回轉式空氣預熱器轉子隔板的熱變形分析

任小龍，張世紅，楊海平

(華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

0 概 述

空氣預熱器是利用鍋爐尾部煙氣的熱量加熱空氣的裝備，是提高火電廠鍋爐效率的重要設備。受煙氣與空氣溫度差異[1-3]、冷端與熱端溫度差異[4-5]、轉子及轉子隔板存在熱變形[6-7]等因素的影響，流體會在不同的倉室之間相互泄漏，造成直接漏風，極大地程度影響了鍋爐運行的經濟性。掌握預熱器轉子隔板的變形規律，選擇合適的密封結構，才能優化密封效果。

對于空氣預熱器轉子的變形問題，王洪躍[8]等人采用數學方法，建立了熱態運行時隔板熱應變的數學模型，利用熱彈性力學理論和有限元方法進行求解，得到較為準確的熱應變結果。強君剛[9]等采用ANSYS有限元分析法，對轉子倉室的隔板進行分析求解，證明了有限元分析法用于轉子熱變形分析的可靠性。李林[10]則采用MSC.Nastran軟件，對預熱器整體進行了有限元分析，并考慮了自重對預熱器變形的影響，得到較為精確的轉子熱變形數據。目前，在關于轉子熱變形的研究中，利用有限元分析法較為便捷和直觀，應用較為廣泛。但在前人的研究中，并未詳細涉及不同預熱器尺寸及不同溫度條件下轉子的熱變形狀態,也未建立相應的熱變形預測公式。

1 轉子熱變形的有限元分析

1.1 研究對象

空氣預熱器在熱態運行時，流經上煙風道的高溫煙氣被送入轉子，煙氣與轉子倉格中的金屬蓄熱元件進行換熱。當預熱器的運行溫度穩定后，轉子熱端的平均溫度將高于冷端的平均溫度，即轉子內部存在形成溫度梯度，引發了熱應力。熱應力導致轉子變形，形態呈“蘑菇狀”，如圖1所示。在熱態條件下，轉子變形將導致某些部位的零件間隙增大，造成漏風現象嚴重，也有某些部位的間隙變小，可能造成卡殼現象，嚴重影響空預器的正常運行。

圖1 回轉式預熱器轉子的熱態變形

回轉式空氣預熱器的基本組成單元，是包含換熱元件的倉室。在各個倉室之間，以徑向隔板作為間隔。由于煙氣、一次風和二次風的進出口溫度不同，轉子在不同區域的熱變形程度也不相同，且預熱器轉子的熱變形將隨溫度變化而時刻改變。若以整個轉子為研究對象，分析時將十分復雜。根據預熱器的結構特點，僅選取扇形倉室間的徑向隔板為研究對象，分析倉室內煙氣或空氣通過時隔板的熱變形狀態，雖然無法得到轉子任意位置的變形與時間的關系，卻能得到轉子變形量最大時在某位置的變形特征。徑向隔板的位置，如圖2所示。

圖2 徑向隔板位置示意圖

1.2 求解過程

利用ANSYS有限元分析法，探究轉子熱變形的規律，研究過程主要分為有限元模型的建立、施加熱載荷與應力載荷、模型計算與分析三個過程[12]。首先，確立有限元模型的結構及物性參數，并劃分模型網格，獲得離散化的模型，再對模型施加溫度條件、位移約束等邊界條件。最后，選擇合理的計算參數，獲得指定參數條件下的溫度場、應力分布、位移變化等數據。

現以某電站的三分倉回轉式空氣預熱器為計算模型，該預熱器的主要參數，如表1所示。

表1回轉式空氣預熱器主要參數

名稱及運行參數數值轉子半徑R/mm10500傳熱元件高度H/mm1800隔板高度Hp/mm2767隔板長度L/mm9572熱膨脹系數α1.35×10-5彈性模量E/Pa2×1011密度ρ/(kg·m-3)7.9×103泊松比/λ0.25煙氣進口溫度t/℃370煙氣出口溫度t′/℃125

