ОПОРНЫЙ УЗЕЛ ПОЯСА ЖЁСТКОСТИ ПОПЕРЕЧНОГО ЭКРАНА КОТЛА

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использована в конструкциях газоплотных паровых котлов, а именно в конструкциях опорного узла крепления пояса жесткости к экранам в местах Т-образного соединения экранов, для которых характерен выпуск панелей одного из экранов за пределы этого соединения.
В настоящее время в прямоточных и барабанных газоплотных паровых котлах стенки выполняются в виде мембранных трубных экранов, образующих газоплотную коробку котла. Для обеспечения прочности и жесткости мембранных экранов к ним крепятся пояса жесткости в виде балок или ферм. Крепления поясов жесткости к экранам располагают между экранами и поясами. Наиболее нагруженными креплениями являются концевые или угловые опорные узлы поясов жесткости.
Известна конструкция пояса жесткости с концевыми узлами крепления к мембранному экрану в виде качающихся рычагов, прикрепленных шарнирно к балке пояса жесткости и скобе, жестко соединенной с двумя перпендикулярными экранами, при этом ось шарнира, прикрепленного к экрану перпендикулярному поясу жесткости, лежит в осевой плоскости этого экрана (РТМ 108.031.108-78. Котлы стационарные паровые и водогрейные. Расчеты на прочность цельносварных газоплотных конструкций. - Л.: НПО ЦКТИ, 1985. - С. 53, черт. 21).
Недостатком данной конструкции является то, что она не применима для использования в местах Т-образного соединения мембранных экранов с выпуском панелей одного из экранов за пределы этого соединения, например, в случаях соединения экранов холодной воронки, боковых экранов и нижнего экрана переходного газохода или других подобных случаях.
Кроме этого, при пуске, останове или режиме работы отличном от номинального плоскость шарниров рычага отклонена от осевой плоскости экрана, перпендикулярного балке пояса жесткости, соответственно, возникает момент, передающийся на угловое соединение экранов, который вызывает в экранах дополнительные напряжения.
Известна конструкция узла крепления поперечной панели, содержащая несущую балку, опирающуюся концами на вертикальные экраны через катковые опоры в виде не менее двух катков, установленных на закрепленной на трубах вертикальных экранов платформе, контактирующих своей боковой поверхностью с концами балки и расположенных симметрично относительно плоскости экранов, содержащей шарнирный элемент, установленный под платформой и выполненный в виде набора пластин, соединенных общей осью поворота. Причем одна часть пластин скреплена с платформой, а другая - с трубами экранов (Авторское свидетельство СССР №1444583, МКИ F22В 37/20, опубл. 15.12.1988). Конструкция позволяет крепить балку пояса жесткости мембранного экрана к двум вертикальным мембранным экранам, панели которых параллельны, и выпущены за пределы соединения этих экранов с поперечным экраном.
Данная конструкция позволяет снизить напряжения в элементах узла крепления, однако имеется существенный недостаток, заключающийся в сложной организации проема размещения узла с помощью разводки труб вертикального экрана. Это приводит к увеличению металлоемкости, трудоемкости изготовления котла и снижению прочности и жесткости экранов, особенно в местах разводок. Сложно организовать такой проем для вертикальных экранов холодной воронки вблизи их соединения с наклонными экранами. Кроме этого для размещения такого сложного узла требуется организация большого проема в экране, что часто невозможно.
Использование опорных пар катков и плоской платформы для передачи усилий от балки пояса жесткости на вертикальные несущие экраны приводит к значительным ограничениям в применении такой конструкции. В местах контакта цилиндрических катков и плоскости платформы возникают высокие контактные напряжения, величина которых напрямую связана с диаметром катков и их суммарной длиной. В котлах средней и большой мощности через опорные узлы концов балок поясов жесткости передаются усилия достигающие десятков тонн. Малые диаметр и длина катков приводят к контактным напряжениям, вызывающим местные пластические деформации поверхностей и фактической потере функциональности конструкции. Увеличение диаметра и длины катков ведет к увеличению габаритов узла и габаритов проема в экране. Следствием первого является увеличение металлоемкости узла, второго - ослабление несущего экрана и потеря его несущей способности.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению является конструкция узла крепления поперечной панели, жестко скрепленной торцами с несущими поверхностями нагрева и установленной на опорной балке, соединенной концами с консолями, закрепленными на экранах, при этом каждое соединение концов балки с консолями выполнено в виде не менее двух пар параллельных щек, установленных подвижно на осях, жестко укрепленных, соответственно, на консолях и концах балки, которые размещены под консолями (Авторское свидетельство СССР №612107 МКИ F22В 37/20, опубл. 25.06.1978). Конструкция позволяет крепить балку пояса жесткости мембранного экрана к двум перпендикулярным этому экрану несущим мембранным экранам, панели которых выпущены за пределы соединения этих экранов. Пары параллельных щек позволяют передавать поперечные усилия от балки к консолям и компенсировать относительные температурные перемещения балки и экрана при различных режимах работы котла.
