（工程热物理专业论文）500mw机组空预器转子的性能分析及改造.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 空气预热器是电站锅炉最广泛使用的节能设备之一，天津国华盘山电厂2 2 4 空预 器在热态运行约3 8 1 0 4 小时后，大轴发生断裂。本文通过利用a n s y s 有限元软件对 大轴进行应力场分析，得出大轴断裂的原因，以指导同类空预器的运行。首先对大 轴进行静应力分析，证明在静工况下，大轴是安全的：然后对大轴进行瞬态冲击载 荷分析，得到当上法兰承受的冲击载荷达到一定值时，上倒角处承受的最大应力将 达到其许用应力，从而导致大轴疲劳断裂。根据空预器实际工作环境和有限元计算 结果，得到# 2 2 空预器断轴的主要原因是：长期在足够大的交变应力作用下，大轴 底部轴肩处产生裂纹并扩展，最终导致疲劳断裂。并对空预器大轴提出改造方案， 证明改造方案的合理性和可行性。 关键词：空气预热器，大轴，有限元分析，断裂，疲劳 a b s t r a c t t h ea i rp r e h e a t e ri so n eo f t h em o s tw i d e l yu s e df a c i l i t yt os a v ee n e r g yi np o w e r p l a n t t h es p i n d l eo f2 2 ”a i rp r e h e a t e ri nt i a n j i np a n s h a np o w e r p l a n tw a sf r a c t u r e da f t e rr u n n i n gi n m g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o nf o r3 8 x l 矿h o u r s w i 也m es u p e rf e ma n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es t r e s sf i e l do f t h es p i n d l e ，a n dd r e wt h ec o n c l u s i o no f t h e s p i n d l ef r a c t u r e i tc o u l dg u i d et h er u n n i n go ft h es i m i l a rp r e h e a t e r s a tf n s t ，t h es t a t i cs t r e s s a n a l y s i sw a sp r o c e e d e d ，i tp r o v e dt h a tt h es p i n d l ew a ss a f eu n d e rn o r m a ls t a t i cs t r e s s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fi n s t a n ti m p u l s i v el o a do nt h es p i n d l e ，i tw a sf o u n dt h a tw h e nt h e v a l u eo fi m p u l s i v el o a do nu p - f l a n g er e a c h e ds o m ed e g r e e ，t h em a x i m u ms t r e s so nu p f i l l e t w o u l dr e a c hi t sa l l o w a b l es t r e s s ，t h e nr e s u l t e di nt h ef a t i g u ef r a c t u r e a c c o r d i n gt ot h ef a c t w o r k i n gc o n d i t i o no f p r e h e a t e ra n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h el i m i t e d - u n i t ，t h ec o n c l u s i o n i sd r e w ：t h ep r i m a r yc a u s et ot h es p i n d l ef r a c t u r eo f 2 2 4p r e h e a t e ri s ，u n d e rl o n g t e r m a d e q u a t ea l t e r n a t i n gs t r e s s ，t h ec r a c kc o m e si n t ob e i n ga n de x t e n d si ns p i n d l es h o u l d e ro f t h e s p i n d l eb o t t o m ，a n dt h i sl e a d st of a t i g u ef r a c t u r e f u r t h e r m o r e ，am o d i f i c a t