КРЕПЛЕНИЕ ПОЯСА ЖЁСТКОСТИ К ЭКРАНУ КОТЛА

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использована в конструкциях паровых котлов.
В настоящее время в прямоточных и барабанных газоплотных паровых котлах стенки выполняются в виде мембранных трубных экранов, представляющих собой систему труб с перемычками (проставками) между ними и образующих газоплотную коробку котла. Для обеспечения прочности и жесткости мембранных экранов к ним крепятся пояса жесткости в виде балок или ферм. Основные крепления поясов жесткости к экранам располагают между самими экранами и поясами между концевыми участками поясов. Эти крепления передают усилия от экранов котла на пояса жесткости и от поясов жесткости на экраны котла, например, усилия от веса поясов. Крепления также обеспечивают компенсацию взаимных перемещений поясов и экранов при изменении температуры экранов в процессе эксплуатации, растопке и охлаждении котла.
Известна конструкция системы поясов жесткости с узлами крепления к мембранному экрану, включающая полосы, расположенные перпендикулярно трубам экранов и соединенные с ними с помощью скоб, приваренных к экранам, крепления поясов жесткости в виде пластин с прикрепленными к ним скобами, при этом пластины приварены к полосам, а полка пояса жесткости с одной стороны опирается на узкую грань пластины и с другой удерживается скобой крепления (Патент US 5207184, МПК F22B 37/20, F22B 37/24, опубл. 04.05.1993). Конструкция позволяет передавать усилия от экрана поясу жесткости и усилия от силы тяжести экрана и момента силы тяжести от пояса жесткости на крепление и далее на экран. Скобы, приваренные к экрану, позволяют перемещаться полосе относительно экрана и компенсировать разность температурных деформаций экрана и полосы при нагреве и охлаждении, а крепление пояса позволяет перемещаться поясу относительно крепления и компенсировать разность температурных деформаций полосы и пояса жесткости.
Недостатками данной конструкции являются ее относительная сложность, малая опорная поверхность узкой грани пластины крепления, что снижает ее надежность при «хлопке» в топке, низкая сопротивляемость пластины крепления усилию трения и моменту этой силы, которые возникают при взаимных перемещениях пояса жесткости и крепления при изменении режима работы котла.
Известна конструкция крепления пояса жесткости к мембранному экрану котла, включающая скобу, приваренную к экрану и имеющую отверстие на опорной поверхности, и болт с гайкой. Болт с гайкой соединяют скобу с полкой пояса жесткости, при этом в скобе выполнено круглое отверстие, а в полке пояса жесткости отверстие в виде паза продольного оси пояса (Патент KR 101687635, МПК F22B 37/20, F22B 37/24, опубл. 19.12.2016). Конструкция проста в исполнении. Скоба имеет сечение в виде трапеции с достаточно длинной поверхностью контакта с полкой пояса жесткости, что обеспечивает достаточную надежность крепления при передаче нагрузки от экрана при «хлопке» газов в топочном пространстве котла. Продольный паз в полке пояса жесткости обеспечивает относительно свободное перемещение болта с гайкой при изменении относительного положения экрана и пояса при изменении теплового режима работы котла. Однако имеются недостатки, которые заключаются в малой площади контакта гайки крепления с поверхностью полки пояса жесткости, что значительно снижает прочность и надежность крепления при аварийном разрежении в топке котла, а также в длинной площадке контакта трапециевидной скобы с полкой пояса жесткости, что препятствует взаимному повороту скобы и полки пояса при изгибе последнего и вызывает дополнительные напряжения в скобе, экране и поясе жесткости. Кроме этого недостатком является сложность сборки крепления и пояса жесткости с экраном, т.е. такие крепления можно приваривать только при монтаже котла, удерживая тяжелый и громоздкий пояс с креплениями навесу.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению является конструкция узла крепления пояса жесткости мембранного экрана котла, включающая полосу, приваренную горизонтально к вертикальным трубам экрана, две наклонные пластины, приваренные к полосе и соединенные двумя трапециевидными боковыми пластинами с частями, отогнутыми под углом 90 градусов и охватывающими полку пояса жесткости в двух сторон (Патент US 4059075, МПК F22B 37/20, F22B 37/24, опубл. 08.11.1976). Крепление поддерживает полку пояса жесткости с одной стороны узкими гранями наклонных пластин, с другой отогнутыми частями боковых пластин. Отогнутая часть боковых пластин выполнена изогнутой с V-образным сечением, с вершиной в месте касания к полке пояса жесткости. Конструкция относительно проста в исполнении, позволяет обеспечить передачу нагрузки от экрана поясу жесткости, как при эксплуатационных, так и при аварийных режимах, однако имеются следующие недостатки:
- малая опорная поверхность узких граней наклонных пластин крепления, что снижает несущую способность и надежность крепления при «хлопке» в топке;
- относительно малая прочность и жесткость отогнутых частей боковых пластин, что снижает несущую способность и надежность крепления при аварийном разрежении в топке.
Кроме этого соединение с экраном крепления через полосу, приваренную горизонтально вдоль всего экрана, увеличивает металлоемкость конструкции.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков, присущих аналогам данного технического решения и создание более надежной конструкции крепления пояса жесткости к мембранному экрану котла.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении надежности конструкции крепления пояса жесткости к мембранному экрану при сохранении ее простоты и с одновременным снижением металлоемкости котла.
