國能粵電臺山發(fā)電有限公司 石立斌 許 恒 沈小兵 管慧博 姚贊新 唐作寧 范經(jīng)偉

秦皇島華宇通電力科技有限公司 鄭 義 胡永飛 呂彥朝

1 引言

回轉(zhuǎn)式空氣預熱器是一種應用廣泛的熱交換設備，由于其具有結構緊湊、傳熱效果好的特點[1]，通常用于工業(yè)生產(chǎn)中的高溫氣體的預熱。目前，回轉(zhuǎn)式空預器存在的主要問題是在回轉(zhuǎn)式空氣預熱器正常運行的過程中，氣體從設備的密封處泄漏或逸出，漏風量較大，降低了空預器的能量回收率[2]，導致預熱器的熱效率下降，甚至可能對設備本身和周圍環(huán)境造成安全隱患[3]。因此，控制回轉(zhuǎn)式空氣預熱器漏風率是保證預熱器安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要一環(huán)。在實際工況當中，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，泄漏會帶走額外的能量，降低回轉(zhuǎn)式空氣預熱器的傳熱效率。漏風量每增加1%，能量損失將增加0.2%～0.3%[4]。對空預器而言，減少泄漏和提高傳熱效率是有益的。減少泄漏的主要方法是在其中添加一些密封件[5]，其主要有以下幾種空預器密封裝置。機械密封裝置，主要是通過機械部件（如軸封、端面密封等）實現(xiàn)密封；接觸密封裝置，主要通過兩個或多個零件之間的接觸實現(xiàn)密封，如銷子式密封等[6]；墊片密封裝置，主要通過墊片的變形來實現(xiàn)密封，如括法蘭密封、螺栓密封等；彈性密封裝置，主要通過彈性材料的彈性變形來實現(xiàn)密封。其中墊片密封和彈性密封屬于柔性密封范疇。近年來，柔性密封裝置由于其結構特殊、剛性較低、密封效果良好而被廣泛應用。柔性密封裝置在正常工況下會同時受到預壓和流場壓差，密封效果影響著空預器漏風率[7]。本文利用數(shù)值模擬法方法，主要討論柔性密封裝置的材料的選擇以及其密封的影響因素，從而提出柔性密封裝置可靠性設計方案。

2 柔性密封裝置

2.1 柔性密封裝置介紹

在回轉(zhuǎn)式空氣預熱器正常運行工況當中，如果要保證空預器長久高效地運行，密封結構設計是非常關鍵的一環(huán)?，F(xiàn)在以空預器冷端為研究對象，以某公司研發(fā)的重力式柔性密封裝置進行研究，如下圖1所示。

圖1 重力式柔性密封裝置

該密封裝置的工作原理是通過安裝該裝置在空預器轉(zhuǎn)子冷端隔板上，主要依靠密封裝置本身的重力進行工作。密封裝置通過扇形板時，在轉(zhuǎn)子帶動下，密封裝置與扇形板接觸并被壓縮，動片繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，與扇形板形成無間隙密封順利通過扇形板，且動片在高壓差以及高溫密封狀態(tài)下會發(fā)生一定程度的彈性變形；當密封裝置離開扇形板時，重力式密封裝置在自身重力的作用下，恢復到自由垂直狀態(tài)。重力式機械密封裝置按照此循環(huán)周而復始的工作，重力密封裝置平面如下圖2所示。

圖2 重力式柔性密封裝置平面

2.2 柔性密封材料的選擇和性能測試

該重力式柔性密封裝置由固定片、轉(zhuǎn)軸、動片、自潤滑金屬及配重組成。在該密封裝置當中轉(zhuǎn)軸作為轉(zhuǎn)動機構，動片作為與轉(zhuǎn)軸自潤滑金屬與配重的連接件，自潤滑金屬作為與扇形板的密封件，要充分考慮在密封過程中的磨損。對于材料選擇和性能測試，主要考慮以下幾點。

耐高溫性能：回轉(zhuǎn)式空氣預熱器在工作過程中需要承受高溫的環(huán)境，因此密封材料需要具備良好的耐高溫性能。可通過高溫熱穩(wěn)定性測試、熱膨脹系數(shù)測試、熱變形溫度測試等手段對材料的耐高溫性能進行評估。

耐腐蝕性能：回轉(zhuǎn)式空氣預熱器中，密封材料也需要承受一定的腐蝕環(huán)境，因此材料的耐腐蝕性能也需要得到評估?？赏ㄟ^浸泡試驗、化學品測試等手段進行評估。

