回轉式空氣預熱器熱補償密封結構設計

杜佳橋，王少華，鄧楊揚，張明堯

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

1 引言

目前在我國火力發電廠中，回轉式空預器作為鍋爐中重要節能設備，在大型火力發電機組中得到了廣泛的應用[1]。由于其自身的旋轉結構以及高溫引起的熱變形，導致漏風率較大。上世紀50年代，文獻[2-3]指出空預器的漏風量是影響火力發電機組鍋爐效率和發電機輸出功率的重要因素。其后不久，文獻[4]提出漏風率與熱交換率的概念。直到70年代，文獻[5]定量描述了漏風率與熱交換率的關系。

目前在各種型號空預器的密封裝置中，運用最廣泛的是采用剛性密封片的密封技術，這種密封形式不能調節密封間隙，在轉子發生熱變形后會導致漏風間隙增大，漏風率激增[6]。于是出現了一種由彈簧和滑塊組成的密封裝置，通過彈簧的作用使滑塊緊緊地貼在扇形板上，理論上可以使漏風率接近0%，但是在高溫環境下其可靠性低，極易發生故障。此外，還有刷式柔性密封技術、多重密封技術、彈性密封技術等。總之，上述的各種密封裝置雖然各有優點，能夠在一段時間內一定程度上解決漏風率大的問題，但仍然具有較大的局限性，存在噪聲大、壽命短、故障率高、更換困難等問題。為解決傳統空預器的漏風問題，以某600MW發電機組空預器為研究對象，提出了一種能夠使空預器漏風率長期處于較低水平的復合型柔性密封裝置，其由柔性密封片和熱補償金屬結構組成。著重研究了其中的熱補償金屬結構，并進行了理論分析和ANSYS有限元仿真。研究了熱雙金屬變形量大小的影響因素，為其他型號空預器復合型柔性密封裝置的設計提供了指導。

2 空預器轉子溫度場及變形分析

2.1 溫度場分析

三分倉回轉式空預器的傳熱示意圖，如圖1所示。空預器在工作過程中，蓄熱材料在轉子的帶動下首先通過煙氣側，在煙氣側中被加熱。然后在一次風和二次風的作用下，空氣最大限度地帶走蓄熱材料中的熱量。為使蓄熱材料與空氣換熱充分，空氣側的設計風向與煙氣的流動方向相反。

圖1 三分倉回轉式空預器傳熱示意圖Fig.1 Heat Transfer Diagram of Rotary Air Preheater in Three Compartment

空氣預熱器屬于一種復雜的熱動力系統。但對于任何復雜的熱動力系統，仍可將其看作是由大量的基礎模型組成，符合動量守恒、質能守恒定律。用多層金屬流體來模擬旋轉的轉子，空氣道和煙氣道中的氣體垂直穿過轉子中的蓄熱材料。

在Design Model建立空氣預熱器的三維模型，在Fluent中進行流體分析。為方便計算，將空預器模型進行了簡化。使用材料庫中的多孔介質替代蓄熱材料[7]，利用擋板替代轉子格倉板。網格劃分總體采用六面體網格，并在漏風位置進行網格細化，如圖2所示。

圖2 轉子模型網格劃分Fig.2 Mesh Generation of Rotor Model

在Fluent前處理器設置中，求解器類型選擇三維單精度求解器，湍流模型選擇realizablek-ε模型。經過試算，時間步長設置為0.01s。部分時刻轉子的溫度場分布，如圖3所示。根據其溫度變化可看出轉子的傳熱過程。

圖3 轉子傳熱過程示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Rotor Heat Transfer Process

由圖3可知，隨著空預器轉子的轉動，其溫度先升高，到達一定溫度后保持穩定。形成熱端和冷端，其溫差較大。空氣側轉子熱端和冷端溫度均低于煙氣側。當轉子從煙氣側即將進入一次風側時，此時轉子經過充分加熱，其溫度達到最高。熱端溫度升至約359.3℃，冷端溫度升至約106.2℃。當轉子從二次風側即將進入煙氣側時，轉子的熱量在最大程度被空氣帶走，其溫度達到最低。熱端降至約339.7℃，冷端降至約67.7℃。