Недостатком данной конструкции является то, что невозможно значительно приблизить оси шарниров консолей к несущим экранам, особенно пару дальних от экранов осей. Это приводит к появлению на консолях больших моментов, изгибающих несущие экраны, которые вызывают повышенные напряжения в несущих экранах и Т-образных сварных соединениях несущих экранов с поперечным экраном. Изгибающие моменты пропорциональны расстояниям от осей шарниров до осевой плоскости экранов, поэтому с увеличением мощности котла и, соответственно, размеров экранов и опорных балок будут расти размеры консолей и расстояние осей шарниров до мест прикрепления консолей к экранам, что увеличит металлоемкость конструкции. Сечения труб и проставок мембранных экранов относительно мало и практически не зависят от мощности котла, поэтому для котлов средней и большой мощности такая конструкция становится мало пригодной вследствие больших изгибающих моментов в экранах. В целом применение такой конструкции снижает надежность котла.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков, присущих аналогам данного технического решения и создание более надежной конструкции опорного узла пояса жесткости поперечного мембранного экрана котла.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении надежности конструкции опорного узла пояса жесткости за счет снижения напряжений изгиба и тепловых потерь в мембранных экранах и в местах их соединения при одновременном снижении металлоемкости конструкции.
Указанный технический результат достигается за счет того, что опорный узел пояса жесткости поперечного экрана, жестко скрепленного с несущим экраном котла, содержит, по меньшей мере, одну консоль, жестко закрепленную на несущем экране со стороны пояса жесткости, расположенную вблизи углового соединения и одновременно жестко прикрепленную к поперечному экрану, и, по меньшей мере, один шатун с шарнирами на концах, установленный подвижно на осях и соединяющий консоль с концевым участком пояса жесткости. Шатун выполнен криволинейным с двумя прямолинейными частями, соединенными под углом 90±12 градусов, при чем при номинальном режиме котла одна из прямолинейных частей шатуна, которая шарнирно закреплена на консоли несущего экрана, расположена по отношению к несущему экрану под углом 90±12 градусов, а плоскость осей шарниров проходит через угловое соединение экранов и оси шарниров параллельны угловому соединению экранов.
Один конец шатуна может быть шарнирно соединен с концевым участком пояса жесткости через корпус шарнира или консоль, жестко закрепленную на поясе жесткости.
Консоли, жестко закрепленные на несущем экране, могут быть одновременно жестко прикреплены к поперечному экрану через гребенки.
Предлагаемая конструкция поясняется следующими чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид опорного узла пояса жесткости с расположением шатуна в рабочем состоянии котла;
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1;
на фиг. 3 - общий вид опорного узла пояса жесткости выполненный, например, с одновременным креплением консолей к поперечному экрану через гребенки и соединением шатуна шарнирно с концевым участком пояса жесткости через консоль.
Опорный узел пояса жесткости содержит балку 1 пояса жесткости поперечного экрана 2, соединенного прочным газоплотным сварным швом с несущим экраном 3. Экраны покрыты теплоизоляцией 4 для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду. К несущему экрану 3 и одновременно к поперечному экрану 2 приварены консоли 5, расположенные вблизи углового соединения экранов 2 и 3. Консолей может быть одна или две, как в данном примере, или более с каждой стороны балки 1 пояса жесткости. Применение двух консолей для каждого шатуна позволяет использовать короткие оси для каждого шарнира. Консоли 5 имеют отверстия, в которых размещена ось 6 шарниров 7. Шарниры 7, в свою очередь, соединяют консоли 5 с парой шатунов 8. Шатуны 8 расположены
параллельно друг другу. Может применяться один утолщенный шатун или по два тонких шатуна на каждую консоль 5 с применением коротких осей 6 и 9. Шатуны 8 установлены подвижно на осях 6 и 9 и соединяют консоли 5 с концевым участком балки 1 пояса жесткости посредством шарниров 7 и 10. Ось 9 шарнира 10 приваривается к концевому участку балки 1 пояса жесткости. Оси 6 и 9 расположены параллельно друг другу.
