回转式空气预热器接触式柔性密封技术研究

论文摘要

接触式柔性密封是一种解决回转式空气预热器漏风问题的新型技术。回转式空气预热器是现代大型电厂锅炉机组中的重要设备,对锅炉效率的提高起着至关重要的作用。在实际运行中,回转式空气预热器漏风率高是十分棘手的问题,是该类设备的致命缺点,严重影响了锅炉机组的安全性和经济性。接触式柔性密封应用于回转式空气预热器上可以实现预热器的“零”间隙密封,能够明显减小预热器的漏风率,提高锅炉机组的效率,减小能源消耗,因此接触式柔性密封在回转式空气预热器节能改造上有重要意义和良好前景。本文采用力学实验方法和有限元方法对接触式柔性密封进行了模拟分析,同时,运用ANSYS的高级模块对接触式柔性密封进行了优化设计、可靠性设计和疲劳寿命分析。主要工作如下：（1）分析了回转式空气预热器的漏风机理,得出漏风量与间隙面积成正比的结论——通过减小漏风间隙控制空预器漏风,提出一种新型的接触式柔性密封技术。根据各种密封方法的对比,接触式柔性密封技术是一种有效方法,具有安装方便、“零”间隙、适应热变形的特点。（2）接触式柔性密封的结构参数包括厚度、波数、波距、波深、初始伸长、总长和迎角,刚度是接触式柔性密封的重要性能参数。从基本力学模型出发,运用力学实验方法和有限元方法对不同结构参数下的接触式柔性密封进行研究,得到相应结构参数的最大载荷、载荷-位移关系和各结构参数-刚度关系。厚度、波数、波深和总长是影响接触式柔性密封刚度的重要结构参数,其中厚度的影响程度最高。（3）介绍了有限元法优化设计的基本原理,采用ANSYS的APDL语言对接触式柔性密封进行参数化建模,利用ANSYS的优化设计模块对结构、载荷和刚度进行有限元优化分析,得到一组最优结构,刚度降低约68%。（4）可靠性是接触式柔性密封的重要性能参数。介绍了基于ANSYS的可靠性分析方法,运用ANSYS的PDS模块,将有限元方法和可靠性设计理论相结合,建立可靠性分析文件对接触式柔性密封进行了可靠性分析。接触式柔性密封的结构是可靠的,厚度和总长是影响接触式柔性密封的主要因素。（5）疲劳寿命是接触式柔性密封的重要性能参数。介绍了基于ANSYS的疲劳寿命分析方法,运用ANSYS的FATIGUE模块,将有限元方法和疲劳寿命分析理论相结合,建立疲劳分析文件对接触式柔性密封进行了疲劳寿命分析。接触式柔性密封的疲劳寿命为8年。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 回转式空气预热器概述
• 1.2.1 空气预热器的作用
• 1.2.2 空气预热器的分类
• 1.2.2.1 管式空气预热器
• 1.2.2.2 回转式空气预热器
• 1.2.2.3 回转式空气预热器与管式空气预热器的对比
• 1.2.3 受热面回转式空气预热器各主要组成部件的结构
• 1.2.4 回转式空气预热器的主要问题
• 1.2.4.1 着火问题
• 1.2.4.2 堵灰问题
• 1.2.4.3 漏风问题
• 1.2.5 前人的研究成果
• 1.3 研究目的、意义和内容
• 1.3.1 研究目的和意义
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.2.1 力学实验方法
• 1.3.2.2 有限元数值模拟技术
• 1.3.2.3 计算机辅助工程
• 1.3.2.4 通用有限元软件ANSYS
• 1.3.3 研究内容
• 1.3.4 本课题的创新点
• 1.3.5 本课题的难点
• 第二章 回转式空气预热器漏风机理及其解决方案
• 2.1 漏风的理论分析
• 2.1.1 携带漏风
• 2.1.2 直接漏风
• 2.1.3 变形量
• 2.2 漏风的原因分析
• 2.3 漏风的计算
• 2.3.1 漏风系数
• 2.3.2 漏风率
• 2.4 漏风性能试验
• 2.4.1 试验法规
• 2.4.2 试验条件
• 2.4.3 试验注意事项
• 2.4.4 试验过程
• 2.5 减少漏风的措施
• 2.5.1 减少携带漏风的方法
• 2.5.2 减少直接漏风的方法
• 2.5.2.1 降低泄漏系数K的措施
• 2.5.2.2 控制空气侧与烟气侧的压力差△P
• 2.5.2.3 降低漏风间隙σ的措施
• 2.5.2.4 其他方法
• 2.6 基于减小漏风间隙的密封技术
• 2.6.1 非接触式间隙控制系统