2.2 變形分析

空預器轉子變形主要有兩個原因：一是由于轉子自重導致的變形；二是由于熱端和冷端溫差而導致的“蘑菇狀”熱變形。熱變形是主要的變形，也是造成空預器氣體泄漏的主要因素。通過流體分析，知道了轉子的溫度分布。在轉子的有限元模型上加載溫度場以及自重，可以得到轉子在溫度場和自重聯合作用下的變形分布。基于ANSYSWorkbench進行溫度場和結構的耦合分析，如圖4所示。轉子的變形結果，如圖5所示。

圖4 溫度和結構耦合分析Fig.4 Temperature and Structure Coupling Analysis

圖5 轉子總變形云圖Fig.5 Total Deformation Cloud Diagram of the Rotor

由圖5可知，轉子總的最大變形量為41.075mm，而安裝有蓄熱材料部分的轉子最大變形量為39.7mm。

為了方便地求出空氣預熱器轉子的熱變形量，國內外學者提出了大量的經驗公式。利用文獻[8]提出的一種經驗公式進行計算，并與仿真結果進行對比。

式中：ΔL—轉子熱變形量（mm）；

α1—冷端金屬熱膨脹系數（1/℃）；

α2—熱端金屬熱膨脹系數（1/℃）；

T0—環境溫度（℃）；

T1—冷端溫度（℃）；

T2—熱端溫度（℃）；

H—蓄熱材料高度（mm）；

R—轉子半徑（mm）。

計算可得ΔL=37.8mm，與仿真結果39.7mm誤差很小。

3 空預器熱補償密封結構設計

3.1 柔性密封片和熱補償金屬結構

設計的密封裝置主要由兩部分組成：一是與扇形板接觸的柔性密封片；二是調節密封間隙的熱補償金屬結構。柔性密封片在高溫下必須保持良好的力學性能，與扇形板摩擦小。當柔性密封片背側風壓大于其預壓力時，密封片發生彎曲。密封片彎曲后，其彎曲應力大于風壓，密封片回彈。在整個過程中，密封片始終處于動態平衡中，密封間隙在一個很小的范圍內波動。

熱補償金屬結構，其核心是熱補償金屬。在轉子變形較小的區域，可單獨使用柔性密封片進行密封，如圖6所示。在轉子發生變形較大的位置（一般認為大于10mm），需要將柔性密封片和熱補償金屬結構組合使用。通過熱補償金屬的變形來補償較大的漏風間隙，使漏風間隙始終保持在一個較小的范圍，如圖7（圖示結構僅作為參考）所示。

圖6 密封片單獨作用示意圖Fig.6 Separate Action Diagram of Sealing Sheet

圖7 密封片與熱補償金屬結構組合作用示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Combination Action of Sealing Sheet and Thermal Compensation Metal Structure

3.2 熱補償金屬結構設計

為減少漏風量，在不影響空預器正常工作的情況下，應使轉子端面到扇形板的距離盡量小并且可調[9]。根據所研究的空氣預熱器，要求熱端密封結構的尺寸小于187mm，冷端密封結構的尺寸小于138mm。通過測量和計算，要求熱補償金屬結構在熱端的高度小于125mm，在冷端的高度＜110mm。并且要求在轉子徑向距離最遠位置處的熱補償裝置的熱補償量能夠達到39.7mm[10]。

熱雙金屬是熱補償金屬結構的核心部分。其形狀隨著溫度變化而變化以適應轉子的變形。熱雙金屬由主動層和被動層軋制而成，主動層金屬的熱膨脹系數較大，被動層金屬的熱膨脹系數較小。溫度升高時，由于兩層金屬的熱膨脹系數不同，熱雙金屬片發生彎曲，由此產生的位移可補償轉子變形產生的密封間隙。設計的熱補償金屬結構，如圖8、圖9所示。

