增压锅炉汽包应力有限元分析

论文摘要

船用增压锅炉是利用涡轮增压机组的压气机替代汽轮机鼓风机向锅炉炉膛输送具有一定压力和温度助燃空气的锅炉。汽包是锅炉中重要的受压元件,它连接上升管与下降管组成自然循环回路,同时接受省煤器来的给水,还向过热器输送饱和蒸汽,它是加热、蒸发、过热这三个过程的连接点。汽包运行工况极其复杂,不仅要承受内部较高的压力,还要承受冷、热态启停及变负荷时的循环机械应力和热应力,这些交变应力很容易产生疲劳破坏。因此,对锅炉汽包展开应力分析,得出增压锅炉汽包稳态及启动工况下应力的变化规律,为增压锅炉最优启动方案提供一定的理论支持,理论和实际意义重大。运用ANSYS软件建立了某增压锅炉汽包孔的三维模型,对汽包内压应力、热应力以及总应力分布进行三维有限元数值模拟分析。模拟得出了6.5MPa压力下的稳态内压机械应力以及压力从常压增加到6.5MPa时的瞬态应力,上下汽包壁温差相差52℃和78℃的稳态热应力和从常温增加到两种温度工况下的瞬态热应力。最后计算出压力以及不同温度共同作用下的稳态总应力和不同启动方案下的瞬态总应力。得到了汽包的应力集中状况,并根据应力值和材料特性对汽包进行了强度评定,为汽包的安全运行和设计提供了依据。模拟结果表明:此型增压锅炉内压最大应力值是在汽包孔沿轴向截面的内点(通常所说的A点),跟压力值大小成正比;而热应力值分布相对复杂,在水汽交接面较大一点,与上下汽包温差成正比。总应力是内压应力和热应力的矢量和,在A点总应力值比机械应力小,这说明适当大小的热应力对内压应力有削弱作用,而在孔区的汽包外壁总应力增大,这说明热应力对内压应力有叠加的作用。在汽包上下壁温差大于300℃时由于热应力的增大削弱作用不明显,叠加作用明显,容易出现危险,启动时间越短,应力值越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 增压锅炉特点及研究现状
• 1.2 锅炉汽包温度及应力场研究现状
• 1.2.1 锅炉汽包温度场
• 1.2.2 锅炉汽包应力场
• 1.3 本文工作
• 第2章 理论基础
• 2.1 弹性力学基础
• 2.1.1 平衡微分方程
• 2.1.2 几何方程
• 2.1.3 物理方程
• 2.2 热应力
• 2.3 有限元基础
• 2.3.1 有限元简介
• 2.3.2 变分原理
• 2.4 强度理论
• 2.5 本章小结
• 第3章 汽包模型的力学分析
• 3.1 汽包圆筒的力学理论
• 3.1.1 应力集中现象
• 3.1.2 容器开孔问题
• 3.1.3 内压作用下汽包圆筒的应力状态
• 3.2 汽包压力失效准则
• 3.3 汽包主要失效方式
• 3.4 汽包圆筒的热应力分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 锅炉汽包的建模及稳态应力计算分析
• 4.1 模型的简化
• 4.2 模型的尺寸
• 4.3 锅炉汽包稳态机械应力计算
• 4.3.1 锅炉汽包初始条件和边界条件的计算
• 4.3.2 锅炉汽包稳态机械应力的计算
• 4.3.3 强度评定
• 4.4 汽包稳态温度场与热应力场的计算
• 4.4.1 汽包的热应力
• 4.4.2 边界条件
• 4.4.3 稳态温度场
• 4.4.4 稳态热应力场
• 4.5 汽包稳态总应力场的计算
• 4.5.1 计算结果
• 4.5.2 强度评定
• 4.5.3 加大温差计算总应力
• 4.6 本章小结
• 第5章 锅炉汽包的瞬态应力场分析
• 5.1 瞬态分析
• 5.2 瞬态机械应力计算
• 5.2.1 加载
• 5.2.2 计算结果及分析
• 5.3 瞬态热应力计算
• 5.4 瞬态总应力计算
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