点，设计了一种热补偿金属结构，其热补偿量随热双金属片长度增大而增大，最大热补偿量为39.7mm。

（3）对热双金属进行仿真分析，得到了转子在不同位置所匹配的热双金属尺寸，随着转子径向距离的增大，其对应的热双金属片的长度随之增大。

（4）进一步地研究了热双金属片变形量的影响因素，得到了热双金属片变形量与其长度、宽度、厚度之间的关系，并对其进行了拟合。为空气预热器密封装置的设计提供了有益指导。