郑涛 过热器胀接接头的流固耦合分析.docxVIP

中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文 编号：143758过热器胀接接头的流固耦合分析郑涛 李彦军 杨龙滨 沙浩男 张国磊 李晓明(哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江，哈尔滨，150001)wanqiang751104@126.com)摘要：蒸汽过热器是船用锅炉的重要组成部分之一，其换热管束通常采用胀接方式与集箱连接，胀接接头部位在冷热循环载荷作用下可能会发生渗漏故障，影响锅炉的安全稳定运行。本文借助Fluent对过热器的蒸汽、管壁及烟气的流动与传热过程进行了模拟，得到了过热器管束平均温度分布及传热与流动规律，所得的计算数据作为边界条件，采用流固耦合的方法以对两种管材胀接接头进行了应力分析。经过循环载荷之后，发现12Cr1MoVg管材接触面上仍然保持较高的残余接触应力，胀口仍能保持密封性，而1Cr19Ni11Nb管材在循环载荷卸载之后，接触面部分区域出现残余接触应力为零的现象，存在渗漏的危险。关键词：过热器；数值模拟；胀接接头；流固耦合0.引言蒸汽动力装置是我国船舶的主要动力之一，具有经济性高、技术成熟、可靠性强、研制周期短和使用寿命长等特点[1-2]。而蒸汽过热器作为船用锅炉的重要组成部分之一，同时也是船用锅炉中工作环境最恶劣的部件之一，也是最常发生故障的部件。过热器的换热管束与集箱通常采用胀接方式连接，在锅炉运行过程中，工况会经常变化，在锅炉经多次启动、停炉的冷态到热态变化循环后，残余接触压力下降，密封性能降低，导致胀口泄漏，这严重影响着船舶锅炉的安全经济运行。因此保障管束与集箱连接处的密封性与连接强度是非常重要的[3-6]。现代胀接理论可以追溯到上世纪40年代，由Goodier和Schoessow等学者提出，并一直应用至今。他们根据弹塑性力学对实际胀接中的多孔管板进行了一定的简化，建立起一个只有中心圆孔的无限大圆形平板，并用该模型研究了换热管采用机械胀接的残余应力[7]。1976年Krips和Podhorsky建立了当量套筒模型。对于当量套筒模型需要准确的套筒直径，否则，计算结果会有很大的误差[8]。此后许多学者利用有限元法和实验分析对套筒直径公式进行了修正，提出了一系列经验公式。准确的温度场是研究过热器胀接接头热应力以及密封性的前提条件，采用有限元分析软件对胀接过程进行模拟，难点是如何建立管子与管板之间的非线性接触[9]。用有限元和CFD的联合求解的方法进行耦合分析能很好的解决界面处传热问题，采用流固耦合的方法可以更准确的反应出温度场的分布[10-11]。本文借助ANSYS分析软件，应用CFD软件Fluent对过热器的蒸汽、管壁及烟气的流动与传热过程进行了数值模拟研究，得到了过热器管束平均温度分布及传热与流动规律。所得的计算数据作为边界条件加载到已建立的结构较为简化的船用锅炉过热器集箱与换热管的单管胀接接头的三维有限元模型上进行数值模拟计算，研究胀接接头在冷热循环载荷影响下的结构特性。对两种管材的过热器胀接接头的流固耦合问题进行了的研究。在管板无开槽情况下，12Cr1MoVg管材在经过循环载荷之后，接头处仍然保有一定的残余接触应力。而1Cr19Ni11Nb管材则在循环载荷卸载之后，接触面部分区域出现残余接触应力为零的现象，存在渗漏的危险。1. 过热器流动传热数值模拟1.1过热器结构本文的研究对象是某船用锅炉的过热器，过热器管子规格为￠25mm×2mm，相邻管孔之间的距离为40mm。过热器集箱材料为12Cr1MoVg，集箱规格￠530mm×40mm。过热器是集合分配集箱和汇集集箱于一体的单集箱系统，从图1中可以直观的看出集箱内蒸汽静压分布被中间隔板分为明显的三部分，由此以第一流程和第二流程区分。饱和蒸汽进入过热器集箱1区后由于内部隔板装置的阻隔，蒸汽通过过热器环管进入第2区，同样蒸汽通过环管又进入第3区，再由过热蒸汽出口截止阀流向汽轮机。图1某船用锅炉过热器结构图1.2过热器网格划分对于本文中的过热器，由于细长管子的近壁面处流体的流速梯度较大，粘性影响明显，网格要进行加密，因此要对管子进行边界层划分并采用结构化的六面体网格，以便用较少的网格得到更准且的解。对于集箱则采用非结构化的四面体网格，这样可以在复杂的区域生成网络。网格如图2所示。图2网格示意图1.3 边界条件某船用锅炉过热器边界条件如表1所示。表中列出了过热器烟气侧的入口质量和入口温度以及蒸汽侧的入口质量和入口温度。表1某船用锅炉过热器边界条件烟气侧蒸汽侧入口质量入口温度入口质量入口温度kg/sKkg/sK30.001707.1520.56552.651.4温度场分析通过计算的到的过热器管束温度云图如图3所示可以发现每个流程内，由于整个过热器中间温度热负荷较高，因而处