密封性能：柔性密封的最主要作用是保證設備的密封性能?？赏ㄟ^壓縮變形測試、拉伸測試、壓縮回彈測試等手段對密封材料的密封性能進行評估。

力學性能：密封材料在使用過程中，需要承受一定的拉伸和壓縮力，因此其力學性能也需要得到評估?？赏ㄟ^拉伸強度測試、抗壓強度測試、彈性模量測試等手段進行評估。

綜合以上測試結果，所選擇的材料在具備優(yōu)異的性能，考慮其成本、可加工性和環(huán)保等因素的情況下，對該裝置測試分析后的材料參數(shù)見表1。

表1 重力式柔性密封裝置結構材料參數(shù)

3 有限元方法模擬仿真

3.1 基本方程概述

在對流固耦合的研究中，流動通常被描述為連續(xù)性方程、動量方程和能量方程的解。本文所涉及的基本方程描述了流體的運動和受到的各種力的影響，以下是本文所涉及的基本方程。

連續(xù)性方程描述了流體質(zhì)量守恒，表明在任何給定的點，流入該點的質(zhì)量流量必須等于流出該點的質(zhì)量流量，連續(xù)性方程可以用來計算流體密度的變化。以下是連續(xù)性方程微分表達式：

其中，ρ代表流體的密度，u代表x方向的速度分量，v代表y方向的速度分量，w代表z方向的速度分量，t是時間。

動量方程描述了流體運動的力學特性，其包含流體的慣性、黏性和外部力的影響，動量方程可以用來計算流體的速度和壓力的變化。動量方程微分表達式：

其中，p代表流體靜壓，τxx代表正應力，τyx和τzx代表切向應力，F(xiàn)x、Fy、Fz代表作用在體微元體上的外部體積力。

能量方程描述了流體的熱力學性質(zhì)，包含了流體的內(nèi)能、動能和熱傳遞，能量方程可以用來計算流體的溫度和能量的變化。能量方程微分表達式：

其中，Tf代表流體的溫度，af代表流體的對流換熱系數(shù)，cf代表流體的比熱容，ST代表黏性耗散項。值得注意的是，流體在流動和熱量交換過程中，能量方程是基本的控制方程，但該能量方程卻是以牛頓流體為研究對象，本文所研究的常溫空氣屬于牛頓流體。而對于非牛頓流體，應該采用其他形式的能量方程。

3.2 模型簡化與網(wǎng)格劃分

該柔性重力式密封裝置主要布置在回轉(zhuǎn)式空氣預熱器底端與扇形板進行密封連接，由于其具體尺寸較小，所以僅考慮密封裝置進行有限元模擬仿真。在保證基本結構與密封性不發(fā)生改變的情況下對原有模型進行適當簡化。采用ANSYS 中的Spaceclaim 模塊建立寬度為460mm 的重力式柔性密封裝置的流體域三維模型,流體域三維模型如圖3所示。

圖3 流體域三維模型

將所建立好的流體域模型導入ANSYSmeshing 模塊進行網(wǎng)格劃分，流體域及密封裝置網(wǎng)格如圖4所示，分別是在分析系統(tǒng)流體流動中對流體域進行的網(wǎng)格劃分以及在瞬態(tài)結構中對固體柔性密封裝置進行的網(wǎng)格劃分。

圖4 流體域及密封裝置網(wǎng)格

3.3 流固耦合邊界條件設置

在對流固耦合模型進行有限元分析時，邊界條件的設置較為重要，設置不同的邊界條件將會影響最終的求解結果以及求解精度[8]。

首先，對于流體流動的模型選取，選取k-湍流模型，采用標準壁面函數(shù)。其次對流體流動進行流體材料設置，設置流體材料為標準大氣壓下的25℃空氣，流體域入口采用10m/s 的速度入口邊界條件，流體域出口采用自由出流邊界條件，將流固耦合交界面設置為平滑動網(wǎng)格。對于固體結構設置，將固體材料設置含鉛合金，對密封裝置上端進行固定支撐約束。完成邊界條件設置的流體計算域模型如圖5所示，固體計算域模型如圖6所示。

圖5 流體域計算模型

圖6 固體域計算模型

圖7 重力式柔性密封裝置結構參數(shù)

