大型燃氣水管鍋爐振動問題研究

朱新偉

【摘要】鍋爐管束振動是大型燃氣鍋爐設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文研究工作采用CAE和CFD數(shù)值模擬技術(shù)，應(yīng)用UGNX8.0、Gambit2.4.6和Fluent6.3.26軟件進行仿真模擬計算等，對燃氣鍋爐管束振動問題開展研究。本文研究工作對大型燃氣鍋爐的設(shè)計具有重要的參考意義。

【關(guān)鍵詞】鍋爐管束 固有頻率 卡門渦街 聲共振

1前言

隨著燃氣鍋爐的大型化，鍋爐管束振動的問題也越來越突出，成為制約燃氣鍋爐大型化的一個關(guān)鍵因素。本次研究的對象是以一臺SZS100-1.6-Q型號燃氣蒸汽鍋爐為例，分析該鍋爐運行工況下的外界激振影響，對該鍋爐管束進行多種模片連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計等，通過UGNX8.0、Gambit2.4.6和Fluent6.3.26軟件計算模擬管束及流場，對所得數(shù)值和圖像進行分析比較，最后對實例進行計算分析，獲得減小外界激振的影響和獲得提高管束固有頻率的方法。

2鍋爐管束振動的理論基礎(chǔ)

2.1卡門渦街

卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學(xué)所研究的一種現(xiàn)象。在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過非線性作用后，形成卡門渦街。當(dāng)卡門渦街頻率與管子的固有頻率較為接近時，就會引起管束發(fā)生共振，這種振動是劇烈的。即使不發(fā)生共振，流體誘發(fā)的長期振動也會引起疲勞破壞，會降低鍋爐使用壽命，嚴(yán)重時會發(fā)生事故。因此，我們在設(shè)計時，必須使管束的固有頻率盡量避開卡門渦街頻率，或者破壞卡門渦街的形成。由于管束中的煙氣流速分布不均勻等現(xiàn)象的存在，單靠公式無法精確得出卡門渦街的頻率，只能得到一個近似值。卡門渦街的一般頻率范圍是40～100Hz。

2.2聲共振

聲共振是鍋爐管束振動問題中較為常見的問題，它是由于管束的氣柱聲學(xué)某階固有頻率與卡門渦街的脫落頻率相等或接近而引發(fā)管束的劇烈振動。當(dāng)氣體橫向流過管束時，在其流向除了平均流速外，還有一個相對于平均流速方向呈橫向的波動流速，該波動速度與駐波相結(jié)合形成氣柱。其發(fā)生在既垂直于換熱管，又垂直于流向的方向上。

3鍋爐管束振動的研究

3.1管子固有頻率

利用UGNX8.0軟件分別研究了管子尺寸中，長度、厚度、管徑與固有頻率的關(guān)系。

3.1.1管子長度與固有頻率

通過UGNX8.0軟件，依次建立了管外徑為51mm，內(nèi)徑為45mm，長度分別為2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm、4500mm、5000mm、5500mm、6000mm的9根管子模型，通過仿真數(shù)值模擬，計算出了各個長度下的前十階的固有頻率，取其一階固有頻率的結(jié)果總結(jié)得出以下結(jié)論：當(dāng)管徑和壁厚不變，只改變管子的長度時，隨著長度的增加，管子的一階固有頻率是呈降低趨勢的，而且管子長度越長，變化的數(shù)值越小。

3.1.2管徑與固有頻率

通過UGNX8.0軟件，依次建立了厚度為3mm，長度分別為2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm、4500mm、5000mm、5500mm、6000mm，外徑分別為45mm、47mm、49mm、51mm、53mm、55mm、57mm的63根管子模型，通過仿真數(shù)值模擬，計算出了各個長度和管徑下的前十階的固有頻率，取其一階固有頻率的結(jié)果我們可以到的結(jié)論是：當(dāng)不改變管子的長度和壁厚，只改變管徑時，隨著管徑的增加，管子的一階固有頻率是基本呈線性增大趨勢的，而且管子的長度越短，管徑改變對固有頻率的變化更加明顯。

3.1.3管子厚度與固有頻率

通過UGNX8.0軟件，依次建立了外徑為51mm，長度分別為2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm、4500mm、5000mm、5500mm、6000mm，厚度為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm的45根管子模型，通過仿真數(shù)值模擬，計算出了各個長度和厚度下的前十階的固有頻率，取其一階固有頻率的結(jié)果我們可以看到，當(dāng)不改變管子外徑和長度，只改變管子的厚度時，隨著厚度的增加，管子的固有頻率呈略微降低趨勢，而且管子的長度越長，管厚度的改變對固有頻率的影響越小。

4實例分析

本次實驗選取一臺SZS100-1.6-Q型號的燃氣蒸汽鍋爐的管束部分的尺寸大小，管長5m，管外徑為51mm，內(nèi)徑為45mm，材料為20/GB3087，管束橫向節(jié)距為115mm，縱向節(jié)距為80mm，截取部分管束進行研究。

4.1管束的卡門渦流分析

首先，應(yīng)用卡門渦流的一般計算公式計算頻率fv=Sr×v/D（Sr表示斯特勞哈爾數(shù)；V表示工作條件下煙氣流速；D表示管子的外徑）。因為節(jié)徑比S/D=115/51=2.25，查圖，可得Sr約為0.27。又已知煙氣流速V=10m/s，D=51mm，所以fv=0.27×10/0.051=52.9Hz。由于管束中的煙氣流速分布不均勻等現(xiàn)象的存在，實際的卡門渦流頻率還是存在較大的波動。

4.2管束的聲共振分析

根據(jù)近似公式fn=10nT1/2/L（n為駐波階次，T為煙氣溫度，L為管束的煙道寬度），已知T=1073K，L=1845mm，所以f1=177.53Hz>（1.25-1.3）fv，因此，基本可以確定這一結(jié)構(gòu)的管束條件下，卡門渦流頻率和聲駐波頻率不會耦合，基本不會引起聲共振，不需要添加分隔煙道的隔板。

4.3管束加固后固有頻率分析

管束加固問題的研究，選取在兩管之間三分之一處連接29×6mm的扁鋼的管束進行了實際建模和計算，得到以下結(jié)果，與不連接扁鋼的值相比，固有頻率有了一定的提高。連接管束的數(shù)量越多，加固效果越明顯，但是由于需要焊接這些連接扁鋼，提高了成本和安全風(fēng)險，所以數(shù)量不宜過多。雖然加固效果有限，不過可以為提高管束固有頻率提供思路。

5結(jié)語

根據(jù)所做數(shù)值模擬和計算，可以獲得以下結(jié)論：（1）管子自身的固有頻率隨長度增加而減小，隨管徑增大而增大，隨管壁厚度增加而減小。（2）管束排布的截距越小，或者縱向布置都能抑制卡門渦流的形成，但有可能提高其頻率。（3）經(jīng)過對SZS100-1.6-Q型號的燃氣蒸汽鍋爐的管束部分的簡略計算分析，單管的卡門渦流頻率約為52.9Hz，管束中的值會低于這個值。可以基本排除聲共振引發(fā)管束振動的問題。（4）對管子之間連接扁鋼有助于提高管束剛度。

參考文獻：

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[2]楊有濤.卡門渦街[J].中國計量，2009（5）.