煤粉分離器轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)力及磨損分析

董標(biāo)

（浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江寧波315722）

煤粉分離器轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)力及磨損分析

董標(biāo)

（浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江寧波315722）

鑒于旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子葉片的重要性及其工作環(huán)境的惡劣性，為研究旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子葉片的應(yīng)力分布及磨損程度，應(yīng)用UG NX軟件建立轉(zhuǎn)子葉片的三維模型及有限元模型，結(jié)合分離器內(nèi)部流場確定轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速時的載荷，應(yīng)用UG NX內(nèi)置Nastran解算器對其進(jìn)行求解，得出轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)力分布情況；根據(jù)磨損理論結(jié)合轉(zhuǎn)子區(qū)域流場，分析了葉片的磨損速率，指出葉片上部磨損速率比下部大，是運(yùn)行、檢修的重點(diǎn)監(jiān)護(hù)部位。

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器；轉(zhuǎn)子葉片；有限元；應(yīng)力；磨損

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的轉(zhuǎn)子在風(fēng)粉兩相流中高速旋轉(zhuǎn)是保證粗粉分離器高效工作的重要條件，惡劣的工作環(huán)境對轉(zhuǎn)子葉片的強(qiáng)度和耐磨性能提出了更高的要求?；谟邢拊治龇▽D(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時直葉片各部分的應(yīng)力分布情況和應(yīng)變大小進(jìn)行分析；基于磨損理論，結(jié)合旋轉(zhuǎn)分離器內(nèi)部流場對直葉片的磨損情況進(jìn)行分析，以期為旋轉(zhuǎn)粗粉分離器的設(shè)計(jì)制造和運(yùn)行維護(hù)提供參考。

1 旋轉(zhuǎn)煤粉分離器結(jié)構(gòu)及工作原理

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器主要由布置在分離器頂部的徑向靜葉、轉(zhuǎn)子組成，靜葉與轉(zhuǎn)子形成環(huán)形分離區(qū)，在靜葉區(qū)經(jīng)初步分離的帶粉氣流進(jìn)入離心分離區(qū)，分離出的粗粒子由回粉錐進(jìn)入中心回粉管落到磨煤機(jī)中重新研磨。煤粉分離器結(jié)構(gòu)示意見圖1。分離器轉(zhuǎn)子采取懸掛支撐方式，轉(zhuǎn)動軸穿過出口彎管懸掛在支撐軸承上。轉(zhuǎn)子采用變頻器專用電機(jī)驅(qū)動、變頻器調(diào)速，由DCS（分散控制系統(tǒng)）調(diào)整控制。

風(fēng)粉混合氣流經(jīng)磨煤機(jī)后進(jìn)入組合式旋轉(zhuǎn)分離器，在轉(zhuǎn)子帶動下旋轉(zhuǎn)，粒子在旋轉(zhuǎn)分離區(qū)內(nèi)受攜帶氣流的曳引力Fn和Fc離心力，曳引力與氣流軸向速度Vz2及粒子直徑dp2成正比；離心力與粒子的切向速度Vt2、粒子的直徑dp3、粒子的真密度成正比。粒子受到的離心力大于氣流的曳引力時粒子就會被分離出來，因此粒子直徑越大，所受離心力相對于曳引力就越大，粒子越容易分離出來，煤粉分離器分離原理示意見圖2。

圖2 旋轉(zhuǎn)煤粉分離器分離原理示意

2 煤粉分離器轉(zhuǎn)子建模及有限元分析

2.1 轉(zhuǎn)子葉輪三維模型和有限元模型的建立

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架和60個直葉片組成，葉片通過焊接方式固定在轉(zhuǎn)子支架上。應(yīng)用UG NX軟件根據(jù)1∶1的比例對轉(zhuǎn)子進(jìn)行參數(shù)化建模。應(yīng)用高級仿真功能對轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元分析，為了保證網(wǎng)格的質(zhì)量，在劃分網(wǎng)格之前對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡化，將一些對分析結(jié)果影響不大的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行抑制或者刪除，簡化之后的模型如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子簡化模型