圖8 熱補償金屬結構二維圖Fig.8 Two-Dimensional Diagram of Thermal Compensation Metal Structure

圖9 熱補償金屬結構三維圖Fig.9 Three-Dimensional Diagram of Thermal Compensation Metal Structure

如圖8所示，密封片固定板通過螺栓連接在熱雙金屬片上，兩塊熱雙金屬片兩端通過銷軸連接，當其發生彎曲變形時可繞銷軸轉動，下端熱雙金屬片與固定板通過螺栓連接。當溫度升高時，兩塊熱雙金屬片發生相反方向的彎曲變形，帶動柔性密封片向上移動。

初步選定熱雙金屬片，其厚為2mm，長為200mm（有效長度為180mm），寬為30mm。通過熱變形公式和熱力公式進行理論計算，在ANSYS中進行有限元仿真，得到最佳尺寸。熱變形公式和熱力公式如下：

式中：ΔL—熱雙金屬的變形量（mm）；

F—熱雙金屬形變產生的熱力（N）；

K—熱雙金屬的溫曲率(10-6/℃)；

L—熱雙金屬的有效長度（mm）；

T—熱雙金屬變形前后溫差（℃）；

t—熱雙金屬厚度（mm）；

w—熱雙金屬寬度（mm）；

E—熱雙金屬彈性模量（N/mm2）。

轉子的最大變形量為39.7mm，由于熱補償金屬結構是由兩片熱雙金屬片組成，因此一條熱雙金屬片變形量達到總變形量的一半即可，即ΔL=20mm。轉子從煙氣側即將進入一次風側時的變形量最大，因此要求安裝在此位置的熱雙金屬片變形量最大。計算可得熱雙金屬溫曲率為：

沿空預器轉子徑向需要安裝一整條柔性密封片，柔性密封片長度為5200mm。在轉子徑向上，半徑越大轉子的變形量越大，所需要的熱補償金屬結構的補償量就越大。熱雙金屬的變形需要與轉子的變形匹配，因此在半徑方向上安裝14套熱補償量不同的金屬結構。根據測量，5200mm的柔性密封片質量約5.6kg，一套熱補償金屬結構的質量約1kg。因此每條熱金屬片承受的質量為1.4kg，即F=14N。

計算可得溫曲率為：k2=

計算可知，熱雙金屬的溫曲率必須大于7.1×10-6/℃才能符合要求。查詢FPA系列熱雙金屬參數，初步選擇型號為FPA258-60、溫曲率為11.5×10-6/℃的熱雙金屬材料。其材料屬性，如表1所示。

表1 FPA258-60熱雙金屬金屬材料屬性Tab.1 FPA 258-60 Thermal Bimetallic Material Properties

為使熱雙金屬片發生變形時產生足夠的熱變形力，需要計算熱雙金屬片的最小寬長比，計算可得：

由計算結果可知，要使熱雙金屬片產生足夠的熱變形力，其寬長比應＞0.043。

3.3 熱雙金屬仿真分析

選擇尺寸為（200×30×2）mm的熱雙金屬片進行初步分析。在ANSYS中建立熱雙金屬片有限元模型，如圖10所示。主動層金屬和被動層金屬厚度均為1mm，其相同的厚度可降低制造成本，這樣的設計與最佳主、被動層厚度組合的變形量相差很小[11]。

圖10 熱雙金屬片有限元模型Fig.10 Thermal Bimetallic Plate Finite Element Model

得到熱雙金屬片變形結果，如圖11所示。其變形量為21.95mm，由于熱補償金屬結構是由兩片熱雙金屬片組成，因此總變形量為43.9mm，大于所需要的變形量39.7mm，因此還需要進一步調整熱雙金屬片的尺寸，使其補償量與轉子的變形更加匹配。

圖11 （200×30×20）mm變形云圖Fig.11 （200×30×20）mm Deformation Nephogram

改變熱雙金屬片長度、寬度和厚度，并分別進行有限元分析，得到與轉子不同位置變形量相匹配的熱雙金屬片尺寸，如表2所示。

表2 轉子位置對應的熱雙金屬尺寸及變形量（mm）Tab.2 Size and Deformation of Thermal Bimetal Corresponding to Rotor Position（mm）