Для удобства изготовления и монтажа опорного узла один конец шатунов 8 может быть шарнирно соединен с концевым участком балки 1 пояса жесткости через корпус (не показан) шарнира 10 или консоль 11 (фиг. 3).
Консоли 5, жестко закрепленные на несущем экране 3, могут быть одновременно жестко прикреплены к поперечному экрану 2 через гребенки 12.
Размеры элементов конструкции выбраны таким образом, чтобы при номинальном режиме работы котла общая плоскость осей 6 и 9 шарниров 7 и 10 проходила через угловое соединение экранов 2 и 3, а оси шарниров располагались параллельно угловому соединению.
Нагрузка в виде силы, действующей в плоскости осей шарниров 7 и 10, от балки 1 пояса жесткости передается через шатуны 8 на консоли 5 и далее на экраны 2 и 3. В рабочем состоянии котла нагрузка не создает момента относительно углового соединения экранов 2 и 3, что снижает напряжения в этих экранах. Напряжения от момента силы, передающейся через шатуны 8, создают незначительные изгибающие моменты только в режимах пуска и останова котла, когда плоскость осей шарниров 7 и 10 отклоняется от углового соединения экранов 2 и 3. Однако это отклонение мало, соответственно, мал момент силы, действующей в плоскости осей шарниров 7 и 10, относительно углового соединения экранов 2 и 3.
Выполнение опорного узла пояса жесткости с расположением шарниров каждого шатуна в положении, когда плоскость их осей в рабочем состоянии котла проходит через угловое соединение экранов, минимизирует изгибающие моменты в экранах от усилий, передаваемых на консоли,
прикрепленных к экранам и расположенных вблизи углового соединения экранов, от шатунов. Изменение температуры панелей экранов приводит к взаимным перемещениям несущих экранов и балки пояса жесткости. При останове котла расстояние между концевыми участками балки пояса жесткости и несущими экранами минимально, соответственно, минимально расстояние между осью шарнира шатуна, со стороны крепления его к балке пояса жесткости. Расположение консолей, жестко закрепленных на несущем экране, вблизи углового соединения экранов позволяет максимально приблизить шарниры шатунов к этому угловому соединению экранов, что минимизирует нагрузки, передаваемые на экраны, и рост этих нагрузок при отклонении температурного режима котла от номинального, что позволяет снизить металлоемкость опорного узла с сохранением высокой надежности конструкции. Крепление консолей к поперечному экрану позволяет дополнительно повысить прочность и жесткость углового соединения экранов. Выполнение шатунов криволинейными с углом между двумя прямолинейными частями 90±12 градусов и с углом 90±12 градусов к несущему экрану ближней части шатунов, позволяет обеспечить минимальные зазоры в теплоизоляции для перемещения шатунов при изменении температурного режима котла. Малые перемещения шатунов в изоляции позволяют использовать упругие свойства волокнистой изоляции для закрытия этих зазоров, что также снижает тепловые потери котла. Снижению тепловых потерь способствует криволинейная форма проема для шатуна в теплоизоляции и его большая длина криволинейных шатунов по сравнению с прямолинейными.
В целом, такая конструкция опорного узла пояса жесткости обеспечивает минимизацию изгибающих моментов в экранах, вызываемых усилиями, передающимися через шатуны, шарнирно закрепленных на концевом участке пояса жесткости, уменьшает напряжения в экранах в местах их соединения и в деталях креплений и обеспечивает равномерное распределение напряжений в экранах без значительной концентрации напряжений в местах крепления пояса жесткости. Все это повышает надежность и долговечность котла. Кроме того снижаются тепловые потери через теплоизоляцию и металлоконструкцию самого узла. Металлоемкость конструкции опорного узла снижается в 2,5-10 раз по сравнению с аналогами, а тепловые потери через узел и теплоизоляцию в его районе уменьшаются на 20-30% по сравнению с узлами, имеющими прямолинейные шатуны.