鑒于轉(zhuǎn)子形狀的不規(guī)則性，將轉(zhuǎn)子分割成若干較為規(guī)則的部分逐個劃分網(wǎng)格，并確定各個部分之間網(wǎng)格的配對方式。網(wǎng)格選用10節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小在系統(tǒng)推薦值的前提下適當(dāng)加密，確保網(wǎng)格的劃分質(zhì)量并提高計(jì)算精度。

2.2 轉(zhuǎn)子葉輪結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

轉(zhuǎn)子葉輪材質(zhì)為Q345（16Mn），參數(shù)如表1所示。轉(zhuǎn)子葉輪高速旋轉(zhuǎn)時載荷主要由3個部分構(gòu)成：葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、風(fēng)粉氣流對葉片的沖擊力和熱載荷。在粗粉分離器中風(fēng)粉氣流的溫度為80℃左右，氣流的快速流動和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)使得轉(zhuǎn)子能夠均勻受熱，葉片各部之間不存在較大溫差，加之轉(zhuǎn)子在徑向和軸向一定程度上能夠自由膨脹，因此葉片產(chǎn)生的熱應(yīng)力相對于前兩者而言很小，可忽略不計(jì)。

表1 轉(zhuǎn)子材質(zhì)參數(shù)（80℃）

葉片由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力可以在UG軟件中設(shè)置結(jié)算方案時通過加載離心載荷確定，軟件模擬的離心力施加在轉(zhuǎn)子各部分。風(fēng)粉氣流對葉片的沖擊力，需要結(jié)合粗粉分離器內(nèi)部氣流流場進(jìn)行分析。借助數(shù)值計(jì)算軟件，可以得出粗粉分離器內(nèi)部流場。

根據(jù)相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，風(fēng)粉混合氣流在進(jìn)入轉(zhuǎn)子區(qū)域之前的速度為3～5 m/s，轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)的線速度為8.8 m/s左右，氣流經(jīng)過轉(zhuǎn)子加速后速度達(dá)到14 m/s左右。粒徑較大的煤粉粒子在進(jìn)入轉(zhuǎn)子動葉區(qū)域時速度在3～4 m/s，粒子離開動葉區(qū)域時速度為14～15 m/s。另外從粒子的運(yùn)動軌跡判斷，粒徑較大的煤粉粒子在動葉上部的濃度比較大，與葉片的碰撞也比較劇烈，這主要是由于煤粉粒子慣性比較大，不能靈活地隨氣流改變運(yùn)動方向造成的，體積較小的粒子可隨時隨氣流改變運(yùn)動狀態(tài)，故能夠較為均勻的充滿轉(zhuǎn)子空間。

根據(jù)MPS磨煤機(jī)的運(yùn)行特性，假定磨煤機(jī)磨制的煤粉中各段粒徑所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足表2中所示[1]。根據(jù)流場中粒子的分布，假定粒徑大于120 μm的煤粉由于慣性全部集中在動葉上部區(qū)域，粒徑小于120 μm的煤粉由于其氣動性比較好，故能均勻地充滿整個轉(zhuǎn)子區(qū)域。

表2 磨煤機(jī)中各段粒徑煤粉所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由于轉(zhuǎn)子區(qū)域煤粉顆粒眾多，與葉片碰撞情況復(fù)雜，因此在對葉片受力情況進(jìn)行計(jì)算時需要作如下假設(shè)：

（1）假定煤粉粒子與葉片之間的碰撞屬于完全彈性碰撞且所有粒子與葉片只碰撞1次；

（2）假定粒徑大于120 μm的煤粉全部與動葉片發(fā)生碰撞且入射角均相等；

（3）假定粒徑小于120 μm的煤粉運(yùn)動狀態(tài)與氣流完全一致。

基于以上假設(shè)，可推導(dǎo)出粒徑大于120 μm的煤粉顆粒撞擊葉片上部產(chǎn)生的作用力的計(jì)算式：

式中：V′，V″分別為煤粉顆粒撞擊葉片前后的速度；G為磨煤機(jī)出力；T為粒子與葉片的撞擊時間，取0.4 s[2]；Vy為葉片旋轉(zhuǎn)的線速度；F為粒子撞擊葉片產(chǎn)生的作用力。