i o np r o j e c ta b o u t t h es p i n d l eo fa i rp r e h e a t e ri sp u tf o r w a r d ，i nw h i c ht h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t ya r ed i s c u s s e d m oh u i m i n ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i e s ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gs h u a n g y i n k e yw o r d s ：a i rp r e h e a t e r ，s p i n d l e ，f e ma n a l y s i s ，f r a c t u r i n g ，f a t i g u e 华北电力大学硕士学位论文 摘要 空气预热器是电站锅炉最广泛使用的节能设备之一，天津国华盘山电厂2 2 4 空预 器在热态运行约3 8 1 0 4 小时后，大轴发生断裂。本文通过利用a n s y s 有限元软件对 大轴进行应力场分析，得出大轴断裂的原因，以指导同类空预器的运行。首先对大 轴进行静应力分析，证明在静工况下，大轴是安全的：然后对大轴进行瞬态冲击载 荷分析，得到当上法兰承受的冲击载荷达到一定值时，上倒角处承受的最大应力将 达到其许用应力，从而导致大轴疲劳断裂。根据空预器实际工作环境和有限元计算 结果，得到# 2 2 空预器断轴的主要原因是：长期在足够大的交变应力作用下，大轴 底部轴肩处产生裂纹并扩展，最终导致疲劳断裂。并对空预器大轴提出改造方案， 证明改造方案的合理性和可行性。 关键词：空气预热器，大轴，有限元分析，断裂，疲劳 a b s t r a c t t h ea i rp r e h e a t e ri so n eo f t h em o s tw i d e l yu s e df a c i l i t yt os a v ee n e r g yi np o w e r p l a n t t h es p i n d l eo f2 2 ”a i rp r e h e a t e ri nt i a n j i np a n s h a np o w e r p l a n tw a sf r a c t u r e da f t e rr u n n i n gi n m g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o nf o r3 8 x l 矿h o u r s w i 也m es u p e rf e ma n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es t r e s sf i e l do f t h es p i n d l e ，a n dd r e wt h ec o n c l u s i o no f t h e s p i n d l ef r a c t u r e i tc o u l dg u i d et h er u n n i n go ft h es i m i l a rp r e h e a t e r s a tf n s t ，t h es t a t i cs t r e s s a n a l y s i sw a sp r o c e e d e d ，i tp r o v e dt h a tt h es p i n d l ew a ss a f eu n d e rn o r m a ls t a t i cs t r e s s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fi n s t a n ti m p u l s i v el o a do nt h es p i n d l e ，i tw a sf o u n dt h a tw h e nt h e v a l u eo fi m p u l s i v el o a do nu p - f l a n g er e a c h e ds o m ed e g r e e ，t h em a x i m u ms t r e s so nu p f i l l e t w o u l dr e a c hi t sa l l o w a b l es t r e s s ，t h e nr e s u l t e di nt h ef a t i g u ef r a c t u r e a c c o r d i n gt ot h ef a c t w o r k i n gc o n d i t i o no f p r e h e a t e ra n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h el i m i t e d - u n i t ，t h ec o n c l u s i o n i sd r e w ：t h ep r i m