大型燃气水管锅炉振动问题研究

【摘　要】　锅炉管束振动是大型燃气锅炉设计中的关键技术问题。本文研究工作采用CAE　和CFD数值模拟技术，应用UG　NX8.0、Gambit2.4.6和Fluent6.3.26软件进行仿真模拟计算等，对燃气锅炉管束振动问题开展研究。本文研究工作对大型燃气锅炉的设计具有重要的参考意义。

【关键词】　锅炉管束 固有频率 卡门涡街 声共振

1　前言

随着燃气锅炉的大型化，锅炉管束振动的问题也越来越突出，成为制约燃气锅炉大型化的一个关键因素。本次研究的对象是以一台SZS100-1.6-Q型号燃气蒸汽锅炉为例，分析该锅炉运行工况下的外界激振影响，对该锅炉管束进行多种模片连接结构的设计等，通过UG　NX8.0、Gambit2.4.6和Fluent6.3.26软件计算模拟管束及流场，对所得数值和图像进行分析比较，最后对实例进行计算分析，获得减小外界激振的影响和获得提高管束固有频率的方法。

2　锅炉管束振动的理论基础

2.1　卡门涡街

卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。当卡门涡街频率与管子的固有频率较为接近时，就会引起管束发生共振，这种振动是剧烈的。即使不发生共振，流体诱发的长期振动也会引起疲劳破坏，会降低锅炉使用寿命，严重时会发生事故。因此，我们在设计时，必须使管束的固有频率尽量避开卡门涡街频率，或者破坏卡门涡街的形成。由于管束中的烟气流速分布不均匀等现象的存在，单靠公式无法精确得出卡门涡街的频率，只能得到一个近似值。卡门涡街的一般频率范围是40～100Hz。

2.2　声共振

声共振是锅炉管束振动问题中较为常见的问题，它是由于管束的气柱声学某阶固有频率与卡门涡街的脱落频率相等或接近而引发管束的剧烈振动。当气体横向流过管束时，在其流向除了平均流速外，还有一个相对于平均流速方向呈横向的波动流速，该波动速度与驻波相结合形成气柱。其发生在既垂直于换热管，又垂直于流向的方向上。

3　锅炉管束振动的研究

3.1　管子固有频率

利用UG　NX　8.0软件分别研究了管子尺寸中，长度、厚度、管径与固有频率的关系。

3.1.1　管子长度与固有频率

通过UG　NX　8.0软件，依次建立了管外径为51mm，内径为45mm，长度分别为2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm、4500mm、5000mm、5500mm、6000mm的9根管子模型，通过仿真数值模拟，计算出了各个长度下的前十阶的固有频率，取其一阶固有频率的结果总结得出以下结论：当管径和壁厚不变，只改变管子的长度时，随着长度的增加，管子的一阶固有频率是呈降低趋势的，而且管子长度越长，变化的数值越小。

3.1.2　管径与固有频率

通过UG　NX　8.0软件，依次建立了厚度为3mm，长度分别为2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm、4500mm、5000mm、5500mm、6000mm，外径分别为45mm、47mm、49mm、51mm、53mm、55mm、57mm的63根管子模型，通过仿真数值模拟，计算出了各个长度和管径下的前十阶的固有频率，取其一阶固有频率的结果我们可以到的结论是：当不改变管子的长度和壁厚，只改变管径时，随着管径的增加，管子的一阶固有频率是基本呈线性增大趋势的，而且管子的长度越短，管径改变对固有频率的变化更加明显。

3.1.3　管子厚度与固有频率

通过UG　NX　8.0软件，依次建立了外径为51mm，长度分别为2000mm、2500mm、3000mm、3500mm、4000mm、4500mm、5000mm、5500mm、6000mm，厚度为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm的45根管子模型，通过仿真数值模拟，计算出了各个长度和厚度下的前十阶的固有频率，取其一阶固有频率的结果我们可以看到，当不改变管子外径和长度，只改变管子的厚度时，随着厚度的增加，管子的固有频率呈略微降低趋势，而且管子的长度越长，管厚度的改变对固有频率的影响越小。

4　实例分析

本次实验选取一台SZS100-1.6-Q型号的燃气蒸汽锅炉的管束部分的尺寸大小，管长5m，管外径为51mm，内径为45mm，材料为20/GB3087，管束横向节距为115mm，纵向节距为80mm，截取部分管束进行研究。

4.1　管束的卡门涡流分析

首先，应用卡门涡流的一般计算公式计算频率fv=Sr×v/D　（Sr表示斯特劳哈尔数；V表示工作条件下烟气流速；D表示管子的外径）。因为节径比S/D=115/51=2.25，查图，可得Sr约为0.27。又已知烟气流速V=10m/s，D=51mm，所以fv=0.27×10/0.051=52.9Hz。由于管束中的烟气流速分布不均匀等现象的存在，实际的卡门涡流频率还是存在较大的波动。

4.2　管束的声共振分析

根据近似公式fn=10nT1/2/L（n为驻波阶次，T为烟气温度，L为管束的烟道宽度），已知T=1073K，L=1845mm，所以f1=177.53Hz>（1.25-1.3）　fv，因此，基本可以确定这一结构的管束条件下，卡门涡流频率和声驻波频率不会耦合，基本不会引起声共振，不需要添加分隔烟道的隔板。

4.3　管束加固后固有频率分析

管束加固问题的研究，选取在两管之间三分之一处连接29×6mm的扁钢的管束进行了实际建模和计算，得到以下结果，与不连接扁钢的值相比，固有频率有了一定的提高。连接管束的数量越多，加固效果越明显，但是由于需要焊接这些连接扁钢，提高了成本和安全风险，所以数量不宜过多。虽然加固效果有限，不过可以为提高管束固有频率提供思路。

5　结语

根据所做数值模拟和计算，可以获得以下结论：（1）管子自身的固有频率随长度增加而减小，随管径增大而增大，随管壁厚度增加而减小。（2）管束排布的截距越小，或者纵向布置都能抑制卡门涡流的形成，但有可能提高其频率。（3）经过对SZS100-1.6-Q型号的燃气蒸汽锅炉的管束部分的简略计算分析，单管的卡门涡流频率约为52.9Hz，管束中的值会低于这个值。可以基本排除声共振引发管束振动的问题。（4）对管子之间连接扁钢有助于提高管束刚度。

参考文献：

[1]吴相朝.锅炉振动原因分析及其处理[J].中国钢结构协会锅炉钢结构分会第五届年会论文集，2004.

[2]杨有涛.卡门涡街[J].中国计量，2009（5）.

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