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AQC余热锅炉钢架有限元分析

文档作者：刘晓明杨晓翔郭金泉陈小韩叶振华何锦坤文档来源： 1．福州大学机械工程及自动化学院 2．福建省特种设备检验研究院		点击数：	更新时间： 2021年06月03日
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· 机械制造与研究· 刘晓明，等·AQC余热锅炉铜架有限元分析
AQC余热锅炉钢架有限元分析
刘晓明 ，杨晓翔 ，郭金泉 ，陈小韩 ，叶振华 ，何锦坤
(1．福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350002；2．福建省特种设备检验研究院，福建福州350002)
摘要：根据某工程两台由于地基下沉而倾斜的AQC余热锅炉钢架特点，利用ANSYS软件建
立钢架有限元模型，对钢架进行静力分析和模态分析，分析了两台倾斜钢架在不同载荷工况下
的应力分布及变形情况，并与未倾斜钢架分析结果进行对比。该方法和结果为这两台余热锅
炉的安全运行提供依据，也为类似工程提供参考。
关键词：余热锅炉；钢架；有限元
中图分类号：TH12；TB115 文献标志码：A 文章编号：1671-5276(2012)O1-0065-05
Finite Element Analysis of Steel Frame of Heat Recovery Steam Generator(HRSG)
LIU Xiao—ming ，YANG Xiao—xiang ，GUO Jin—quan ，CHEN Xiao—han ，YE Zhen-hua2，HE Jin—kun
(1．College of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350002，China；
2．Fujian Special Equipment Inspection Institute，Fuzhou 350002，China)
Abstract：According to the characteristics of two foundation sinking and inclined HRSG steel frames，this paper uses ANSYS soft—
ware to establish the finite element mode of steel frame and makes the modal analysis and static analysis．Is also analyzes the stress
distribution and deformation of steel frame under diferent load compares the analysis results with the parameter values of normal
steel frame，The analysis result and method can provide a reference for safe operation of the tw o heat recovery steam generators
and similar projects．
Key words：HRSG：steel frame；finite element
1 工程概况
某工程两台AQC余热锅炉(窑头)于2008年4月开
始安装，2009年1月安装完成投入运行，地处龙岩郊区，
场地类别为Ⅱ类，按地震烈度为7度设防，室外布置。因
山下开凿高铁隧道，引起锅炉地基下沉，锅炉钢架倾斜。
为确定该锅炉钢架倾斜对锅炉安全运行的影响，对两台倾
斜锅炉和未倾斜锅炉进行了静力分析和模态分析，为这两
台余热锅炉的安全提供依据，也为类似工程提供参考。
钢架未倾斜时，长、宽、高为8．2 m x3．47 m x 14．88 m，共
4层，立柱与梁之间为刚接，支撑与立柱和梁之间也是刚接，
未倾斜钢架俯视图及方位设定如图1所示，其中A1，A2，B1，