Указанный технический результат достигается за счет того, что крепление пояса жесткости экрана котла содержит две параллельные гребенки, жестко соединенные с экраном; скобу, расположенную между гребенками и приваренную к ним, при этом вершина скобы примыкает к внешней плоскости полки балки пояса жесткости по всей ширине скобы; две боковые пластины, приваренные к скобе с двух сторон и два Г-образных стержня, приваренные к боковым пластинам и охватывающие полку балки пояса жесткости с двух сторон.
Скоба может быть выполнена V-образной, U-образной или V-образной формы с плоской площадкой при вершине.
Г-образные стержни могут иметь прямоугольное или круглое сечение.
Боковые пластины и гребенки могут быть соединены между собой.
Предлагаемая конструкция поясняется следующими чертежами, где:
на фиг. 1 изображено крепление с частью пояса жесткости и экрана котла (общий вид);
на фиг. 2 - V-образная скоба с криволинейной вершиной;
на фиг. 3 - U-образная скоба;
на фиг. 4 - V-образная скоба с плоской площадкой при вершине;
на фиг. 5 - крепление с частью пояса жесткости и экрана котла со сваренным соединением боковой пластины с гребенкой.
Крепление соединяет мембранный экран 1 котла и балку 2 пояса жесткости. К экрану 1 приварены две параллельные гребенки 3, к которым в свою очередь приварена скоба 4. Скоба 4 может быть V-образной (фиг. 2) или U-образной формы (фиг. 3). V-образная скоба 4 может быть выполнена с плоской площадкой при вершине (фиг. 4). Вершина скобы 4 контактирует с внешней плоскостью полки 5 балки 2 пояса жесткости по всей ширине скобы. К скобе 4 приварены с двух сторон боковые пластины 6. К боковым пластинам 6 приварены два Г-образных стержня 7, охватывающие полку 5 балки 2 пояса жесткости с двух сторон. Г-образные стержни 7 могут иметь прямоугольное или круглое сечение.
Нагрузка от мембранного экрана 1 передается через крепление на балку 2 пояса жесткости. Крепление выполнено в виде коробчатой конструкции и обеспечивает геометрическое замыкание полки пояса жесткости и возможность относительного перемещения экрана и пояса жесткости при изменениях температурного режима котла.
Гребенки 3 распределяют передаваемые усилия между несколькими трубами экрана, что обеспечивает равномерного распределения напряжений в экране и в месте приварки гребенок. Размеры гребенок крепления и, в первую очередь, длина гребенок назначаются достаточно высокой прочности, жесткости и надежности самих гребенок. Таким образом, обеспечивается высокая надежность конструкции крепления, как отдельного узла, так и котла в целом.
Г-образные стержни 7 воспринимают силу тяжести пояса жесткости и усилия, вызываемые моментом силы тяжести пояса жесткости. Г-образные стержни 7 также имеют достаточно высокую прочность и жесткость при небольшой массе. Кроме этого, стержни 7 воспринимают усилия, вызванные разрежением в топке котла при эксплуатационных режимах и аварийном разрежении в топке котла, и передают их балке 2 пояса жесткости. Стержни 7 привариваются к креплениям во время монтажа котла с малым зазором по отношению к полке пояса жесткости и обеспечивают после приварки геометрическое замыкание полки пояса жесткости. Малый зазор обеспечивает возможность относительного перемещения экрана и пояса жесткости при изменениях температурного режима котла.
Усилия, вызванные избыточным давлением в топке котла при эксплуатационных режимах и «хлопке» газов в топке котла, передаются поясу жесткости через контактную поверхность на вершине скобы 4 крепления. Контактная поверхность между полкой 5 балки 2 пояса жесткости и креплением захватывает всю ширину полки 5 балки 2 пояса жесткости, что обеспечивает относительно малые напряжения в контактной зоне, высокую нагрузочную способность крепления и его высокую надежность. Выполнение V-образной скобы с плоской площадкой при вершине (фиг. 4) снижает контактные и местные напряжения у вершины скобы, что дополнительно повышает его нагрузочную способность и надежность при использовании для котлов большой мощности с относительно большим шагом между креплениями. Выбор скобы V-образной, U-образной или V-образной с плоской площадкой при вершине конфигурации мало влияет на нагрузочную способность крепления в целом, но позволяет выбрать удобную технологию гибки скобы в зависимости от ее конкретной толщины и ширины и имеющегося на предприятии оборудования.
Гребенки 3 и боковые пластины 6 могут располагаться на некотором расстоянии (фиг. 1) или соединяться между собой сварным швом 8 (фиг. 5). Сварка боковых пластин и гребенок позволяет дополнительно повысить прочность и жесткость креплений без значительного увеличения металлоемкости, в результате чего получается жесткая и прочная коробчатая конструкция, воспринимающая повышенные нагрузки.
Крепление монтируется на экране в условиях производственного предприятия, и только Г-образные стержни привариваются в условиях монтажа котла. Это снижает трудоемкость производства и монтажа котла, повышает удобство и точность монтажа креплений, что в свою очередь повышает надежность котла.
Применение предложенной конструкции позволяет снизить металлоемкость креплений поясов жесткости в 1,5-4 раза и повысить надежность котла в целом. Например, по одному котлу Е-220-9,8-540ГМ применение данной конструкции крепления поясов жесткости позволило снизить металлоемкость на 4,6 тонны при увеличении несущей способности крепления в 2-3 раза.