4 仿真結果分析

該重力式柔性密封裝置的主要結構參數(shù)包括動片有效長度l、初始角度θ、自潤滑金屬厚度d1以及配重金屬厚度d2，如圖 7所示。

針對該柔性密封裝置的結構參數(shù)，采用控制變量法進行研究，利用CFD 軟件多模塊對其進行流固耦合分析，為保證模擬的準確性，每次僅改變一個變量進行研究分析。

針對作用于回轉(zhuǎn)式空預器密封片表面的壓差載荷，文獻[9]在分析空預器隔倉壓差對柔性密封片強度和剛度的影響中將壓差作為均布壓強施加到密封片上，卻未考慮到實際的流場對密封片的作用是復雜的，其結果存在一定的誤差。為了使計算結果更加精確，采用流固耦合方式對柔性密封片進行分析，分別得到在正常工況運行狀態(tài)下密封裝置底端流場壓力云圖以及瞬態(tài)結構整體總變形圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 底端流場壓力云

圖9 瞬態(tài)結構整體總變形

4.1 有效動片長度對密封性能影響

在保證該密封裝置其他變量不發(fā)生改變的前提下，選取5組不同有效長度的動片進行研究，動片有效長度范圍28～36mm，分析5組不同有效長度下的柔性密封裝置底部等效應力變化情況以及動片最大變形情況，結果如圖10、圖11所示。

圖10 最大等效應力變化隨有效長度變化

圖11 動片最大型變量隨有效長度變化

由圖10和圖11分析可以得到，隨著動片有效長度的增大，該柔性重力式密封裝置底部最大有效應力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且隨著有效長度的逐漸增大，減小幅度逐漸放緩。而動片的最大變形量隨著有效長度的逐漸增大呈現(xiàn)增長的趨勢，且隨有效長度的逐漸增大增長幅度逐漸增大。為保證最好的密封性，在保證底端最大應力符合范圍的前提下，選取合適的動片有效長度。

4.2 初始角度對密封性能影響

選取5組不同初始角度θ，角度變化范圍65°～85°，有效長度l、自潤滑金屬有效厚度d1以及配重金屬厚度d2保持不變，對其進行流固耦合模擬和有限元分析，得到密封裝置底部最大等效應力變化隨角度變化，如圖12所示。以及底部等效彈性應變隨角度變化，如圖13所示。

圖12 最大等效應力隨初始角度變化

圖13 最大等效彈性應變隨初始角度變化

由圖12圖13和分析可以得到，隨之初始角度的逐漸增大，通過流固耦合分析發(fā)現(xiàn)底端最大等效應力逐漸減小，且在角度處最大等效應力最大，為340MPa。隨著初始角度的逐漸增大，底部接觸區(qū)域處最大等效應變逐漸減小。造成變化原因主要是因為隨著角度變化，底部與漏風區(qū)域接觸面積和接觸角度發(fā)生了變化。

4.3 自潤滑金屬厚度d1及配重金屬厚度d2對密封性能影響

對于自潤滑金屬厚度的研究，在保證動片有效長度l、初始角度θ以及配重金屬厚度d2不變的情況下進行研究，其厚度范圍2～6mm，單位增長為1mm,分為Δ1～Δ5，5組數(shù)據(jù)進行研究。同理情況下，將配重金屬厚度同樣分為5組數(shù)據(jù)，其厚度范圍8～16mm,單位增長2mm，分別為Δ1～Δ5。分別對以上10組數(shù)據(jù)進行流固耦合分析之后得到在回轉(zhuǎn)式空預器內(nèi)部氣體高流速下密封裝置底端位移量隨金屬厚度變化如圖14所示。

圖14 底端位移量隨金屬厚度變化

由圖14可知，在高速氣體流動下，隨著金屬厚度的增加，底端位移量逐漸減小，單位配重金屬增長對位移量的影響遠大于自潤滑金屬的單位厚度增長，在滿足該密封裝置結構設計的同時，合理配置自潤滑金屬和配重金屬。

5 結語

一是針對回轉(zhuǎn)式空氣預熱器密封裝置的研究方法，首先本文對密封結構進行設計，并進行密封材料的選擇和性能測試，進一步地采用有限元數(shù)值模擬的方法進行可行性分析，通過材料測試與模擬相結合，充分考慮結構、材料等多種因素選擇最合適的密封裝置結構參數(shù)。

二是在材料選擇上，不僅要保證材料需要達到的耐磨性、耐腐蝕性、彈性模量等，還要綜合考慮其成本，選出最優(yōu)材料。

三是通過流固耦合模擬分析，隨著回轉(zhuǎn)式空氣預熱器的運行，并不能保證“零漏風”，通過改變?nèi)嵝悦芊庋b置的相關參數(shù)，會不同程度地減小漏風率，保證回轉(zhuǎn)式空氣預熱器的高效運行。

四是綜合考慮材料、結構、有限元分析結果、成本等因素，最終選取該柔性重力式密封裝置動片有效長度l為32mm、初始角度θ為80°、自潤滑金屬厚度d1為4mm 以及配重金屬厚度d2為12mm。