由此可以計(jì)算得出粒徑大于120 μm的煤粉顆粒撞擊動葉上部產(chǎn)生的作用力為4.53 N，壓強(qiáng)為49.275 Pa。

基于假設(shè)（3），對于粒徑小于120 μm的煤粉粒子對葉片產(chǎn)生的作用力可以由式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ve為葉片的有效速度，Ve2=Vy2+Vq2，Vq為氣流的徑向速度；ρn為風(fēng)粉混合物平均密度；AP為葉片的迎風(fēng)面積；CD為阻力系數(shù)，可根據(jù)修正后的雷諾數(shù)查圓柱體通用阻力曲線得到[3]。

經(jīng)過計(jì)算得出，粒徑小于120 μm的煤粉顆粒與一次風(fēng)組成的混合氣體對葉片的作用力為2.43 N，壓強(qiáng)為15.58 Pa。將上述計(jì)算所得載荷和離心載荷加載到轉(zhuǎn)子上，完成其他設(shè)置之后即可進(jìn)行迭代求解。

2.3 轉(zhuǎn)子葉片強(qiáng)度分析

轉(zhuǎn)子葉片以工作轉(zhuǎn)速在80℃的風(fēng)粉氣流中旋轉(zhuǎn)時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片根部內(nèi)側(cè)與轉(zhuǎn)子支架接觸的部位，最大值為3.195 MPa，最大應(yīng)變值也出現(xiàn)在這一部位，其值為1.326×10-5mm/mm。在葉片與轉(zhuǎn)子支架接觸的部位，應(yīng)力值和應(yīng)變值都比較大，因此在對葉片與轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行焊接連接時要格外加強(qiáng)焊接部位的強(qiáng)度，防止因強(qiáng)度不足而發(fā)生焊縫開裂。

葉片上另外1個應(yīng)力和應(yīng)變都比較集中的位置是葉片上半部分的中間部位，在這個部位葉片的內(nèi)側(cè)和外側(cè)應(yīng)力和應(yīng)變均比較大。在流場分析中提到較大煤粉粒子在這個部位比較集中，使得這個部位的受力情況更加復(fù)雜，因此在分離器運(yùn)行和檢修時，這里是需要重點(diǎn)監(jiān)測的部位。

3 葉片磨損分析

高速運(yùn)動的煤粉粒子撞擊是旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子葉片磨損的主要原因。根據(jù)以上對分離器內(nèi)部流場的判斷可以推斷出轉(zhuǎn)子上部葉片的磨損要比下部更嚴(yán)重一些，因?yàn)檗D(zhuǎn)子上部區(qū)域的煤粉濃度更大。結(jié)合轉(zhuǎn)子區(qū)域流場和沖蝕磨損理論，對轉(zhuǎn)子的磨損進(jìn)行定量分析。

目前，針對材料沖蝕磨損現(xiàn)象進(jìn)行分析描述的模型并不是很完善，各個模型均有其局限性和適用對象，比較適合計(jì)算分析流動煤粉粒子對金屬沖蝕情況的是由Grant和Tabakoff提出的磨損模型[4]：

式中：E為單位質(zhì)量碰撞顆粒的磨損質(zhì)量；v1為顆粒的碰撞速度；β1為顆粒的碰撞角度；β0為材料的最大磨損角，對金屬材料而言β0=25°；Rt=1-0.0016v1sinβ1；ck為系數(shù)，當(dāng)β1＜3β0時，ck=1，當(dāng)β1＞3β0時，ck=0；k1，k2，k3為與材料有關(guān)的系數(shù)，對于不銹鋼，k1=105 051 01×10-6，k2=0.296 077，k3=5.0×10-12。

式（3）適合不銹鋼材料的葉片磨損計(jì)算，對于其他材料，式（3）必須進(jìn)行修正?；诓牧系哪湍バ耘c其硬度和綜合彈性模量成正比，與磨損作用力成反比，因磨損力遠(yuǎn)小于抗壓屈服極限，忽略抗壓磨損極限的影響，其他參數(shù)不變，式（3）修正為：

