Узел крепления теплообменного аппарата

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к узлам крепления теплообменных аппаратов, например, аппаратов систем регенерации паротурбинных установок (ПТУ).
В этих аппаратах тепловые процессы протекают при повышенных температурах. К таким аппаратам относятся, например, подогреватели низкого давления (ПНД) и высокого давления (ПВД). Как правило, это вертикальные цилиндрические аппараты, опоры которых крепятся непосредственно к их корпусам или к их днищам.
Корпуса этих аппаратов, их днища имеют при работе температуру, существенно выше температуры воздуха при их монтаже в помещении, где эти аппараты установлены и эксплуатируются. С целью исключения повышенных термических напряжений в элементах аппаратов при их работе конструкция узла крепления должна обеспечивать возможность теплового расширения их корпусов относительно опорных конструкций.
Известна конструкция крепления ПНД к площадкам обслуживания ПТУ (Г.Д. Баринберг, Ю.М. Бродов, А.А. Гольдберг и др. Паровые турбины и турбоустановки Уральского турбинного завода, 2-е изд., Екатеринбург: "Априо", 2010, 488 с., рис. 8.8.). Опорами ПНД являются приваренные с противоположных сторон к корпусу две лапы с отверстиями под крепеж. Опоры расположены по высоте корпуса выше центра тяжести ПНД. Такие аппараты относятся к так называемым "вывешенным". Крепление одной лапы аппарата выполняется неподвижным. Опорный лист этой лапы обжат с помощью крепежа и лапа не имеет перемещений относительно площадки обслуживания. Крепление второй, противоположной лапы, выполнено подвижным, для чего в отверстие опорного листа этой лапы установлена дистанционная втулка, с помощью которой обеспечивается гарантированный зазор между опорным листом лапы и гайкой, прижимающей дистанционную втулку. В результате корпус ПНД вместе с подвижной лапой при нагреве перемещается по элементам площадки обслуживания, что исключает повышенные температурные напряжения и нагрузки в элементах корпуса аппарата. Для крепления аппарата к площадкам используется крепеж (болты, шпильки) общего назначения.
Несмотря на расположение опор аппарата выше его центра тяжести и в связи с этим его хорошую устойчивость, малую восприимчивость к вибрации, наличие гарантированного зазора на подвижной лапе аппарата полностью не исключает возможности вибрации аппарата, что является недостатком такого крепления.
Известны конструкции теплообменных аппаратов, с расположением опор внизу аппарата, например, в виде опорных колец с местными косынками. В опорном кольце выполнены отверстия под крепеж (болты, шпильки), с помощью которого опора крепится к фундаменту, полу, площадкам, на которых аппарат должен быть установлен (Альбом типовых конструкций, АТК 24.200.04-90. Опоры цилиндрические и конические вертикальных аппаратов. Типы и основные размеры, черт. 1). Подобную конструкцию опоры имеют ПВД. Тепло от корпуса ПВД передается кольцевой опоре. И, хотя собственно опора имеет меньшую температуру, чем корпус (днище, камера питательной воды) ПВД, но для надежной работы аппарата, требуется обеспечение теплового расширения опоры. Центр тяжести таких аппаратов находится выше их опор, устойчивость таких аппаратов ниже, а подверженность вибрации при креплении опоры с гарантированным зазором выше, чем ПНД. Поэтому для таких аппаратов предпочтительней является беззазорное крепление их опор к фундаменту, полу, площадкам.
Известно беззазорное крепление подобных аппаратов к фундаменту при обеспечении теплового расширения корпуса относительно фундамента (Патент РФ №2420556, изобретение «Опора для крепления вертикальных аппаратов», опубл. 10.06.2011 Бюллетень №16). Недостатком такого крепления является его сложность. Каждый узел крепления включает в себя более 10 наименований элементов, каждый из которых сложен сам по себе. Кроме того, данное крепление требует периодической регулировки.
Известно более простое решение, обеспечивающее тепловое расширение корпуса теплообменного аппарата при беззазорном креплении опоры аппарата к фундаменту, площадкам, полу помещения с минимальным количеством использования сложных элементов крепления, не требующих периодической регулировки (Г.Д. Баринберг, Ю.М. Бродов, А.А. Гольдберг и др. Паровые турбины и турбоустановки Уральского турбинного завода, 2-е изд., Екатеринбург: "Априо", 2010, 488 с., рис. 8.9.). Это достигается тем, что крепеж в узле крепления (болт или шпилька) принимается "гибким" с соотношением его диаметра и длины, исключающем появление в крепеже недопустимых изгибных напряжений при отсутствии или сведению к минимуму наиболее опасных в таких соединениях напряжений на срез.
Данное решение носит частный характер, определенный практикой конструирования, опытом эксплуатации, применимый к конкретным одному, двум типам теплообменных аппаратов, близким по своим габаритам и температурным характеристикам, учитывающее конкретные диаметр крепежа, диаметр опорного кольца, его температуры, и не может использоваться для большой номенклатуры аппаратов.
Заявленное решение лишено вышеуказанных недостатков и обеспечивает беззазорное крепление теплообменников с нижним расположением опоры практически любых типоразмеров, исключая при этом появление вибрации аппарата, обеспечивая возможность его теплового расширения, при отсутствии в болтах (шпильках) недопустимых изгибных напряжений и наиболее опасных в таких соединениях напряжений на срез за счет использования определенного соотношения между диаметром, длиной болтов (шпилек), другими конструктивными элементами опоры, ее температурным состоянием.