表2 轉子位置對應的熱雙金屬尺寸及變形量（mm）（續）Tab.2 Size and Deformation of Thermal Bimetal Corresponding to Rotor Position（mm）（continued）

熱補償金屬結構變形量變化趨勢，如圖12所示。

圖12 轉子變形量與熱補償金屬結構變形量關系Fig.12 The Relationship Between the Rotor Deformation and the Thermal Compensation Metal Structure Deformation

一般情況下，當密封間隙＜10mm時，不需要進行密封間隙的補償。但考慮到空預器在制造安裝中可能產生誤差，因此密封間隙大于5mm時需安裝熱補償金屬結構。當密封間隙介于（5～10）mm時，其熱補償金屬結構中的熱雙金屬片規格可采用（100×20×2）mm、（90×20×2）mm以及（80×20×2）mm。其熱變形區間為（5.2～9.4）mm，適合（5～10）mm的間隙密封。復合型柔性密封裝置安裝示意圖，如圖13所示。

圖13 熱補償金屬結構與柔性密封片組合示意圖Fig.13 Schematic Diagram of Combination of Thermal Compensation Metal Structure and Flexible Sealing Sheet

3.4 熱雙金屬片參數分析

為使熱補償金屬結構能夠在不同的空氣預熱器中得到廣泛應用，對熱雙金屬片變形量的相關影響因素進行分析。以FPPA258-60型熱雙金屬為研究對象，保持其寬度（30mm）、厚度（2mm）不變，研究其熱變形量與長度的相關性，如圖14所示。

圖14 熱雙金屬變形量隨長度變化規律Fig.14 The Deformation of Thermal Bimetal Varies with Length

熱雙金屬的變形量隨長度的增加近似呈線性增長，將其擬合為線性表達式：

同理，可得到熱雙金屬變形量隨寬度變化的規律，如圖15所示。

圖15 熱雙金屬變形量隨寬度變化規律Fig.15 The Deformation of Thermal Bimetal Varies with Width

經過擬合，可得到線性表達式：

分別單獨改變主動層厚度、被動層厚度，以及主動層、被動層厚度同時等幅度改變來研究變形量隨厚度變化的規律。得到熱變形量隨厚度變化的規律，如圖16所示。

圖16 熱雙金屬變形量隨厚度變化規律Fig.16 The Deformation of Thermobimetal Varies with Thickness

由圖16可知，隨著主動層或被動層變薄，變形量大致呈二次增長。熱變形量增大到一定程度后開始減小，當主動層厚度為1.2mm或被動層為1mm時熱變形量達到最大。主動層、被動層厚度同時等幅度變化時，隨著厚度變薄，變形量近似呈指數增長。但是熱雙金屬片變薄，其熱變形力隨之變小。因此，在設計熱雙金屬片尺寸時，需要綜合考慮其厚度和熱變形力。

4 總結

（1）對空預器進行溫度場和變形分析，得到空預器轉子熱端最高溫度為359.3℃，最低溫度為339.7℃；冷端最高溫度為106.2℃，最低溫度為67.7℃。轉子的變形量隨徑向距離的增大而增大，仿真計算得到的最大變形量為39.7mm，理論計算得到的最大變形量為37.8mm。

（2）根據空預器轉子的變形特點，設計了一種熱補償金屬結構，其熱補償量隨熱雙金屬片長度增大而增大，最大熱補償量為39.7mm。

（3）對熱雙金屬進行仿真分析，得到了轉子在不同位置所匹配的熱雙金屬尺寸，隨著轉子徑向距離的增大，其對應的熱雙金屬片的長度隨之增大。

（4）進一步地研究了熱雙金屬片變形量的影響因素，得到了熱雙金屬片變形量與其長度、寬度、厚度之間的關系，并對其進行了擬合。為空氣預熱器密封裝置的設計提供了有益指導。