a r yc a u s et ot h es p i n d l ef r a c t u r eo f 2 2 4p r e h e a t e ri s ，u n d e rl o n g t e r m a d e q u a t ea l t e r n a t i n gs t r e s s ，t h ec r a c kc o m e si n t ob e i n ga n de x t e n d si ns p i n d l es h o u l d e ro f t h e s p i n d l eb o t t o m ，a n dt h i sl e a d st of a t i g u ef r a c t u r e f u r t h e r m o r e ，am o d i f i c a t i o np r o j e c ta b o u t t h es p i n d l eo fa i rp r e h e a t e ri sp u tf o r w a r d ，i nw h i c ht h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t ya r ed i s c u s s e d m oh u i m i n ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i e s ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gs h u a n g y i n k e yw o r d s ：a i rp r e h e a t e r ，s p i n d l e ，f e ma n a l y s i s ，f r a c t u r i n g ，f a t i g u e 声明 y8 6 7 9 6 3 学位论文作者签名：冀望氩日期：趁! 墨：! l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 胡 第一章引言 天津国华盘山发电有限责任公司共有两台从前苏联引进的超临界直流锅炉，配 置的是回转式空气预热器，锅炉和空气预热器均由俄罗斯波多尔斯克机械制造厂生 产。空气预热器转子直径为9 8 m ，由于锅炉容量的需要和空气预热器尺寸的限制， 从锅炉机组的设计上选择了四台空气预热器，采用两分仓形式，一次风和二次风各 两台，这是前苏联在5 0 0 m w 机组锅炉上的典型设计。 空气预热器采用单马达顶部中心驱动，其轴为空心整轴结构，整个转子只通过 下法兰与轴肩连接。径向密封为单密封形式，扇形板由内外两段组成，中间由铰链 联接，在靠近中心筒和中部位置，装有弹簧装置，可手动调节扇形板密封间隙，上 部扇形板的外端设计有电动执行机构，用于升降扇形板；轴向密封是由密封条和轴 向板( 弧形) 组成，周向密封为铸铁块形式。 机组投产以后，空气预热器漏风一直比较大，为此，2 号锅炉的空气预热器先后 进行了两次改造，第一次于1 9 9 9 年3 月进行，改造内容为：更换扇形板、更换环 向、径向密封片、增加环向、径向密封筋板、增加扇形板调节装置。第二次于2 0 0 1 年1 月进行，改造内容为：更换扇形板、更换轴向弧形板、更换环向、径向密封 片。两次都只是改造空气预热器的密封系统，没有涉及其它部分。 2 0 0 1 年1 1 月2 7 日，2 2 # 空气预热器大轴断裂。 随后，对2 2 # 空气预热器大轴进行了改造并投入运行，改造方案如下： 将原大轴断裂的上半部分割除，利用原大轴断裂的下半部分作为下半短轴，测 绘加工上部连接短轴。将测绘加工的连接短轴与原空预器转子上部中心筒法兰用高 强度螺栓连接；将下半短轴与原空预器转子中心筒的下法兰用高强度螺栓连接，这 样改造后的空预器由上部导向短轴，转子，下部连接短轴3 部分组成。 以上改造方案的特点是改变了原有空预器的结构形式及受力情况，改造后既可 避免空预器发生大轴断裂事故，又可避免空预器上部短轴与转子上法兰发生摩擦而 造成大轴损坏。 但此改造方案的缺点也很明显。断裂前空预器转子的转动是靠上部中心传动机 构带动大轴转动，大轴再通过其上法兰与转予法兰的连接带动转予转动的。而改造 后空预器的传动方式变为：上部导向短轴传扭矩到上盖板，上盖板带动空预器转子 转动，空预器转子再带动下部连接短轴转动。从投入运行的实际情况来看，上下盖 板都己出现裂纹，这说明改造后现有的运行方式是很危险的。本文提出了新的整轴 华北电力大学硕士学位论文 改造方案，即把空预器大轴现有的三部分结构改为一根整轴，上半轴上装有轴套， 并用高强螺栓连接轴套和盖板。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 空气预热器 空气预热器是火力发电厂主要辅助设备，它是利用烟气的预热来加热锅炉燃烧 所需空气的热交换设备。空气预热器工作于锅炉中烟气温度最低的区域，回收了烟 气的热量，降低了排烟温度，从而提高了锅炉效率。同时，也由于空气被预热，使 燃料的燃烧过程更加完善，减少了燃料不完全燃烧损失，因而使锅炉效率进一步得 到提高。目前空气预热器在锅炉上得到普遍应用，其技术也有了很大发展。 