考虑倾覆力矩影响的回转式空气预热器主轴强度分析

高建强, 张子悦, 刘松洋, 李红玉

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院,河北保定 071003)

三分仓回转式空气预热器是燃煤锅炉的尾部烟气热交换设备[1-2],具有质量小、结构紧凑、换热面积大、传热效率高等优点[3],其安全稳定运行对火电机组具有重要意义。

三分仓回转式空气预热器包含烟气仓、一次风仓、二次风仓3个分仓[4]。在实际运行时,由于烟气侧与空气侧存在压力差,其主轴除了受电机驱动力产生的扭转力矩外,还会承受烟气与空气两侧因压差不同所产生的倾覆力矩。因此,在回转式空气预热器热态运行过程中,由于结构设计不合理以及运行参数的变化,可能会使空气预热器主轴长期承受较为集中的应力,导致疲劳断裂。

目前,在对回转式空气预热器主轴强度的计算和分析研究中,考虑倾覆力矩的变化并定量计算其对主轴强度的影响研究还鲜有报道。侯超[5]将回转式空气预热器转子截面简化为悬臂梁结构,沿中心筒轴向对转子进行受力分析,并定性指出烟气侧的倾覆力最大。王林[6]对回转式空气预热器冷端大梁进行了受力分析,设计了3种结构方案,并对其变形和漏风进行分析。常毅君等[7]以“U形波纹”径向密封片为例,着重分析了回转式空气预热器隔仓压差对柔性接触式密封片刚度和强度的影响。

孙玉秋[8]采用复合应力法构建了转轴疲劳强度的数学模型,给出了综合疲劳系数中的尺寸系数和影响系数,运用该模型可以大大减少转轴疲劳强度的计算工作量。韩金亮等[9]通过具体案例阐述了弯曲变形构件中危险截面的判定方法,对于圆形的双向弯曲变形构件,合成弯矩最大的截面即为危险截面。张晓伟等[10]采用弯扭合成当量弯矩法计算旋转轴所受应力,并将轴所受的应力与许用疲劳强度进行比较,从而说明了此方法的适用性。因此,回转式空气预热器主轴的强度校核可采用多种计算方法,其中弯扭合成当量弯矩法计算简便、适用性强,可对回转式空气预热器运行过程中作用在主轴上的倾覆力矩、应力、强度等进行计算分析。

笔者采用弯扭合成当量弯矩法,考虑运行中倾覆力矩的影响,对某660 MW火电机组的空气预热器主轴强度进行计算与分析。

1 空气预热器转子受力模型

对回转式空气预热器主轴在运行过程中的受力情况进行如下简化:假设回转式空气预热器的转子和主轴为刚体,其在受力作用下不会发生形变;假设回转式空气预热器转子与密封板的接触变形均在弹性范围内,忽略空气预热器转子与扇形板和轴向密封板之间的摩擦;由于回转式空气预热器转子转速为1～2 r/min[11],转速较低,忽略其陀螺力矩产生的影响;回转式空气预热器主轴同时承受结构应力和温度变化产生的热应力,由于结构应力远大于热应力,暂不考虑热应力对空气预热器主轴的影响;假定回转式空气预热器转子质量分布均匀,其重力对主轴的弯矩为0 N·m。

回转式空气预热器的主轴为转动轴,其受电机所传递的扭矩。此外,作用于轴上的力有3个:一是转子自身的重力;二是回转式空气预热器中烟、风的流动阻力;三是烟、风压差引起的径向力。回转式空气预热器转子在运行过程中的受力情况如图1所示。其中,空气预热器主轴所受来自烟气侧、一次风侧和二次风侧径向力的示意图如图2所示。其中,Fji为产生的径向力;Fi为烟、风对转子平面的轴向压力;R为转子半径;h为主轴高度;T为联轴器传递给轴的扭矩;D为主轴直径;下标i=1,2,3,分别表示回转式空气预热器一次风仓、二次风仓和烟气仓;β和γ分别为一次风仓和二次风仓所产生径向力作用在空气预热器主轴上的角度。回转式空气预热器主轴同时受扭矩和弯矩,因此可以采用弯扭合成当量弯矩法对空气预热器的主轴进行强度校核。

图1 回转式空气预热器转子的受力情况Fig.1 Force on rotor of rotary air preheater

图2 回转式空气预热器主轴所受径向力示意图Fig.2 Radial force diagram of the main shaft of the rotary air preheater

弯扭合成当量弯矩法是以经验为主导的安全系数法。该方法虽然选取有限的截面进行计算,有可能导致非危险截面设计直径过大,造成材料成本增加,但此方法应用简便,可有效防止轴的受载不合理,采用该方法可以计算回转式空气预热器主轴所受扭矩、倾覆力矩等对其强度的影响。

