空冷型高溫軸換熱及應(yīng)力分析

游磊，余先林，馬進，薛繼佳

在建材、冶金等行業(yè)，常將中空軸用于高溫環(huán)境中，并將空氣通入軸內(nèi)部以冷卻保護軸，此類軸為空冷型高溫軸。空冷型高溫軸承受較大的機械應(yīng)力，具有不同方向的熱梯度，采用常規(guī)方法研究其換熱情況難度較大。夏國棟等[1]采用空氣進出軸的換熱量、軸內(nèi)外壁的傳熱量、空氣與軸內(nèi)壁對流的換熱量均相等的方式，計算空冷型高溫軸的換熱情況，此方法需編程，進行大量計算，且基于簡化假設(shè)進行，對計算結(jié)果的精度有一定影響。劉旭等[2]采用軟件模擬，分析了應(yīng)用于輥系的軸內(nèi)外壁的溫度，但將導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為了常數(shù)，而實際上，輥套、軸和空氣在不同溫度或壓強下，其導(dǎo)熱系數(shù)是不同的。此外，上述兩種計算和分析方法難以將熱態(tài)下的軸換熱與其應(yīng)力分析相結(jié)合，也就難以分析熱梯度對軸受力的影響。本文使用軟件模擬分析空冷型高溫軸的換熱和應(yīng)力情況，為設(shè)計安全的空冷型高溫軸提供可靠的理論依據(jù)。

1 分析模型及邊界條件

以CRC 空冷型中置輥式破碎機高溫軸為分析對象，冷卻風(fēng)從非傳動端進出，此外，所有輥套、軸、冷卻風(fēng)管、擾流葉片等模型均為等比例實際尺寸。

考慮軸在旋轉(zhuǎn)中與高溫物料接觸，將輥套的外表面設(shè)置為等溫?zé)嵩吹倪吔鐥l件，熱量通過輥套傳遞至軸，冷卻風(fēng)通過軸內(nèi)壁換熱；冷卻風(fēng)的邊界條件為壓力進出口，未特殊注明時，均采用6 000Pa的壓力進口，0Pa 壓力出口；另，根據(jù)軸的不同材質(zhì)、不同溫度，在軟件上對應(yīng)設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、動力粘度、湍流強度等參數(shù)[3]。

2 模擬換熱分析

2.1 擾流葉片對換熱效果的影響

建立兩種空氣冷卻換熱風(fēng)道模型，用于對比分析擾流葉片對空冷型高溫軸冷卻換熱的影響。一種為無擾流葉片的空氣冷卻換熱風(fēng)道（見圖1a），另一種為有擾流葉片的空氣冷卻換熱風(fēng)道（見圖1b），其余邊界條件均相同。

圖1 冷卻空氣運動的速度流場

從圖1可以看出，無擾流葉片的冷卻風(fēng)沿冷卻風(fēng)道的軸線平行運動，形成較為穩(wěn)定的層流運動。在模擬工況下，軸管道內(nèi)流體的雷洛數(shù)Re偏小，湍流強度低，即，空氣各質(zhì)點平行于軸鋼管內(nèi)壁規(guī)則流動，冷卻空氣呈層流運動。而有擾流葉片的冷卻風(fēng)沿冷卻風(fēng)道的軸線環(huán)繞運動，風(fēng)道中的葉片強制改變原層流運動的冷卻空氣運動軌跡，打破了層流邊界，且冷卻風(fēng)混合更均勻，同時，冷卻風(fēng)換熱方式由平行橫掠軸鋼管內(nèi)壁改為射流沖擊軸鋼管內(nèi)壁，從根本上改變了冷卻風(fēng)對流換熱的理論模型。

圖2是同位置軸徑向橫截面換熱后的溫度云圖。在無擾流葉片的徑向溫度云圖中，藍色低溫區(qū)為冷卻空氣，藍色的冷卻空氣與紅色的高溫輥套及軸之間形成了一個淺藍色的圓環(huán)，這個圓環(huán)就是空氣與軸的對流換熱界面。無擾流葉片的邊界層空氣換熱后溫度較高，而對應(yīng)中心區(qū)的溫度較低，受層流運動影響，邊界層和中心區(qū)之間的空氣流動和熱交換較少。而有擾流葉片的邊界層和中心區(qū)的界限不明顯，邊界層和中心區(qū)之間存在較強的氣體流動和熱量交換。