Определим вышеуказанное соотношение.
Расчетное напряжение изгиба в теле болта определено следующим образом (Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструированию, под ред. М.А. Саверина. Машгиз., М., 1951, стр. 75):
б
где Е - модуль упругости материала болта, кгс/см;
6
d - диаметр болта, мм;
arc β - угол изгиба болта, рад;
б
L - длина болта, мм.
Температурное расширение опорного кольца на радиусе болтовой окружности:
оп
где α - коэффициент линейного расширения материала опорного кольца, 1/°С;
oп б
D - диаметр опорного кольца по болтовой окружности, мм;
oп
Δt - разность температур опорного кольца при рабочем состоянии и при монтаже аппарата, °С.
oп
oп
Учитывая, что температура опорного кольца при рабочем состоянии аппарата составляет 150°С - 300°С, а температура воздуха в помещении при монтаже составляет 5°С - 30°С, для упрощения расчетов примем за Δtтемпературу опорного кольца при рабочем состоянии t. Такое допущение идет в запас надежности представленных расчетов.
В этом случае формула (2) примет вид:
.
Болт при температурном расширении опорного кольца на величину Δ изогнется на угол β (фиг. 2):
6
б
оп
oп б
oп
б
arc β ≈ arc tgΔ/L ≈ Δ/L=[α × (D/2) × t]/L,
б
где L - длина болта, мм.
Заменив расчетное напряжение на изгиб в теле болта на допускаемое напряжение на изгиб и преобразовав формулу (1), получим:
б
б
б
б
б
б
б
oп
oп б
oп
б
б
[σ]=Е × d × (Δ/L)/2 × L=[Е × d × [α × (D/2) × t]/L]]/2 × L;
.
б
б
оп
oп б
oп
б
б
В теплообменном аппарате, в его опорном кольце, выполнены отверстия под крепеж определенного диаметра. Разработчик теплообменного аппарата рекомендует диаметр крепежных болтов (шпилек). Поэтому в процессе проектирования узла крепления аппарата и выполнения представленных выше расчетов, а также из опыта эксплуатации аппаратов значительной номенклатуры на электростанциях, было установлено необходимое для надежной работы аппарата, обеспечивающее простоту узла его крепления, соотношение между длиной болта L, его диаметром d, коэффициентом линейного расширения материала опорного кольца, α, диаметром опорного кольца по болтовой окружности D, температурой опорного кольца в его рабочем состоянии t, модулем упругости материала болта Е, допускаемым напряжением на изгиб для болта [σ]
.
Для целого ряда теплообменных аппаратов, например, таких как ПВД систем регенерации ПТУ, известны их конструктивные и эксплуатационные характеристики: материал опорного кольца, его температура и пр. В большинстве своем опорные кольца выполнены из углеродистой или низколегированной сталей. Материал болтов (шпилек) - углеродистая сталь. Для этих параметров и характеристик известны соответствующие им значения ряда составляющих в формуле (4), которые с высокой степенью достоверности и без ущерба для точности расчетов, можно принять для большинства аппаратов как постоянные:
б
оп
б
6
2
-6
2
Е=1,8×10 кгс/см; α=12,8×10 1/°С; [σ]=1200 кгс/см.
Тогда формула (4) примет вид:
б
б
oп б
oп
6
-6
1/2
L=[[1,8 × 10 × d × 12,8 × 10 × (D/2) × t]/(2×1200)]
.
Заявленная полезная модель поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - общий вид теплообменного аппарата с его опорным кольцом, установленного на опорной раме и вид снизу на опорную раму с ее нижними пластинами;
фиг. 2 - выносной элемент А - узел крепления теплообменного аппарата к опорной раме и выносной элемент Б, на котором показан зазор между отверстием в нижней пластине и диаметром болта.
Предлагаемый узел крепления теплообменного аппарата включает в себя опорное кольцо 1, приваренное к корпусу теплообменного аппарата, прижатое с помощью болтов 2, вставленных в отверстия опорного кольца 1, верхних 3 и нижних 4 пластин, одновременно пропущенных сквозь опорную раму 5.
При тепловом расширении опорного кольца на величину Δ в направлении, указанном на фиг. 2, происходит изгиб болта 2 на угол β.
отв
б
Для исключения (ограничения) сдвига нижней части болта в нижней пластине и обеспечения возможности для его деформации в виде изгиба, диаметральный зазор между отверстием в нижней пластине опорной рамы и диаметром болта (d - d), см. фиг. 2, выполнен минимально возможным.
б
oп б
on
В качестве примера определим длину болта в узле крепления коллекторно-спиральных ПВД серии 550, камерных вертикальных ПВД-К серии 700, имеющих d=36 мм, D=2000 мм, t ≈ 250°С. Подставляя значения в формулу (5), получаем:
б
1/2
L=0,07 × (36 × 2000 × 250)=297 мм; принимаем 300 мм.
Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение теплового расширения опорного кольца в горизонтальной плоскости относительно опорной рамы, исключение вибрации аппарата и недопустимых изгибных напряжений при одновременном отсутствии опасных напряжений на срез в болтах узла крепления.