B2，C1，C2为6根立柱，锅炉安装在A1，A2梁这侧。
左
前
A2 C2 B2
I 『 I l
一
一
l — 十 十 I
A 1 C1 B1
右
图1 未倾斜钢架俯视图
2 钢架有限元模型
2．1 力学模型简化及假设
现场通过放样，测得四台锅炉钢架的倾斜情况见表1
所示。
表1 两台锅炉钢架最大偏移量
锅炉钢架 钢架高度／m 锅筒前后侧／mm 锅筒左右侧／mm
现场观察得知，锅炉钢架混凝土由于锅炉基础整体沉
陷，导致锅炉钢架整体结构刚体转动发生倾斜，所以只建
立未倾斜余热锅炉钢架有限元模型，至于1线和2线锅炉
钢架发生倾斜角度不一样，可由施加的载荷来考虑。两台
锅炉钢架的力学简化模型是基于目前锅炉钢架实际现状
进行的，且锅炉钢架钢筋混凝土基础及平台未失效并未继
续沉陷。再有，简化模型主要综合考虑钢架整体的变形及
强度问题，并未考虑实际焊缝的残余应力以及多根钢架相
连处应力集中等问题。两台锅炉钢架结构为一空间杆系
结构，基于上述考虑可简化成刚架结构，主要用梁单元进
行分析计算。
作者简介：刘晓明(1983一)，女，福建永春人，福州大学助理实验师，硕士，研究方向为计算力学。
Machine Building Automation，Feb 2012，41( )：65～69 ·65·
· 机械制造与研究· 刘晓明，等·AQC余热锅炉钢架有限元分析
2．2 有限元模型
由于钢架节点均为刚接，因此每个节点有6个自由
度，ANSYS⋯ 中beam188是两节点空间线性单元，每个节
点分别有3个平动和3个转动自由度，而且钢架很多梁的
截面不是普通截面，而是型钢组合梁 J，beam188可以自
定义截面，建模方便，因此beam188单元可以很好地模拟
钢架。所以文中锅炉钢架采用空间梁单元BEAM188进行
离散化，钢架整个结构共划分了1 194个单元，2 358个节
点，钢架有限元网格如图2所示。
d)载荷工况
根据现场实测两台锅炉钢架最大偏移量可知，实际l
线AQC锅炉钢架主要向后倾斜，实际2线AQC锅炉钢架
主要向前倾斜，故对以下9种工况进行分析计算：
工况1：AQC锅炉钢架未倾斜时，施加永久载荷；
工况2：实际1线AQC锅炉钢架，施加永久载荷；
工况3：实际2线AQC锅炉钢架，施加永久载荷；
工况4：实际l线AQC锅炉钢架，施加永久载荷和
向(向后)地震载荷；
工况5：实际2线AQC锅炉钢架，施加永久载荷和
向(向前)地震载荷；
工况6：实际1线AQC锅炉钢架，施加永久载荷和Y
向(左右方向)风载荷；
工况7：实际1线AQC锅炉钢架，施加永久载荷和
向(前后方向)风载荷；
工况8：实际2线AQC锅炉钢架，施加永久载荷和y
向(左右方向)风载荷；
工况9：实际2线AQC锅炉钢架，施加永久载荷和
向(前后方向)风载荷。
2．5 边界条件
AQC锅炉钢架基础采用固定端约束形式，即6个自
由度全部约束。
图2 锅炉钢架有限元模型图 ，
3 锅炉钢架静力学结果分析
2．3 材料物理参数
锅炉钢架材料为Q235一A，材料在常温下的屈服极限
分别为235 MPa，强度极限为380 MPa，弹性模量为2．1×
10 MPa，材料的泊松比取为0．3，密度为7 850 kg／m 。
2．4 载荷工况
a)永久载荷
钢架工艺载荷包括钢架自重，同时还要考虑锅炉水压
试验时锅炉内水质量，锅炉及附件、平台扶梯等质量。取
重力加速度g=9．8 m／s 。
b)风载荷计算及施加
根据文献[3]，风压按下式计算：
I1)K pz s zWo L1)
式中，W 是风载荷标准值(kN／m )； 是高度z处的风振
系数； 是风荷载体型系数； 是风压高度变化系数；W。
是基本风压(kN／m )。通过文献[3]附录查到龙岩市50
年一遇基本风压是0．35 kN／m ，其他参数也可通过文献
[3]查询计算出来。
由于风向无明确历史依据，因此对钢架分别施加四个
方向的风载，并施加在迎风面的立柱上。
c)地震载荷计算及施加
根据文献[4]，工程设计按地震烈度7度设防，水平
向地震动峰值加速度为1．25 m／s ，施加方向为钢架主要
倾斜方向。
· 66 ·
图3为未倾斜AQC锅炉钢架在工况一时钢架Von Mises
