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基于ANSYS的大风箱结构有限元设计分析 |
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作者：侯庆伟 祁金胜 冯玉滨 |
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摘要：本文针对目前大型火力发电厂烟风道截面大、壁板较薄，易发生局部失稳的问题，以国内某电厂600MW机组热二次风大风箱为例，运用ANSYS 软件，对大风箱进行结构有限元分析。通过结构静力分析及屈曲研究，根据壁板与加固肋组合设置的结构变形和应力分布结果，以及风箱结构的临界屈曲载数据，为提高结构稳定性提出设计建议。
热二次风大风箱是火力发电厂中锅炉进风的重要通道，一般是由钢板和型钢加固肋组成的矩形壳体，风道壁板厚度通常≤5mm，具有截面大、风道壁板薄的特点。大风箱既要承受内壁压力、自重、外力等荷载，还要承受运行温度下的热变形和热应力，受力情况复杂。对于烟风道的结构设计，提供了大量图表和曲线可以查取，但是它们不能满足精确设计的要求；而对于烟风道的破坏失稳计算，我国关于烟风道设计的规程却没有涉及。本文以国内某电厂2×600MW机组工程为例，通过有限元数值模拟的方法，针对大风箱进行静力分析和屈曲分析，对风箱结构设计进行研究。
进行静力分析时，采用ANSYS程序自动选择求解器的方法，根据计算结果提取变形矢量和等效应力分布数据；而进行屈曲分析时，由于风箱由壁板和加固肋组成，整体弹塑性较好，所以采用特征值屈曲分析方法，获得预期的线性屈曲载荷上限，并提取屈曲模态分析结果。
1 设计参数与模型
1.1 设计参数
此工程中的大风箱为薄壁钢结构，采用内贴角钢式并设有环向型钢加固肋，内部对应加固肋设有内撑杆，采用刚接形式。
风箱位于锅炉墙侧，外形尺寸为16440mm×3500mm×2250mm，热风入口为一个，位于大风箱的侧壁中部，尺寸为4500mm×2250mm；热风出口尺寸为2000mm×2100mm，由大风箱的侧壁自上而下共四个，通过分风道与炉膛相通。设计尺寸如图1所示。
1.2 设计模型
1.2.1 计算单元的选择
大风箱壁板承受的荷载主要为内壁压力、热应力、自重和外力，其受力较为复杂，同时承受弯矩、剪力的作用，故采用壳单元SHELL63进行模拟。
由于加劲肋与风箱壁为焊接，它们共同承担内壁传来的荷载及自重，其承受荷载类型为弯矩、轴力、剪力，采用梁单元BEAM188进行模拟。对于内撑杆，为简化单元设置，也采用梁单元BEAM188进行模拟。
图1 大风箱外形图
1.2.2 计算研究工况
1)荷载条件
本文对风箱结构主要考虑内压荷载，同时忽略自重和外力的影响。根据锅炉技术协议书提供的数据，炉膛设计压力为±5.8kPa，按烟风道设计的规程规定取0.7倍的炉膛设计压力，则风箱设计内压为±4.1kPa；另外，进入炉膛的热风温度约350℃，因此大风箱在此环境温度下工作，会产生热应力和结构变形。为简化计算模型，仅考虑热风温度下钢结构材料弹性模量及许用应力的变化，不考察风箱热变形和热应力的分布情况。
2)结构组件的设置风箱的壁板可选为3mm、4mm和5mm三种规格；加固肋选用槽钢，一般适用规格为［8、［10、［12三种；加固肋间距定为750mm。为保证结构的稳定性，风箱内部对应加固肋设置内撑杆， 规格为φ60×4.5。
3)边界条件的设定
在风箱中部设置三处刚性支架，并由风箱上部开始自上而下设置三处限位组合支架，保证运行状态下风箱本体的稳定。
2 结果与分析
计算模型假定加固肋间距(750mm)不变，不同的壁厚(3mm、4mm、5mm)与不同的槽钢型号(［8、［10、［12)组合，分九种情况进行计算分析。