2 轉子熱變形的模擬分析

2.1 溫度分布及熱變形分布

將預熱器轉子模型簡化后，再設置各求解參數，利用ANSYS mechanical APDL模塊功能，對模型進行有限元網格劃分。模型左端為與轉軸相連的隔板內端，右端為隔板的外緣，模型上方為煙氣進口，稱作熱端，下端為煙氣出口，稱作冷端。待網格劃分完畢后，加載位移邊界條件約束及熱邊界條件約束。隔板是焊接在預熱器中心轉軸上的結構，因此，對左端(焊接部位)施加位移約束，計算得到轉子熱變形云圖，如圖3所示。為了便于觀察，已將轉子變形量放大了5倍。

圖3 隔板熱變形云圖

從圖3可知，當機組滿負荷運行時，轉子整體發生向下彎曲，符合常見的“蘑菇狀”變形(圖3只顯示中心轉軸的一側)。在隔板的熱端與冷端均發生了彎曲變形，而在隔板外緣，雖發生了位移變化，但幾乎仍保持直線狀。為獲得更加全面的變形狀態，從模擬結果中，導出了隔板的水平方向位移云圖和豎直方向位移云圖，如圖4、如圖5所示。在水平位移與豎直位移的計算中，以某有限元單位為基準，表示隔板某一點發生位移后與該點原來位置之間的水平距離和豎直距離。不難發現，水平位移的最大處位于熱端的最外緣，為42.77 mm，冷端的水平位移，則為14.57 mm。熱端與冷端外緣的水平位移差值，達28.20 mm。因此，在設計軸向密封時，在熱端的外緣需適當減小密封間隙，而在冷端的外緣需增大密封間隙。根據圖7所示，豎直位移最大處位于冷端的最外緣，為52.55 mm，熱端外緣的豎直位移則為44.24 mm，熱端與冷端外緣豎直位移的差值為8.31 mm。在豎直方向上的位移導致轉子變形，是造成空氣預熱器直接漏風的重要因素。

圖4 隔板的水平方向位移云圖

圖5 隔板豎直方向位移云圖

2.2 隔板熱變形的規律

利用有限元模擬方法，有效解決了測量轉子變形量的難題。根據分析可知，預熱器的尺寸大小對轉子的變形有重要影響。現選取不同的隔板高度、不同的隔板長度進行有限元分析，并設置了不同的煙氣進口溫度，將出口煙氣溫度保持不變，從而獲取更全面的隔板變形規律。

圖6表示沿隔板熱端及冷端沿徑向豎直位移量的變化規律。縱坐標的正負值分別表示向上方與下方的變形。由圖可知，沿隔板長度逐漸增大的方向，熱端在接近轉軸處發生微小的向上的變形，這是由于轉子的膨脹作用與轉軸的固定作用耦合產生的。沿隔板長度方向，冷端與熱端均呈現總體向下變形量逐漸增大的趨勢，最大變形發生在隔板的末端。隨著進口煙氣溫度的增大，曲線坡度隨之增加，最大變形量也逐漸增加，可知隔板的變形受溫度的影響較大 。

(a)熱端

(b)冷端

由于熱端靠近轉軸處，存在微小的向上變形量，在距中心轉軸的相同位置處，冷端比熱端具有更大的變形量。計算熱端總變形量時，可認為總變形量被一部分向上的變形量所抵消，因此，冷端最大變形量等于熱端向下最大變形量加上2個熱端向上最大變形量。當運行溫度為420℃時，最大變形量為：53.69+2×4.34=62.37≈62.4 mm。