应力云图，图3上标尺单位为Pa，最大Von Mises应力为86．8
MPa，位于锅筒后侧右边钢架立柱最底层上，但小于钢材屈服
极限，能满足强度要求。从图上可知，最底层六个立柱Von
Mises等效应力相差不大。最大变形量为4．0 mill。
# ￡●0 潲●髓 8艚 h 蹲●描 $‘5⋯
图3 未倾斜锅炉钢架在工况一时Von Mises应力云图
图4为实际一线AQC锅炉钢架施加永久载荷时钢架
Von Mises应力云图，最大Von Mises应力为87．5 MPa，位
于锅筒后侧右边钢架立柱最底层上，但小于钢材屈服极
限，能满足强度要求。最大变形量为4．0 mm。
图5为实际二线AQC锅炉钢架施加永久载荷时钢架
Von Mises应力云图，最大Von Mises应力为92．8 MPa，位
于锅筒前侧右边钢架立柱最底层上，但小于钢材屈服极
http：∥ZZHD．chinajourna1．net．Cll E-mail：ZZHD@chainajouma1．net．cil《机械制造与自动化》
· 机械制造与研究· 刘晓明，等·AQC余热锅炉钢架有限元分析
图4 AQC锅炉钢架在工况二时VonMJses应力云图
限，能满足强度要求。最大Von Mises等效应力比工况一
大，这是由于实际2线AQC锅炉钢架向右侧倾斜了10
mm，向后侧倾斜91 mm，这就加大了锅筒前侧右边钢架立
柱的承载，所以最大应力出现在锅筒前侧右边钢架立柱最
底层。最大变形量为4．8mm。
⋯ 一Ⅷ + ⋯
图5 AQC锅炉钢架在工况三时VonMises应力云图
图6与图7分别为实际1线和2线AQC锅炉钢架施
加永久载荷和 向地震载荷时，钢架Von Mises等效应力
云图。从图6和图7中可知，实际1线和2线AQC锅炉
钢架的最大Von Mises等效应力分别为80．4 MPa和95．9
MPa，因此即使在7级地震烈度的影响，现有AQC锅炉钢
架强度均能满足安全使用要求。
图6 实际1线AQC锅炉钢架在自重与
地震载荷时Von Mises应力云图
Machine Building8 Automation，Feb 2012，41(J)：65～69
图7 实际2线AQC锅炉钢架在自重与
地震载荷时Von Mises应力云图
本文还考虑了不同风载对现有实际两线AQC锅炉钢
架的影响，表2和表3分别给出了实际1线和2线sP锅
炉钢架在各载荷工况时最大Yon Mises应力值。从表中
可知，考虑风载荷时，不同风向对现有实际两线AQC锅炉
钢架的影响不同，影响最大的是受负Y风向(风向为向
右)，而且两线AQC锅炉钢架最大Yon Mises应力值均不
超过屈服极限，可安全使用。
表2 实际1线AQC锅炉钢架在各载荷
工况时最大Von Mises应力值 MPa
表3 实际2线AQC锅炉钢架在各载荷
工况时最大Von Mises应力值 MPa
静力分析还研究了1线AQC锅炉钢架往钢架后侧和
右侧继续倾斜时及2线AQC锅炉钢架往钢架前侧和右侧
继续倾斜时，考虑锅炉及附件质量、平台扶梯质量、钢架自
重和锅炉水压试验时水质量等受力时的应力情况。设应
力附加系数k为倾斜钢架最大应力值与未倾斜钢架最大
应力值之间的比值，则表4和表5分别给出了1线和2线
AQC锅炉钢架在不同的倾斜偏移量时的应力附加系数。
4 锅炉钢架模态分析
钢架考虑风载、地震作用时，需要知道钢架的时程特
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· 机械制造与研究· 刘晓明，等·AQC余热锅炉钢架有限元分析
表4 实际1线AQC锅炉钢架在不同的倾斜
偏移量时应力附加系数表 mm
表5 实际2线AQC锅炉钢架在不同的倾斜
偏移量时应力附加系数表 mm
性，包括自振频率和自振周期，还要防止结构发生共振，因
此必须对钢架体进行模态分析。根据文献[3]，应考虑钢
架结构1—4阶低阶振型的影响，表6列出了钢架的前五
阶固有频率和振型描述。
图8～图12分别为AQC锅炉钢架的前五阶模态振型
图。由图可知，当外部激励频率达到第一阶固有频率时，
钢架结构发生共振，共振是沿着锅炉钢架的前后方向(图