• 2.6.2 接触式柔性密封技术
• 2.7 本课题的解决方案
• 2.8 本章小结
• 第三章 接触式柔性密封的数值模拟分析
• 3.1 引言
• 3.2 理论分析
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 计算方法
• 3.2.3 模拟分析求解步骤
• 3.3 有限元仿真
• 3.4 计算结果与分析
• 3.4.1 在不同波数n下的载荷-位移关系
• 3.4.2 在不同厚度t下的载荷-位移关系
• 3.4.3 在不同波距d下的载荷-位移关系
• 3.4.4 在不同波深h下的载荷-位移关系
• 0下的载荷-位移关系'>3.4.5 在不同初始伸长l₀下的载荷-位移关系
• 3.4.6 在不同总长l下的载荷-位移关系
• 3.4.7 在不同迎角θ下的载荷-位移关系
• 3.4.8 在相同载荷下的刚度-结构参数关系
• 3.5 统计分析
• 3.6 研究结论
• 3.7 本章小结
• 第四章 接触式柔性密封的实验研究
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验原理
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 实验仪器和材料
• 4.3.2 密封规格
• 4.3.3 电阻应变片的布片方案和粘贴步骤
• 4.3.4 实验步骤
• 4.4 实验数据处理与分析
• 4.4.1 在不同波数n下的载荷-位移关系
• 4.4.2 在不同波距d下的载荷-位移关系
• 0下的载荷-位移关系'>4.4.3 在不同初始伸长l₀下的载荷-位移关系
• 4.4.4 在不同总长l下的载荷-位移关系
• 4.4.5 在不同波深h下的载荷-位移关系
• 4.4.6 在不同迎角θ下的载荷-位移关系
• 4.5 实验误差分析
• 4.6 研究结论
• 4.7 本章小结
• 第五章 接触式柔性密封的优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 基于有限元法的优化设计
• 5.2.1 优化设计的基本原理
• 5.2.2 优化设计的基本过程
• 5.3 参数化建模
• 5.4 优化设计
• 5.4.1 目标函数
• 5.4.2 设计变量
• 5.4.3 优化计算
• 5.5 优化结果与分析
• 5.6 研究结论
• 5.7 本章小结
• 第六章 接触式柔性密封的可靠性设计
• 6.1 引言
• 6.2 基于ANSYS的可靠性设计法
• 6.2.1 可靠性设计的基本原理
• 6.2.2 有限元分析软件ANSYS及其PDS模块
• 6.2.3 ANSYS可靠性设计的基本过程
• 6.3 可靠性设计
• 6.3.1 确定设计变量并初始化
• 6.3.2 参数化建模、划分网格、加载并求解
• 6.3.3 提取相关结果并存储到参数中
• 6.3.4 生成概率设计的分析文件
• 6.3.5 运行概率设计
• 6.4 结果分析
• 6.4.1 概率计算结果
• 6.4.2 抽样过程显示
• 6.4.3 抽样分布柱状图
• 6.4.4 累积分布函数图
• 6.4.5 设计变量的评定
• 6.4.6 灵敏度指标分析
• 6.4.7 g（X）的相关系数
• 6.5 研究结论
• 6.6 本章小结
• 第七章 接触式柔性密封的疲劳寿命分析
• 7.1 引言
• 7.2 基于ANSYS的疲劳寿命分析法
• 7.2.1 疲劳寿命分析的基本原理
• 7.2.2 基于ANSYS的疲劳分析法
• 7.2.3 基于ANSYS的疲劳分析过程
• 7.3 应力强度分析
• 7.3.1 有限元模型的建立
• 7.3.2 网格划分
• 7.3.3 材料参数
• 7.3.4 载荷及边界条件
• 7.3.5 应力强度计算
• 7.4 疲劳分析
• 7.4.1 进入后处理器POST1,恢复数据库
• 7.4.2 疲劳计算的准备工作
• 7.4.3 存储应力、指定事件循环次数和比例因子
• 7.4.4 激活疲劳计算和结果
• 7.4.5 疲劳寿命分析
• 7.5 研究结论
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论和展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件