1.1 空气预热器主轴所受的压应力与剪切应力

在回转式空气预热器仅受静载荷时,其主轴所受的压应力为:

(1)

式中:σc为空气预热器主轴横截面所受的压应力,Pa;FN为作用在空气预热器主轴轴线方向的压力,N;A为空气预热器主轴横截面面积,m2。

根据回转式空气预热器主轴所传递的功率和转速,可以得到驱动电机传递给空气预热器主轴的扭矩[12]。

(2)

式中:P为空气预热器转子驱动电机的功率,kW;n为空气预热器转子的转速,r/min。

回转式空气预热器主轴扭转截面上的切应力为:

(3)

式中:τρ为主轴横截面上任意点的切应力,Pa;ρ为主轴横截面上选定点与圆心的距离,m。

1.2 空气预热器主轴所受轴向力和径向力

回转式空气预热器受动载荷时,将烟、风驱动力作用在空气预热器转子上的压力F向轴线简化后,由力的平移定理[13],得到作用于轴线上的轴向力和倾覆力矩M[14]。

烟、风对转子平面的轴向压力Fi为:

Fi=pi·Si

(4)

式中:pi为烟、风流动方向上产生的压强,Pa;Si为各仓室的流通面积,m2。

在分析回转式空气预热器的受力时,将空气预热器转子的3个分仓简化为质点,压力作用在质点上,则质心距旋转中心的距离为:

(5)

式中:di为质心与旋转中心的距离,m;θi为各仓室扇形部分的弧度,rad。

根据力的平移定理将压力向轴线简化后,得到回转式空气预热器主轴弯矩,即烟、风作用产生的倾覆力矩为:

(6)

空气预热器主轴所受径向力的计算公式为:

Fji=pi·πDfi·h

(7)

式中:fi为各仓室所占主轴周卡的份额。

由弯扭合成当量弯矩法可得,回转式空气预热器受动载荷时主轴所受的应力σ为:

(8)

式中:α为折合系数,取值为0.3;Wz为抗弯截面系数,取值为0.098。

2 空气预热器主轴受力模型计算

2.1 空气预热器主轴所受静载荷分析

以河南某660 MW火电机组的空气预热器为研究对象,该机组所使用的空气预热器为32.5 VNT 2200型回转式空气预热器,其主要由圆筒型转子、固定外壳及上部中心传动装置等重要部件组成。转子由径向和切向隔板分隔成48个扇形仓格,仓格内装满蓄热板,并作为传热元件[15]。外壳的上下扇形板将转子通流截面分成3部分,即烟气流通部分、空气流通部分和密封区[16]。回转式空气预热器采用单马达顶部中心驱动。该回转式空气预热器的设计参数如表1所示。

表1 回转式空气预热器设计参数

不考虑烟风两侧压差所产生的转子倾覆力矩对主轴的冲击载荷时,空气预热器主轴所承受的静应力为压应力和剪切应力。对主轴截面进行应力计算时,采用线性弹性各向同性本构模型,主轴所用Q235钢的材料参数如表2所示。

表2 回转式空气预热器主轴材料参数

主轴所受压应力来源于回转式空气预热器转子的重力,其值为6.37×106N。由式(1)可得,空气预热器主轴所受压应力σc为8.12×106Pa。

由式(3)可知,在ρ=R,即主轴边缘处空气预热器主轴扭转截面上的切应力τ达到最大,为5.84×106Pa。

回转式空气预热器主轴材料为Q235钢,其疲劳极限为1.70×108Pa。对于静载荷,取安全系数ns=1.8,则许用压应力为[β]=1.42×108Pa,许用剪切应力为[τ]=5.67×107Pa。在此计算模型中,空气预热器主轴所受压应力和剪切应力均小于许用应力,在仅受静载荷时符合强度要求。

2.2 空气预热器主轴所受动载荷分析

2.2.1 空气预热器主轴受力

在回转式空气预热器实际运行过程中,主轴所受轴向力除转子重力外,还包括烟、风作用在主轴轴线方向的力,主轴所受来自烟、风的作用力与转子自身重力叠加会使主轴所受压应力发生改变。

在不同运行工况下,空气预热器烟气侧、一次风侧和二次风侧的压差如表3所示。由力的合成定理和应力计算公式可得不同工况下主轴所受压应力,见表4。其中,BMCR表示锅炉最大连续蒸发量工况;BRL表示锅炉额定负荷工况;THA表示热耗率验收工况。在不同工况下空气预热器主轴所受压应力如图3所示。