我国自1 9 5 2 年开始制造火力发电设备，经历了中压、高压和大容量、高参数机 组的发展，空气预热器也由最初的管式空气预热器，发展至回转式和热管式空气预 热器。按传热方式可将空气预热器分两大类：传热式和蓄热式( 或再生式) 。在传热式 空气预热器中，热量连续地通过传热面，由热源气体传给空气，热源气体和空气有 各自的通路。在蓄热式空气预热器中，热源气体和空气交替地通过受热面，当烟气 同受热面接触时，热量由烟气传给受热面，并蓄积起来，然后使空气与受热面接 触，把热量传给空气。在现代电站锅炉中，最常用的传热式空气预热器是管式空气预 热器，蓄热式空气预热器则以回转式空气预热器为主。 中小容量锅炉较多采用管式空气预热器，管式空气预热器具有结构简单，不需要 传动装置，不消耗电能等优点，大容量锅炉一般采用回转式空气预热器，与管式空气 预热器相比，这种预热器结构复杂，但很紧凑，单位体积的受热面积大，因而外形尺寸较 小。在同等条件下，回转式空气预热器受热面的壁温较高，因而烟气腐蚀较管式空气预 热器轻些。缺点是漏风较大，需要传动装置及消耗电能等。对于大容量锅炉来说，采用 回转式空气预热器，其优点是显著的，因此得到了广泛应用。目前国内大机组锅炉普遍 采用回转式空气预热器。 1 2 2 有限元法” 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是工程方法和数 学方法相结合的产物，可以求解许多过去用解析方法无法解决的问题。对于边界条 件和结构形状都很不规则的复杂机械结构，是一种非常有效的现代分析方法。 有限元法的基础是结构离散和分片插值。在结构分析中，就是要把一个本来是 连续的弹性体划分为通过节点相连的有限个单元，把一个具有无限多个自由度的结 构离散为有限自由度的系统。对每个单元给出满足连续条件的假定唯一模式，各个 单元在相互连接的节点处有跨单元的连续性，然后再从能量原理出发建立起整体刚 2 华北电力大学硕+ 学位论文 度方程，求解这一线性代数方程组就可以得到结构的位移场以及应力场等。即每个 单元的单元特性借助于其连接点( 节点) 的位移和力表示，将单元的性质按节点逐 一叠加，施加适当的负荷和边界条件，求解所得方程式得到节点位移，再回代求得 结构内力和应力。 有限元方法的应用极为广泛，从弹性力学领域发展到塑性力学和流体力学领 域，从平面问题发展到空间三维问题和壳问题。而且，其本身不断完善，从一般单 元发展到各种高质量和高效率的单元，如边界元，等参元等。 我国有限元法理论研究始于5 0 年代末，冯康教授创立了一套现代化和系统化求 解微分方程的近似方法，即基于变分原理的差分格式，其内容实质就是当时国际上 称之为的有限元法。不同之处在于我国是首先从数学领域提出有限元法的。但是， 我国有限元法应用较晚，7 0 年代中期才开始推广和使用。目前，有限元法在我国工 程方面应用极为广泛，并且创造出巨大的经济效益。 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，本 文正是利用a n s y s 进行结构分析和热分析，得出空预器大轴断裂原因的。 1 3 本文主要工作 本文利用有限元数值模拟软件a n s y s ，对盘山电厂空预器大轴断裂事故进行分 析，得出断轴原因；进而对转子现有运行状况进行分析，指出其结构的不合理性， 综合考虑设备运行的安全性和改造的经济性，提出一个切实可行的拟改造方案，并 对此方案进行经济性和可行性论证，以针对同类空预器提出改造建议。具体工作如 下： 1 、运用a n s y s 软件，根据空预器断裂前运行的实际情况，对轴进行静力分析 和瞬态冲击载荷分析，分析空预器断轴原因。 2 、运用a n s y s 软件，对断轴改造后的空预器转予运行状况进行分析，指出其 存在的问题和不合理性。 3 、对空预器大轴提出改造方案，证明改造方案的合理性，并进一步论述改造方 案的可行性。 4 、运用a n s y s 软件，对空预器转子蓄热元件进行热应力分析，证明温度变化 所产生的热应力相对于结构应力来说很小，分析主轴断裂原因时可不考虑热应力影 响。 华北电力大学硕士学位论文 第二章设备情况及故障经过 2 1 空气预热器设备情况简介 2 1 1 回转式空气预热器简介”1 回转式空气预热器分为受热面旋转和风罩旋转两种型式。我们这里只研究受热 面旋转的回转式空预器，它一般是二分仓或三分仓。圆筒形转子从上到下用隔板沿 径向分隔成互不相通的若干个扇形仓，每个扇形仓又被分成若干段。仓内装满由波 纹金属板制成的传熟元件，也叫蓄热板。烟气或空气通过传热元件内的缝隙上下流 通。在八角形外壳的顶部和底部，上下对应地用两个扇形板将整个截面分隔成烟气 流通区、空气流通区和密封区三部分。烟气流通区和空气流通区分别与烟道和风道 连接，密封区中既不流通烟气，也不流通空气，因而烟气与空气不会相混。转子由 电动机驱动，以0 7 5 2 r m i n 的转速旋转，受热面不断交替通过烟气和空气流通 区。转至烟气流通区时，烟气自上而下流过受热面，对受热面进行加热。当它转至 空气流通区时，高温受热面把积蓄的热量传给自下而上流过的空气。每转一周完成 一个热交换过程。目前国内外空气预热器的设计大都为：烟气侧与空气侧的流通面 积相同，对于二分仓空气预热器，烟道和风道的流通面积相同。 回转式空气预热器的外壳，由外壳钢板、过渡烟风道组成。