上 向)进行的。
表6 AQC锅炉钢架有限元模态分析结果
· 68 ·
图8 一阶振型
图9 二阶振型
图1O 三阶振型
图ll 四阶振型
图12 五阶振型
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(上接第35页)
曲载荷传递到支架和框架结构上，从而减少了行星架和齿
圈之间的偏心。
实施所有这些设计措施以后，单个齿轮接触的载荷得
以减少。同使用3只行星齿轮的机构相比，可以使用更小
直径的行星齿轮和更小接触宽度的齿轮，继而接触宽度上
的载荷分配得以改善。使用直径更小的和齿宽更窄的行
星齿轮，化解了由于传动级及行星轮的增加，齿轮箱质量
和体积可能大幅增加的担心，能为建立更加小巧和更轻质
量的设计提供了良好机会。
3 柔性行星轮系的作用
为了分别在I级和II级传动中实现5只或7只行星
轮之间的载荷平衡，行星轮应该具有一定的自我调节作
用，以避免刚性过强，而发生齿宽方向偏载过大，可称之为
柔性行星轮。柔性行星轮的设计采用了一个一双相对的
悬臂梁系统，悬臂上配有柔性补偿装置，它们在载荷下的
偏斜抵消了它们弯曲时形成的偏心。
柔性补偿装置包括销轴、套简等零件，销轴从行星架
壁悬伸出，而套筒从销轴的尾部悬臂伸出。将它简单叙述
如下：当两个切向力施加于柔性销齿轮上时，来自行星架
上悬臂销轴的弯曲引起的角度挠度能够被相反方向来自
销轴另一端的悬臂套筒的弯曲引起的角度挠度所抵消。
如果在设计销轴和套筒的截面时以此为目标，每个齿轮接
触处的挠度将遵循着一个圆周运动。这意味着，齿轮接触
的轴线将不会由于角度定位的不精确而向侧面倾斜，也不
会由于行星架的扭曲变形而超前。
这个解决方案能固定太阳齿轮和齿圈的径向位置，而
行星齿轮则安装具有柔性补偿的悬臂梁上。也就是说，每
个行星齿轮能在两个中心齿轮之间的径向上实现自我调
节。除了径向移动以外，沿圆周方向和平行于行星架的线
性移动都是可能的，并能在单个行星齿轮之间达到更均匀
的负荷分配，在整个动力的范围内没有偏心。以上描述的
由于扭转变形引起的偏心实际上已被消除，从而，无须对
它们的齿轮进行任何前期校正。柔性行星轮的设计还有
助于补偿由于零部件的弹性而引起的传动装置的部分内
部变形。例如在由于行星架的扭曲引起行星齿轮偏心的
情况下，悬臂的柔性补偿装置就能够使齿轮的接触产生某
Machine Building 8 Automation，Feb 2012。41 l、：65～69
些重新对准。
由于是悬臂式的设计，同传统的双支撑行星架设计相
比较，弯曲力矩增加，同时每一个悬臂梁的剪切面积要被
除以2。由此可见，在使用该种设计时，为了保持可接受
的应力和挠度水平，通常必须增加更多的行星轮。这就同
前文中提及的为降低单个行星轮的负载，改进行星架结构
增加行星轮数量保持了一致。另外，正是使用了悬臂式柔
性行星轮设计，齿轮的偏心减少，行星轮负载更为均匀，行
星轮可以设计得更小更窄，为增加行星轮的数量创造了条
件。所以，柔性行星轮和二级传动结构是相辅相成的。
4 润滑的重要性
需要着重指出的是，每个润滑点，不管是齿轮的接触
点或者是轴承的支撑，都应带有强制油润滑系统。除了将
润滑油供应到每个转动部件的中心分配系统以外，润滑系
统还应该包含一台机械驱动泵，以便确保它独立于外部油
泵而单独供油。
5 结论
目前风电齿轮箱大多采用行星结构，行星齿轮箱与
传统齿轮箱的最大区别就是齿轮间一对一和一对多啮合
的区别，行星轮之间载荷不均以及同一齿轮上齿宽方向
的偏载，是齿轮失效的最常见原因。柔性行星轮系的应
用为设计人员提供了一个改进载荷分配，提高可靠性的
思路和方法。
参考文献
[1]张志宏，刘忠明，张和平，等．大型风电齿轮箱行星架结构分
析及优化[J]．机械设计，2008．
[2]邢子坤．基于动力学的风力发电机齿轮传动系统可靠性评估
与参数优化[J]．重庆大学学报，2007．
[3]王昌盛．行星减速机主要零件制造及其误差分析[J]．工程
机械，1978．
收稿日期：2011—07—25
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