圖2 同位置軸徑向橫截面換熱后的溫度云圖

表1為相同條件下有擾流葉片和無擾流葉片對軸換熱冷卻效果的影響。從表1可以看出，有擾流葉片的冷卻風(fēng)道比無擾流葉片的冷卻風(fēng)道，軸內(nèi)壁溫度降低39.8℃，軸外壁溫度降低34.5℃。同時，冷卻風(fēng)溫升更多，即，能夠強制對流交換出更多的熱量，更好地冷卻保護軸。這是由于有擾流葉片的冷卻風(fēng)道，其冷卻風(fēng)采用射流沖擊的對流傳熱，可大幅提高對流傳熱系數(shù)[3]，加大換熱量；另外，由于擾流葉片打破了冷卻風(fēng)道內(nèi)的層流，使軸內(nèi)部的冷空氣流動至換熱的邊界層，使邊界層的溫度梯度更大，根據(jù)牛頓冷卻定律（?=hAΔt），溫度梯度加大，有利于加快換熱。

表1 有/無擾流葉片對軸換熱冷卻效果的影響

2.2 不同邊界溫度對換熱效果的影響

對有擾流葉片的軸，施加不同的輥套外壁溫度，進一步對比分析軸冷卻換熱情況。相同冷卻風(fēng)量下，不同輥套外壁溫度對軸冷卻換熱效果的影響如圖3 所示。從圖3 可以看出，在其他邊界條件相同的情況下，隨著輥套外壁環(huán)境溫度的提高，軸內(nèi)外壁和冷卻風(fēng)溫升基本呈線性增長。當(dāng)輥套外壁環(huán)境溫度達800℃時，軸外壁平均溫度高達668℃，軸內(nèi)壁平均溫度達535℃。此種溫度下，對常用的軸用金屬材料而言，其強度會大幅下降，設(shè)計及使用過程中應(yīng)合理避開此高溫強度的應(yīng)力塌陷區(qū)。

圖3 不同輥套外壁溫度對軸冷卻換熱效果的影響

2.3 不同冷卻風(fēng)量對換熱效果的影響

對有擾流葉片的軸施加不同的冷卻風(fēng)量，進一步對比分析軸換熱情況，相同輥套外壁溫度下，不同冷卻風(fēng)量對軸冷卻換熱效果的影響見圖4。從圖4 可以看出，在其他邊界條件相同的情況下，隨著冷卻風(fēng)進出口壓差的提高，冷卻風(fēng)量也相應(yīng)提高，軸內(nèi)外壁和冷卻風(fēng)溫升基本呈遞減趨勢。當(dāng)冷卻風(fēng)進出口壓差為6 000Pa 時，軸外壁平均溫度為503℃，軸內(nèi)壁平均溫度為409℃。隨著冷卻風(fēng)進出口壓差從1 000Pa提高至3 000Pa，冷卻風(fēng)量大幅加大，冷卻換熱效果增加明顯。但受軸通風(fēng)管道尺寸限制，當(dāng)冷卻風(fēng)進出口壓差由4 000Pa 提高至6 000Pa時，管道通風(fēng)阻力增加明顯，風(fēng)量增加相對減少，換熱效果的增速相對放緩。因此，為節(jié)約電耗，冷卻風(fēng)機的出口靜壓多選擇在4 000Pa 左右。極端工況和高海拔等情況下，也有一些冷卻風(fēng)機的出口靜壓選擇為6 000Pa。若冷卻風(fēng)機為變頻風(fēng)機，可參考上述兩種情況對比分析，再結(jié)合實際工況和冷卻風(fēng)溫升等參數(shù)，合理設(shè)置冷卻風(fēng)機開度，實現(xiàn)冷卻風(fēng)機安全運行和節(jié)約電耗的平衡。

圖4 不同冷卻風(fēng)量對軸冷卻換熱效果的影響

2.4 模擬換熱后軸的熱梯度分布

模擬換熱后軸的整體溫度分布云圖見圖5，由圖5可以看出，軸的中部溫度較高，呈黃色，軸的兩端溫度較低，呈綠色，近似常溫，這是由于高溫物料作用在軸的中部，且有冷卻風(fēng)作用。因此，從整體看，軸在軸向上從中心向兩側(cè)形成了較大熱梯度。