隔板熱端及冷端的水平位移量，隨隔板高度的增加而發生變化。水平位移量的變化規律，如圖7所示。從圖7可知，隔板受膨脹作用的影響，水平位移均為正值。隨隔板高度的增加，隔板熱端的最大水平位移幾乎保持不變，其變化主要受溫度的影響(經驗證為線性變化)，而隔板的冷端的最大水平位移，則隨隔板高度的增加呈線性增長，溫度對其的影響值也接近線性。整體而言，無論熱端還是冷端，增加隔板高度后，對水平位移量的影響較小(<0.1 mm)。隔板水平方向的變形，可認為主要是受溫度的影響。

(a)熱端

(b)冷端

圖7 水平位移隨隔板高度變化規律(L=9 527 mm)

在豎直方向上，隨著隔板熱端及冷端隔板高度的增加，位移量的變化規律，如圖8所示。由圖8可知，隨隔板高度的增加，隔板熱端與冷端的豎直位移呈非線性減小趨勢，溫度越高，曲線坡度越大。由此可見，適當增加轉子的高度可減小漏風間隙。若增加轉子高度，將使傳熱元件的高度增加，氣體流動通道變長，傳熱效率下降。因此，在不影響傳熱效率的前提下，可適當增加轉子的高度，從而減少漏風量。

(a)熱端

(b)冷端

圖8 豎直位移隨隔板高度變化規律(L=9 527 mm)

隔板熱端及冷端隨隔板長度的增加，水平位移量的變化規律，如圖9所示。由圖9可知，隨隔板長度的增加，隔板熱端的水平位移呈線性增加趨勢，溫度越高，曲線坡度越大。在隔板的冷端，當隔板長度增加后，水平位移量幾乎無增長。據分析，影響隔板水平位移的主要因素，是隔板的長度。

(a)熱端

(b)冷端

圖9 水平位移隨隔板長度變化規律(Hp=2 767 mm)

當增加隔板長度后，隔板熱端及冷端在豎直方向上的位移量，如圖10所示。由圖10可知，隨隔板長度的增加，隔板熱端的豎直位移呈非線性增加趨勢，溫度越高，曲線坡度越大。隔板冷端的豎直位移量，也隨隔板高度的增加呈非線性增大趨勢，溫度增高，曲線的坡度同樣增大。由此可見，轉子半徑的增加將增大漏風間隙，同時，也增大了轉子的軸向變形。減小轉子半徑，可減小漏風間隙，但轉子半徑的減小，將使通過預熱器的氣體流量減小，降低了傳熱總量。因此，在傳熱量允許的條件下，減小預熱器轉子半徑，從而減少漏風量。

圖10豎直位移隨隔板長度變化規律(Hp=2767mm)

在工程應用中，回轉式空氣預熱器的徑向間隙，是影響漏風量大小的關鍵因素。在隔板尺寸及溫度變化的工況下，探討冷熱端豎直位移量的變化規律更為重要。據模擬計算的結果，確定了計算隔板位移量的公式：

(1)

-d·(α·ΔT)eHp

(2)

在式(1)、式(2)中，Vc為預熱器冷端的最大豎直位移量；Vh為預熱器熱端的最大豎直位移量；ΔT為預熱器進出口煙氣溫差；Hp為隔板高度；a、b、c、d、e為待定常量。在式(2)計算式中，右端第一項為冷端變形量，第二項為熱端靠近轉軸處的向上變形量。通過模擬計算，將冷熱端在豎直方向上的位移量導入origin9.0數據處理軟件中，并進行非線性擬合，得到冷熱端變形的經驗公式為：

(3)

-0.0059·(α·ΔT)0.1342Hp

(4)

在設計回轉式預熱器時，可利用式(3)、式(4)進行計算，為密封方案的選擇，提供參考。

3 結 語

利用ANSYS有限元分析法，定量分析了轉子倉室隔板的熱變形問題。同時，也分析了不同的煙氣進口溫度及不同隔板尺寸下的變形規律。通過計算，建立了空氣預熱器轉子熱變形的經驗公式，將隔板熱位移的結果與計算值進行對比，驗證了預測熱變形問題的可靠性與便捷性。可為回轉式空氣預熱器密封系統的設計，提供依據。