转子是由中心筒、 径向隔板、横向隔板组成。中心筒和转子外围均由钢板卷制而成，两者之间依靠径 向隔板连接成一个整体。径向隔板的数量决定于密封区的大小和转子直径。密封区 越小和转子直径越大，则分隔的数目也就越多。例如3 0 0 m w 锅炉所配的受热面旋转 空气预热器，转子外缘直径为1 0 5 6 1 1 o m ，转子分成4 8 个扇形空间，每一扇形 空间为7 5 0 。为了增加转子的刚性，以及便于传热元件的安装，在每个扇形空间内 再焊接横向隔板，以分隔成许多扇形仓格。传热元件预先组装成扇形组合件，安装 时逐一放在转予的扇形仓格内，并由转子下端的支撑杆来支撑。采用这种安装方 法，当传热元件受到严重腐蚀或磨损需要更换时很方便。 回转式空气预热器的转子一般支承在下部的主轴承上，而主轴承安装在空气预 热器的底梁上，底梁固定在锅炉钢架的横梁上。转子上部由一导向轴承固定，上下 两轴承设定了转子的垂直度，下轴承支承了空气预热器的大部分质量。顶、底轴承 均为球面滚子轴承。 2 1 2 盘电空气预热器简介“1 天津国华盘山发电有限责任公司安装2 台俄罗斯波道尔斯克制造厂生产的直流 超临界锅炉。炉体为单炉膛，炉膛横断面尺寸为2 3 m 1 3 8 m 。锅炉整体受热面悬挂 4 华北电力大学硕士学位论文 在标高8 6 5 m 的钢结构上。锅炉整体受热面形式为“t ”型结构，3 2 个燃烧器分4 层 布置在左，右侧墙壁。锅炉为平衡通风悬浮式燃烧，固态排渣。 每台锅炉安装4 台p bj i 一9 8 型空气预热器，即2 台一次风空预器，2 台二次风 空预器，这是前苏联在5 0 0 m w 机组锅炉上的典型设计。4 台空预器的大小尺寸完全相 同。空预器主要由圆筒型转子，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2 4 个扇形仓格，仓格内装满蓄热板，作为传热元件。外 壳的上下扇形板把转子通流截面分成3 部分，即烟气流通部分，空气流通部分和密 封区。一次风空预器风压较高( 1 2 k p a ) ，二次风空预器风压较低( 4 k p a ) 。 p bn 一9 8 型空气预热器采用单马达顶部中心驱动。设计为整轴结构，整轴长度 为5 9 1 7 m m ，整轴最大法兰外径为1 l o o m m ，整轴上端长约8 1 5 m m ，为实心轴，其余部 分为空心轴。整个转子只通过下法兰与轴肩连接。径向密封为单密封形式，扇形板 由内外两段组成，中间由铰链联接，在靠近中心筒和中部位置，装有弹簧装置，可 手动调节扇形板密封间隙，上部扇形板的外端设计有电动执行机构，用于升降扇形 板；轴向密封是由密封条和轴向板( 弧形) 组成，周向密封为铸铁块形式。结构示意 图如图1 所示。 空气预热器的主要参数如下： 转予直径：9 8 m 转子重量：2 6 0 吨 设计入口烟温： 3 7 4 设计排烟温度：1 3 7 设计热风温度：3 2 0 设计冷风温度：2 0 转子转速： 1 5 r m i n 马达功率： 1 l k w 马达转速： 7 5 0r m ir l 热态运行时间： 3 8 x 1 0 4 小时 华北电力大学硕士学位论文 d 9 0 0 图1 2 2 # 空预器大轴示意图 6 华北电力大学硕士学位论文 2 22 2 # 空预器运行状况分析 国内大机组锅炉普遍采用回转式空气预热器。从国内运行实际来看，回转式空气 预热器的主要问题是漏风率大，冷端受热面的低温腐蚀和堵灰等。 国产的风罩回转式空气预热器的漏风率普遍大于受热面回转式空气预热器，而进 口设备的漏风则与空气预热器的形式没有太大的关系。空气预热器的漏风，严重威胁 锅炉的安全运行，严重时会使一次风严重不足，迫使锅炉不得不限出力运行或增大一 次风机和引风机的容量。 回转式空气预热器冷端受热面的积灰和堵塞是比较普遍的，无论进口设备还是国 产设备都存在堵灰和低温腐蚀现象，如沙角b 电厂的风罩回转式空气预热器是进口设 备，在运行过程经常有堵灰现象，虽采取许多改进措施，仍需带负荷单侧水冲洗方能维 持空气预热器的运行。 盘山电厂锅炉空预器投产以来情况： 2 2 # 空预器自1 9 9 6 年5 月1 5 日投入运行，大轴断裂前运行约3 8 1 0 4 小时， 2 # 锅炉四台空预器为了减少漏风，先后两次进行改造： 第一次改造：时间：1 9 9 9 0 3 1 0 0 5 0 1 改造内容：更换扇形板、更换环向、径向密封片、增加环向、径向密封筋板、 增加扇形板调节装置。 第二次改造：时间：2 0 0 1 0 1 1 1 一0 2 3 改造内容：更换扇形板、更换轴向弧形板、更换环向、径向密封片。 两次改造都没有改变大轴的承重方式及轴向剪切力，改造前后空预器电流无变 化。 2 号锅炉从2 0 0 0 年3 月份开始全部燃用神华煤以后，炉膛排烟温度升高l o - 2 0 ，空预器大轴受到的交变应力存在一定变化，但从其它空预器运行情况分析可以 排除大轴因此断裂的可能性。 2 0 0 1 年9 月2 6 曰1 3 ：0 0 发现2 2 # 空预下轴承自密封面和止退螺栓处渗油，取 油样化验，化验结果为含水量2 4 6 ( 标准值为o 1 ) ，为了保证轴承正常运行， 将油部分更换，9 月2 7 日9 ：3 0 化验结果为0 5 。经过降低油位后，下轴承漏油 现象消除，但将油杯盖打开后观察，油位约每2 0 秒上升一次。