圖5 模擬換熱后軸的整體溫度分布云圖

模擬換熱后軸的中心橫截面溫度分布云圖見圖6。由圖6也可以看出，軸經(jīng)換熱后，兩端的溫度較低，中部溫度較高，此外還可以看出，軸從軸心向外圓的徑向方向也有很大的熱梯度。模擬換熱后軸的徑向橫截面的溫度分布云圖見圖7，由圖7 可以看出，軸外壁溫度較高，內(nèi)壁溫度較低、溫差近200℃。這是由于高溫軸的外壁受輥套熱傳導(dǎo)的作用，溫度較高；內(nèi)壁受冷卻空氣的強制對流換熱，溫度較低，從而形成了很大的熱梯度。

圖6 模擬換熱后軸中心橫截面的溫度分布云圖

圖7 模擬換熱后軸的徑向橫截面溫度分布云圖

高溫軸存在較大且復(fù)雜的軸向和徑向熱梯度，而熱梯度會形成對應(yīng)的熱應(yīng)力，即，當(dāng)物體的不同部分受到不同的溫度影響時，物體內(nèi)部或表面空間溫度分布不均，這種溫度梯度會引起物體內(nèi)部或表面的熱膨脹或收縮，從而產(chǎn)生額外熱應(yīng)力。因此，高溫軸不僅承受負載應(yīng)力，也承受熱應(yīng)力，使用常規(guī)計算方法校核高溫軸的受力存在一定的局限性。

3 模擬冷熱態(tài)下軸的應(yīng)力分析

通過換熱模擬分析，可以得到軸的熱梯度分布，繼續(xù)使用軟件模擬分析冷熱態(tài)下的軸應(yīng)力。由冷卻換熱的模擬分析結(jié)果可知，軸的徑向方向存在最大的熱梯度，導(dǎo)致軸的內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力，以抵抗熱梯度造成的影響，使軸恢復(fù)到熱梯度變形前的狀態(tài)。因此，軸的徑向外圓部分受“負”的壓應(yīng)力，內(nèi)圓部分受“正”的拉應(yīng)力，熱態(tài)下，軸承受著不均且較大的徑向內(nèi)應(yīng)力，如圖8所示。

圖8 熱態(tài)下軸的徑向應(yīng)力分布云圖

在常溫冷態(tài)下，軸的軸向方向上，中部受力較小，等效應(yīng)力＜22MPa，這與用常規(guī)公式計算的數(shù)值相當(dāng)。在600℃工況溫度下，軸有較大的熱梯度，形成了較強的內(nèi)應(yīng)力，其等效應(yīng)力也因此增加到近80MPa，且分布不均。熱梯度應(yīng)力對軸用材料的性能及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，過大的熱梯度應(yīng)力可能導(dǎo)致軸用材料破裂、變形或損壞。此外，軸類材質(zhì)在高溫區(qū)間的強度和韌性大幅下降，尤其是持久強度和抗蠕變強度，這對軸的材質(zhì)滿足在高溫工況下的可靠運轉(zhuǎn)提出了更高的要求。因此，在設(shè)計空冷型高溫軸和進行軸的選材時，需考慮和評估熱梯度應(yīng)力的影響，并采取適當(dāng)?shù)拇胧p輕或平衡應(yīng)力，確保系統(tǒng)安全、可靠運行。軸在冷態(tài)和熱態(tài)下的等效應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

圖9 軸的等效應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)語

模擬分析是一種可靠、簡便且較實用的設(shè)計分析方法，通過換熱模擬分析和熱態(tài)下的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)高溫軸受工況溫度和冷卻風(fēng)分布等因素影響，會產(chǎn)生較大且不同方向的溫度差和熱梯度，從而產(chǎn)生較大的額外熱應(yīng)力，再加上負載應(yīng)力，高溫軸在實際運行中的受力遠大于冷態(tài)下模擬或計算的等效應(yīng)力。通過CRC 中置輥式破碎機軸內(nèi)壁測溫裝置測得的破碎近600℃高溫熟料時，中置輥式破碎機內(nèi)壁溫度和熱風(fēng)溫升情況與模擬結(jié)果基本吻合，也表明本文所列的CRC 空冷型高溫軸設(shè)計合理，達到了設(shè)計預(yù)期，可有效滿足高溫環(huán)境下的使用需求。