表3 不同工况下回转式空气预热器烟气侧、空气侧压差

从表4和图3可以看出,不同工况下随着烟、风压差的增大,回转式空气预热器主轴所受轴向力逐渐增大,主轴所受压应力也随之增大,但增幅不明显,对主轴安全性影响不大。

空气预热器主轴所受来自烟气侧、一次风侧和二次风侧的径向力可由力的合成定理进行合成计算,取一次风仓所产生径向力角度β为25°,二次风仓所产生径向力角度γ为65°。不同工况下空气预热器主轴所受径向力如表5所示。

表4 回转式空气预热器主轴所受轴向力和压应力

图3 回转式空气预热器主轴所受压应力变化

表5 回转式空气预热器主轴所受径向力

不同工况下回转式空气预热器烟气侧、一次风侧和二次风侧产生的径向力以及空气预热器主轴所受径向力总和的变化曲线如图4所示。由图4可知,在不同工况下,随着烟气侧压差、一次风侧压差和二次风侧压差的增大,各分仓产生的径向力也随之增大,在BMCR工况下主轴所受的径向力总和达到最大。

2.2.2 空气预热器主轴所受倾覆力矩

由于回转式空气预热器的烟气侧与空气侧存在压差,空气预热器主轴在运行中还会承受烟气与空气两侧压差所产生的倾覆力矩。不同工况下回转式空气预热器烟气侧、一次风侧和二次风侧所产生的倾覆力矩如表6所示。不同工况下空气预热器烟气侧和空气侧倾覆力矩的变化曲线如图5所示。

图4 空气预热器主轴所受径向力的变化曲线Fig.4 The variation of radial force of the main shaft of the rotary air preheater

表6 不同工况下回转式空气预热器所受倾覆力矩

图5 不同工况下各分仓倾覆力矩的变化曲线Fig.5 The variation of the overturning moment of each division under different working conditions

由图5可知,不同工况下随着压差的增大,各分仓所产生的倾覆力矩也随之增大,在BMCR工况下空气预热器转子所受倾覆力矩达到最大,且烟气侧产生的倾覆力矩最大,其次是二次风侧,一次风侧所产生的倾覆力矩最小,相较其他2个分仓,其变化趋势更平缓。

在30%BMCR工况下,分别将烟气侧、一次风侧和二次风侧的压差逐渐增加至150%,得到空气预热器主轴所受倾覆力矩的变化曲线,如图6所示。

图6 空气预热器主轴所受倾覆力矩的变化曲线Fig.6 The variation of the overturning moment on the main shaft of the rotary air preheater

由图6可知,当回转式空气预热器结构参数一定时,随着空气预热器烟气侧、一次风侧和二次风侧压差的增加,倾覆力矩与作用在转子各分仓的压差呈线性关系。因此,当空气预热器转子各分仓压差增加时,主轴所受倾覆力矩线性增加。当烟气侧压差逐渐增加时,主轴所受倾覆力矩变化曲线的斜率最大,主轴所受倾覆力矩增速最快;当一次风侧压差逐渐增加时,一次风侧所受倾覆力矩变化曲线斜率最小,主轴所受倾覆力矩增速最小。可见,当运行压差增大时,烟气侧产生的倾覆力矩对主轴影响最大。

如表6所示,各工况下该回转式空气预热器烟气侧产生的倾覆力矩最大,占空气预热器转子所受总倾覆力矩的56%左右,且在BMCR工况下,空气预热器主轴所受倾覆力矩最大,此时倾覆力矩产生的弯曲应力在合成应力中占比52%,是影响主轴弯曲变形的重要因素。

2.2.3 空气预热器主轴强度

在BMCR工况下运行时,回转式空气预热器主轴截面所受应力为5.654×106Pa。主轴材质为Q235钢,对于动载荷,取安全系数ns=3,其许用应力为[σ]=5.67×107Pa。可见考虑倾覆力矩后,空气预热器主轴所受合成应力仍符合强度要求。但相较于不考虑倾覆力矩影响的情况下,安全裕度降低了40%。

3 结 论

(1) 回转式空气预热器在运行过程中,作用于主轴上的力主要有转子自身的重力、烟、风的流动阻力以及烟、风压差引起的径向力。主轴除了受电机驱动力产生的扭矩外,还会承受烟气与空气侧由于压差不同所产生的倾覆力矩。

(2) 在BMCR工况下,回转式空气预热器转子所受到的倾覆力矩最大,且由于烟气侧的压差和流通面积相较其他两分仓更大,因此烟气侧产生的倾覆力矩最大,一次风侧所产生的倾覆力矩最小。

(3) 回转式空气预热器在BMCR工况下运行时,主轴所受倾覆力矩产生的弯曲应力在合成应力中占比52%,是影响主轴弯曲变形的重要因素。此时,相较于不考虑倾覆力矩影响的情况下,主轴强度的安全裕度降低了40%。