原因分析为水室密封 锈蚀造成油位上升，使油自密封面和止退螺栓处渗油；判断大轴有砂眼，一次风漏 入影响油位，说明2 2 空预器大轴当时已经裂透。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 3 # 2 2 空预器大轴断裂事故过程h 1 2 0 0 1 年1 1 月2 7 同1 8 ：1 3 # 2 机组负荷4 5 0 m w ，两台引、送风机、一次风机，四 台空预器运行，# 2 1 、2 2 、2 3 、2 4 、2 5 、2 6 、2 7 制粉系统运行，机组参数正常。 故障经过： 1 8 ：1 3 运行人员发现2 2 # 空气预热器排烟温度由1 9 2 。c 突升至3 0 0 。c 以上，随即 热风温度由3 7 0 。c 降至1 8 9 c ，同时电流由1 4 a 突升至2 0 a ，运行人员立即投入空预 器消防蒸汽，通知巡检员就地检查，汇报值长。 1 8 ：2 0 ，就地检查2 2 # 空气预热器电机及主轴上部运行正常，转子停运，遂隔离 该空气预热器，机组降负荷至3 0 0 9 w 。 1 8 ：4 5 单元主值停止2 2 # 空预器主电机，投入2 2 # 空预器盘车。 1 8 ：5 6 巡检员就地检查2 2 # 空预器盘车停运，单元主值启动2 2 # 空预器主电机。 1 9 ：1 7 由于2 2 # 空预器转子停运，空预器转子膨胀不均，易引起转子卡涩，值 长汇报中调申请停机。 1 9 ：2 3 中调令2 号机组停机，2 号机组手动停机。 2 4 设备检查情况h 1 2 0 0 1 年1 1 月3 0 日，取出2 号机组空气预热器下部轴承，进入轴内检查，发现 大轴距下端口1 1 4 5 m m 的轴和轴肩过渡处断裂( 见图2 一图4 ) 。经过大轴断口材质 分析为1 5 m n s i ；1 2 月1 日，华北电科院金属所对该轴断口附近进行了金相复膜检查 结果如下：组织为铁素体+ 珠光体，铁素体为等轴晶粒，大小严重不均匀，最大可达3 级 最小则在8 级以下，珠光体呈现细长条状，且大小不均匀( 见图5 ) 。1 2 月2 0 日对该 轴断口上部组织进行取样，由华北电科院金属所做机械性能试验，认为机械性能数 据正常。有关数据见表1 ： 表l试样机械性能表 试样编号 ob ( m p a ) 65 ( ) v( ) 14 7 51 54 3 24 4 02 44 5 3 4 4 52 64 7 44 4 02 44 0 针对2 2 # 空预器断轴问题，对2 1 # 、2 3 # 、2 4 # 空预器大轴进行了解体检查，对轴 肩及上部焊缝全部进行了着色、超声探伤，未发现异常，但在空预器上部转子轮毂 8 华北电力大学硕十学位论文 处与轴磨损深约9 m m ，磨损呈环状，表明由于倾覆力矩的作用，轴和转子之间出现了 相对变形，转子或轴的刚度设计不够。 图2 # 2 2 空预器大轴断口 图3 # 2 2 空预器大轴上断口 图4 # 2 2 空预器大轴下断口 9 华北电力大学硕士学位论文 2 5 目前运行状态 图5# 2 2 空预器金相组织图片 目前运行的状态是在主轴断裂后进行的改造。( 分析见第三章) 华北电力大学硕士学位论文 第三章原俄罗斯空预器主轴状况分析 空预器在运行中，大轴同时承受结构应力和温度变化产生的热应力，由于结构 应力远远大于热应力，暂不考虑热应力对大轴的影响，有关热应力的分析见第六 章。利用a n s y s 有限元软件对大轴进行结构应力分析，证明在正常工况下，原俄罗 斯空预器主轴是安全的，其设计使用寿命是无限的。并根据空预器主轴断裂的实际 情况，分析造成主轴断裂的原因。 3 1a n s y s 有限元软件简介。伽 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软 件，它自7 0 年代诞生至今，经过近3 0 年的发展，已经成为能够紧跟计算机硬、软 件发展的最新水平，功能丰富，用户界面友好，前后处理和图形功能完备，使用高 效的有限元软件系统。 a n s y s 拥有丰富和完善的单元库，材料模型库和求解器，保证了它能够高效地求 解各类结构的静力，动力，振动，线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析及热一结 构耦合问题，静态和时变电磁场问题，压缩和不可压缩流体问题，以及多场耦合问 题。它友好的图形用户界面和程序结构使用户易学易用；它的完全交互式的前后处 理和图形软件，大大减轻了用户刨建工程模型，生成有限元模型以及分析和评价计 算结果的工作量；它的d d a 模块实现了它与多个c a d 软件产品的有效连接，a n s y s 系列的各种产品和适应与各种计算机系统平台的版本，为用户提供了各种可能的选 择；它已经成为计算机辅助工程( c a e ) 和工程数值模拟的最有效的软件，成为当代 c a d c a e c a m 的主流产品之一。 