結(jié)合流場數(shù)據(jù)，計(jì)算可得出轉(zhuǎn)子葉輪在工作轉(zhuǎn)速時葉片上部的磨損速率為1.677 8×10-7kg/s，下部葉片的磨損速率為7.697 2×10-8kg/s，由此可見轉(zhuǎn)子上部煤粉粒子濃度較大使得上部葉片的磨損程度較下部更為嚴(yán)重。在粗粉分離器運(yùn)行、檢修時，轉(zhuǎn)子上部葉片是監(jiān)護(hù)和檢測的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

應(yīng)用UG NX軟件參數(shù)化建模技術(shù)建立了旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子葉片的三維模型及有限元模型，在UG NX軟件高級仿真模塊下采用Nastran解算器對有限元模型進(jìn)行計(jì)算求解，結(jié)合轉(zhuǎn)子區(qū)域流場對葉片內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力分析；基于修正后的Grant&Tabakoff磨損模型結(jié)合分離器內(nèi)部流場對葉片的磨損情況做了定量分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)子葉片最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均出現(xiàn)在葉片根部內(nèi)側(cè)與轉(zhuǎn)子支架接觸處，其值大小分別為3.195 MPa和1.326×10-6mm/mm；葉片與轉(zhuǎn)子支架接觸的部位均是應(yīng)力和應(yīng)變比較大的部位，在對其進(jìn)行焊接時應(yīng)格外注意加強(qiáng)這些部位的強(qiáng)度；由于流場的作用，葉片上半部分的中間部位也是應(yīng)力、應(yīng)變比較大的部位。

（2）應(yīng)用修正后的磨損模型結(jié)合流場數(shù)據(jù)對葉片上、下部分進(jìn)行了定量計(jì)算，結(jié)果顯示葉片上部的金屬磨損速率為1.677 8×10-7kg/s，下部為7.6972×10-8kg/s，葉片上部的磨損速率更大，是運(yùn)行、檢修時的重點(diǎn)監(jiān)護(hù)部位。

[1]劉一凡.中速磨煤機(jī)粗粉分離器分離特性數(shù)值模擬[D].吉林：吉林大學(xué)，2008.

[2]金棟平，胡海巖.碰撞振動與控制[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]袁一.化學(xué)工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4]TABAKOFF W，KOTWAL R，HAMED A．Erosion study of different material affected by coal ash particles[J].Wear, 1979，52（1）:161-173．

[5]沈春根，王貴成.UG NX7.0有限元分析入門與實(shí)例精講[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6]童水光，盧超.基于UG的透平壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪的有限元分析[J].機(jī)械制造，2009，47（5）:10-12.

[7]王加鋒，王樹林.旋葉式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的有限元模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26（1）:68-70.

[8]李詩卓，董祥林.材料的沖蝕磨損與微動磨損[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

（本文編輯：陸瑩）

Analysis on Rotor Blade Stress and Abrasion of Pulverized Coal Classifier

DONG Biao
（Zhejiang Datang Wushashan Power Generation Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315722，China）

In the light of the importance of rotor blade of rotary pulverized coal classifier and its harsh operating environment，the paper investigates stress distribution of its rotor blade and the abrasion degree.3D model and finite element model of rotor blade is built by UG NX.Load of the rotor in working speed is determined through flow field in the classifier and solved by solver Nastran in UG NX.Therefrom，stress distribution of rotor blade is concluded.In accordance with abrasion theory and flow field of rotor，the paper analyzes abrasion rate of the blade；it points out that the abrasion rate of the upper part is greater than that of the lower part and is the key part of monitoring during operation and maintenance.

rotary type pulverized coal classifier；rotor blade；finite element；stress；abrasion

TK223.25

B

1007-1881（2015）01-0044-04

2014-06-03

董標(biāo)（1986），男，助理工程師，從事發(fā)電廠熱力機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定性研究。