2.1 静力结果及分析
风箱结构静力分析结果见图2。结果显示热风入口侧板中心区域变形最大，所对应的应力值也偏高，主要是因为入口截面尺寸较大，结构强度局部有所降低，运行时容易产生应力集中和大变形。不同壁厚和加固肋组合的静力分析结果见表1和表2。加固肋型号变化与壁板变形和应力关系见图3和图4。
由表1、图3和表2、图4可以看到，当壁板厚度为3mm时，风箱结构发生较大的变形，同时产生很大的应力。风箱在运行温度下（350℃）的材料Q235许用应力约为85MPa，则壁板应力超过该许用应力值，因此进行风箱结构时，壁板厚度要大于3mm。
另外，当壁板厚度为4mm时，与三种槽钢加固肋的组合设置均能满足设计要求。只不过加固肋为［8时结构设计裕量较小（﹤10％），设计时可以通过减少加固肋间距的方式增加设计裕量。
当壁板厚度为5mm时，结构满足设计要求，且留有较大的设计裕量。为减少风箱结构材料消耗及对锅炉钢架的载荷，在满足设计要求的条件下，优先选择4mm壁板与槽钢加固肋的组合。
2.2 屈曲结果及分析
风箱结构屈曲分析结果见图5。结果显示热风入口侧板支架附近区域首先产生应力集中，造成结构破坏失稳。不同壁厚和加固肋组合的结果见表3，加固肋型号变化与壁板临界屈曲载荷关系见图6。
由表3和图6可以看到，当壁板厚度为3mm时，风箱结构临界屈曲载荷很低，不超过5kPa；壁板厚度为4mm时，风箱结构临界屈曲载荷较高，最大可以接近10kPa；壁板厚度为5mm时，风箱结构临界屈曲载荷最高，风箱结构临界屈曲载荷不低于15kPa。另外由表3和图6可以得出，壁板厚度对风箱结构屈曲有较大的影响，4mm厚壁板同3mm壁板相比，临界屈曲载荷高约2倍。
由于风箱与炉膛直接相连，设计时除设计压力外，个人认为还应考虑炉膛瞬态压力的影响。根据锅炉技术协议书提供的数据，炉膛瞬态压力为±8.7kPa。由表3可以看到，壁板厚度为4mm时，与［10 和［12加固肋的组合设置，结构临界屈曲载荷大于8.7kPa，保证风箱在炉膛瞬态压力下不被破坏。加固肋为［8时，结构临界屈曲载荷接近8.7kPa，设计时可以通过减少加固肋间距(﹤750mm)的方式提高结构临界屈曲载荷。当壁板厚度为5mm时，结构临界屈曲载荷过高。为减少风箱结构材料消耗及对锅炉钢架的载荷，在满足设计要求的条件下，优先选择4mm壁板与［8、［10、［12的组合。
综合结构静力分析与屈曲研究结果，热二次风大风箱设计时，壁板厚度应当选取4mm，加固肋可以选择［8、［10、［12三种规格。其中，4mm壁板与［10组合较为理想，既可以满足设计内压条件下的设计裕量，还可以保证炉膛瞬态压力条件下结构不被破坏。另外，为防止加固肋破坏失稳，应设置纵向肋，提高结构的整体稳定性。
3 结论
采用有限元分析软件ANSYS对国内某电厂600MW机组热二次风大风箱进行结构静力分析和屈曲研究，通过计算结果可知：
3.1 进行结构设计时，风箱壁板厚度要大于3mm；
3.2 在运行工况下，风箱壁板靠近支架处首先发生屈曲；
3.3 壁板厚度对风箱结构屈曲有较大的影响，4mm厚壁板同3mm壁板相比，临界屈曲载荷高约2倍；
3.4 风箱结构设计时，综合考虑设计内压和炉膛瞬态压力的影响，优先选择4mm壁板与［8、［10、［12的组合，其中4mm壁板与［10组合较为理想；
3.5 为保证结构设计裕量和炉膛瞬态压力条件下结构不被破坏，加固肋间距不宜超过750mm，并设置纵向肋提高结构的整体稳定性。(end)
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(8/7/2013) |
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