a n s y s 软件的分析流程如图3 1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 森酿元程廖 简鬻址纛过程 ( p r o p r o c e s s i 解恕粳序 ( s 0 1 u li o n 餍雹艇理过狴 ( 阳s t p r o c e s s 3 2 有限元模型的建立 图3 - 1 a n s y $ 软件的分析流程 空预器主轴在三维空间上来说，是个相对复杂的结构，如果全部如实考虑是 很困难的，因此我们可以在不影响某些重点部位计算精度的前提下，对其进行适当 的简化，建立有限元模型。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 对于此主轴模型，我们将其顶端，远离实际断裂部位的倒角简化为直角，而对 于上法兰处的倒角则严格按照实际尺寸建立了空预器主轴的有限元模型。并且对实 际断裂部位附近的网格进行了细化处理，以提高计算精度。 最终的几何模型及有限元模型如图3 2 ，3 3 ，3 4 所示。 选择单元类型为s o l i d8 n o d e1 8 5 单元，网格划分共划分单元9 8 2 8 6 个，产生 节点2 5 6 8 3 个。 图3 - 2主轴整体几何模型 图3 3 主轴整体有限元模型 1 3 华北电力大学硕士学位论文 图3 4 主轴半剖及局部示意图 3 3 主轴受力有限元计算与分析 如前所述，空预器转动时，主轴根部上法兰处既要承受整个转子重量所产生的 压应力，又要承受驱动转子所产生的剪切应力，还要承受烟风两侧差压所产生的转 子倾覆力矩。为此，我们分别对各种工况进行了有限元模拟。 3 3 1 主轴受力的静力分析 不考虑烟风两侧差压所产生的转子倾覆力矩对主轴的冲击载荷时，主轴承受的 静应力为压应力和剪切应力，下面是主轴的静应力有限元计算结果。 3 3 1 1 承受整个转子重量时的静力分析 中心筒转子的下法兰与大轴上法兰通过螺栓连接，整个转子的重量( 2 6 0 吨) 全 部落在主轴的上法兰处。对其进行有限元计算后，结果如图3 5 所示。 1 4 望! ! 皇垄查堂堡主兰壁垒塞 图3 5承受整个转子重量时的静力分析 从图3 5 中，我们可以看到，在上法兰上部与轴的倒角附近承受了相对较大的 压应力，但也仅为4 2 0 m p a 左右，远低于材料的许用应力1 4 7 m p a 。 3 3 1 2 承受顶端驱动力矩时的静力分析 空气预热器采用单马达项部中心驱动，带动主轴转动，主轴又通过其上法兰与 转子法兰的连接带动转予转动。 空预器自机组投产以来，共经过两次改造，以减少漏风，改造前后，运行电流 并没有明显改变，在机组额定负荷下，基本均为1 5 a 左右，说明主轴为驱动转子而 承受的扭矩也没有增加。 空预器设计转速为1 5 转分，电机功率为1 1 k w 。空预器主轴所受扭矩为： m ：j l ( m ) ( 3 - 1 ) 2 r m 、 肘：幽罢：7 0 0 6 4 ( n 掰) 2 万1 6 0 其有限元计算结果如图3 6 所示。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 图3 6 承受顶端驱动力矩时的静力分析 从图3 6 可见，由顶部电机驱动而产生的扭矩，对于主轴的受力影响很小，只 有1 3 7m p a 而已，不是引起断轴的因素。 3 3 1 3 组合工况的静应力分析 图3 7 为压应力和剪切应力组合情况下主轴的有限元计算结果。由图可见，由 于主轴上法兰承受了整个转子重达2 6 0 吨的重量，并且上法兰上下与主轴的倒角 处，主轴半径变化较大，这两处都产生了应力集中。由于上倒角处的主轴半径较 小，顶部电机驱动产生的扭转力矩对于上倒角处的影响相对较大。 1 6 图3 7压应力和剪切应力组合分柝 从图3 7 可见，压应力和剪切应力组合情况下轴的最大应力为4 2 9 m p a ，它远小 于静应力时轴材料的许用应力1 4 7m p a ，所以是安全的。 3 3 2 主轴受动载荷的有限元计算与分析 主轴除了受重力和扭矩外，还承受空气侧差压和烟气侧差压共同作用下所产生 的倾覆力矩。在热态运行中，在空气侧差压和烟气侧差压的共同作用下，产生了一 定的倾覆力矩，由于运行中其它因素的综合影响，导致倾覆力矩的加大，轴和转予 上法兰之间才会产生较大的摩擦，接触和摩擦虽然只发生在空气侧，但由于回转的 原因，在4 0 秒内，轴和上法兰的任何相对部位都会经过空气侧，从而产生圆周磨 损。 这种磨损，表明由于倾覆力矩的作用，轴和转子之间出现了相对变形，从一定 程度上应该可以说明在这种结构情况下，转子或轴的剐度设计可能不够，其刚度不 能完全平衡倾覆力矩，只能通过变形后，由轴对转子上法兰产生的压力来平衡。这 样以来，又产生了另外一个恶果，即轴的磨损越深，变形越大，轴肩根部产生的应 力也越大，直到轴肩根部的应力完全平衡倾覆力矩或者出现某个部件失效为止。 由于轴和上法兰的任何相对部位都会经过空气侧，承受倾覆力矩，无法准确定 出某一具体位置，所以取了主轴的一个剖面，在此剖面上加载冲击载荷，进行计 算。主轴剖面几何模型和有限元模型如图3 8 和3 9 所示。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 选择单元类型为s o l i d8 n o d e1 8 5 单元，网格划分共划分单元9 6 5 个，产生节 图3 8 主轴剖面几何模型 图3 9 主轴剖面有限元模型 这种冲击载荷是种随机载荷，所以在利用a n s y s 模拟时，在转子上法兰面某一 节点处加载f x = 一2 0 0 0 n 的冲击载荷进行瞬态分析，计算结果如图3 1 0 所示。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 0 承受冲击载荷分析 从图3 1 0 可以看到，在转子上法兰承受f x = 一2 0 0 0 n 的冲击载荷时，上倒角处 承受了最大的应力集中，达到2 7 6 m p a 。它小于交变应力作用下主轴的许用应力4 8 m p a 。 由于主轴自身以一固定转速旋转，对某一特定部位而言，其承受的应该是一交 变应力。2 号锅炉空气预热器的热态运行时间统计约为3 8 1 0 4 小时，根据空气预 热器转子转速进行计算，共转动了3 4 2 1 0 8 周，其应力交变同样为3 4 2 xi 0 6 次。 由计算可得，在交变应力作用下，主轴的许用应力为4 8 m p a ，主轴的强度条件应 为：主轴危险点的最大工作应力仃一主轴的许用应力p 】。因此，导致主轴断裂的 原因很可能是由于长期承受较大交变应力导致的疲劳损伤。由a n s y s 分析得到，在 转子上法兰面上某一节点处加载f x = - - 3 4 7 8 n 的冲击载荷时，主轴危险点的最大工 作应力等于主轴的许用应力4 8 m p a ，即主轴发生疲劳断裂。分析结果见图3 1 1 所 不。 3 4 空预器断轴原因分析 3 4 1 定性分析 事故发生后，对2 号锅炉4 台空气预热器的轴全部进行了检查，尽管在其它3 根轴的轴肩根部没有发现明显的破坏迹象，但在轴上与转子上法兰等高部位，均发 现有不同程度的磨损问题，磨损呈环状，最深的达1 8 m m 。这说明在空预器运行过程 中，轴和转子上法兰之间产生较大的摩擦。可能的原因是在转子转动的过程中，每 华北电力大学硕士学位论文 转至某个位置( 即碰撞点位嚣) ，都受到一个冲击力，此冲力产生的冲量引起转予 的动量变化，即速度的变化，从而造成转子对轴的撞击。由于回转的原因，转子每 旋转一周，轴和上法兰的任何相对部位都会经过这一碰撞点，从而产生圆周彦损。 因整个转子只通过下法兰与轴肩连接，则轴的磨损越深，变形越大，轴肩根部产生 的应力也越大，直到轴肩根部的应力完全平衡倾覆力矩或者出现某个部件失效为 止。因此，导致主轴断裂的原因不是设计的问题，而是由于外力使转子产生的冲量 造成的对主轴的撞击，使得其断裂部位长期承受较为集中的应力，最终导致的疲劳 断裂。 从对断口进行的宏观观察可以看到残存的部分断口断面较粗糙，且断口附近塑 性变形较小，可以判断此次断裂为瞬时脆性断裂。从大轴的工况和结构来说，断裂 处是受交变的切向应力作用最大的部位，判断裂纹扩展的机理是疲劳扩展。 3 4 2 主轴疲劳失效的分析与计算“3 3 4 2 1 疲劳极限的概述 主轴热态运行中，受到随时间作周期性变化的交变应力作用。交变应力引起的 失效与静应力全然不同。在交变应力作用下，虽然应力低于屈服极限，但长期反复 之后，构件也会突然断裂。即使是塑性较好的材料，断裂前却无明显的塑性变形， 这种现象即为疲劳失效。 疲劳失效是在交变应力下金属的失效现象。它是在名义应 力低于强度极限，甚至低于屈服极限的情况下突然发生断裂。 疲劳试验时，使第一根试样的最大应力a r l a w t , 1 较高，约为强度极限ob 的7 0 ，经 历n ，次循环后，试样疲劳。n 。称为应力为o m “1 时的( 疲劳) 寿命，然后，使第二根 试样的应力”一：略低于第一根试样，疲劳时的循环数为n 。一般说，随着应力水平 的降低，循环次数( 寿命) 迅速增加，逐步降低应力水平，得出各试样疲劳时的相 应寿命。以应力为纵坐标，寿命n 为横坐标，由试验结果描成的曲线，称为应力一 寿命曲线或s - n 曲线。当应力降到某一极限值时，s - n 曲线趋近于水平线。这表明只 要应力不超过这一极限值，n 可无限增长，即试样可以经历无限次循环而不发生疲 劳。交变应力的这一极限值称为疲劳极限或持久极限。通常把在1 07 次循环下仍未疲 劳的最大应力规定为钢材的持久极限。而把n o = 1 0 7 称为循环基数。 对称循环的持久极限盯i ，一般是常温下用光滑小试样测定的。但实际构件的外 形、尺寸、表面质量、工作环境等，都将影响持久极限的数值。影响持久极限的几 种主要因素为： 1 ) 构件外形的影响：构件外形的突然变化，如构件上有槽、孔、缺口、轴肩 等，将引起应力集中。在应力集中的局部区域更易形成疲劳裂纹，使构件的持久极 华北电力大学硕士学位论文 限显著降低。p 一，) 。：无应力集中的光滑试样的持久极限；p 一) t ：有应力集中因 素，且尺寸与光滑试样相同的试样的持久极限，则比值k a = 等岳称为有效应力集 中系数，k 一 1 ，可查表得到。 2 ) 构件尺寸的影响：持久极限一般是用直径为7 1 0 r a m 的小试样测定的。随着试 样横截面尺寸的增大，持久极限却相应地降低。在对称循环下，若光滑小试样的持久 极限为盯光滑大试样的持久极限为p 。，则如2 等 ，。其中毛为尺寸系 数。 3 ) 构件表面质量影响：表面加工的刀痕、擦伤等将引起应力集中，降低持久极 限。p 一。) 。：表面磨光的试样的持久极限；p 一一) ，：表面为其它加工情况时构件的持久 勰卢一表面质量系觐p = 器引，查表可得。 3 4 2 2 疲劳极限的计算 主轴材质为1 5 m n s i 的合金结构钢