中北大学2012届本科毕业设计说明书锅炉锅筒的稳态温度场及热应力场分析学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 年 月摘要 锅筒是锅炉中非常重要的受压元件，锅炉系统中的熙然循环回路的主要组成部分是锅筒、上升管和下降管，它在系统工作时会接收来自省煤器的供水，并向过热器输送饱和蒸汽，锅筒是加热、蒸发和过热三个过程的连接点。锅筒运转工况非常繁杂，不单要承受来自内部较高的压力，还必须承受系统冷、热态启停及变负荷时的循环机械应力和热应力，这些交变应力很容易导致疲劳破坏。所以，对锅筒进行温度分析和热应力分析，得出锅筒在稳态工作时的温度和热应力分布规律，可为增压锅炉的安全运行提供一定的理论支撑。运用有限元分析软件ANSYS建立给定锅炉锅筒的三维模型，并将给定数据带入，对锅筒内热应力分布和温度场分布进行三维有限元数值模拟分析。按相应的边界条件施加合适的约束，使锅炉锅筒始终在正常范围内工作。用ANSYS软件分析并确定锅筒正常工作时其内部的温度场及热应力分布规律，并根据分析结果和给定材料特性对锅炉锅筒进行相关的强度评定，最终为锅筒的安全评判提供参考。关键词：锅炉；锅筒；有限元；温度场；热应力；强度评定Abstract The drum is the most important pressurized component of boiler,and it connects with the riser tubes and downcomers of the natural circulation loop,at the same time drum gets the feed water from economizer and provides saturated steam for superheater.It is the junction of heating,evaporation and overheating.Drum running conditions are very complicated because it not only bear a high internal pressure but also endure cyclic mechanical stress and thermal stress induced easily fatigue wreck during cold,heat starting and stopping and variable conditions.Therefore,variable rules on stress of supercharged boiler drum in steady and startup period can provide theoretical support for optimal starting scheme of supercharged boiler through analysis of the boiler drum stress.The finite element analysis software ANSYS is used to establish the three-dimensional model of the boiler drum, and the given data is brought into the three-dimensional finite element numerical simulation analysis of thermal stress and temperature field in the pot. According to the appropriate boundary conditions to impose appropriate constraints, Make the boiler barrel always work in the normal range. Using ANSYS software to analyze and determine the temperature field and thermal stress distribution of the cylinder during the normal operation,According to the analysis results and the characteristics of the given material, the strength of the boiler drum is evaluated,Finally provide reference for the safety evaluation of pot.Keywords:Boiler;Drum;Inite element;Temperature field;Thermal stress; Strength evaluation目录1 绪论11.1 概述11.2 锅炉锅筒温度场及热应力场国内外研究现状21.2.1 锅炉锅筒温度场研究现状21.2.2 锅炉锅筒热应力研究现状31.3 本文主要研究内容42 相关理论基础52.1 有限元法介绍52.1.1 ANSYS分析的基本过程62.2 强度理论72.3 应力分析的力学理论102.3.1 弹性力学基本方程112.3.2 热弹性力学理论基础122.4 热应力介绍142.5 本章小结163 锅炉锅筒的力学分析173.1 内压作用下锅筒圆筒的应力状态173.2 锅筒圆筒热应力173.3 本章小结184 锅炉锅筒壁温、热应力 ANSYS 数值模拟分析194.1 锅炉锅筒几何实体模型建立194.1.1 锅筒材料属性204.1.2 锅筒三维模型建立214.2 网格划分224.2.1 单元类型的选取224.2.2 锅筒模型的网格划分234.3 边界条件确定及加载244.4 结果分析244.4.1 稳态温度场结果分析244.4.2 稳态热应力场结果分析264.4 本章小结28结 论29致谢30参考文献31第 页 共 页1 绪论1.1 概述 在我国船舶的主要驱动力是蒸汽动力装置，该装置的特点主要有技术成熟、经济性好、可靠性高、研制的周期比较短以及较长的使用寿命。在舰船的蒸汽动力装置中，锅炉作为提供动力的装置，为舰船提供运动、发电以及生活等所需要的蒸汽。因为增压锅炉的一系列有点，比如：可靠性比较高、重量较轻、尺寸又不大，而且炉膛热负荷比较高、机动性能优越、经济性良好，所以在我国的船舶中一般使用蒸汽动力装置作为动力源。到目前为止，我国在船用增压锅炉方面的钻研还有一定的局限。这几年来，随着我国海军以及海军的相干装备的进步，船用增压锅炉的研制受到相关领域的普遍关注，有关研究部门展开了对船用增压锅炉的基础理论研究工作。与此同时，国外的舰船蒸汽动力装置也一直在发展中，由于新型船用增压锅炉的接连涌现，使得相应的技术水平也日益提高。增压锅炉和常压锅炉相比，它的机能更显优越，主要体现在如下四个方面： 1增压锅炉的体积小、重量轻； 2增压锅炉动力装置经济性高； 3增压锅炉动力装置机动性能好； 4增压锅炉动力装置中的增压锅炉重量尺寸较小，可靠性与可维护性强，能显著提高船舶的生命力1。锅筒属于高温高压容器，在增压锅炉中占有很重要的地位，在增压锅炉运行过程中，工况的变动会在一定程度上导致锅筒承受循环应力载荷。而频繁的应力波动则会导致金属产生裂纹，并使得锅筒最终破裂。增压的锅炉运行过程中，锅筒内充满着高温高压的饱和水和饱和蒸汽，如若锅筒破裂产生爆炸，不仅会造成重大的经济损失，更会造成惨重的人员伤亡。另外，由于锅炉体积庞大且结构复杂，一旦锅筒损伤将很难进行维修和更换，锅炉安全经济运行也将受到影响。于是，创建温度及应力场计算方法，计算分析锅筒温度及应力场的分布规律，通过实时监测锅筒的温度及压力等相关运行参数，实现对于锅炉锅筒的温度及应力的计算监测，这对于锅炉的安全经济运行有着很重大的意义2。1.2 锅炉锅筒温度场及热应力场国内外研究现状1.2.1 锅炉锅筒温度场研究现状 锅炉在启动和停止的过程中，锅筒内的温度场是一个非常复杂的三维稳态分布场。这是因为锅筒不仅构造比较复杂，并且它还伴随有传质、两相流、凝结、闪蒸等现象。就目前来看，国内外对于锅炉锅筒温度场的计算一般是进行简化计算，而锅筒的建模方式又可以分为一维建模、二维建模和三维建模。一维温度场的分析计算一般是在几种不同的简化条件下进行的。计算一维温度场通常需要提前确立各种不同的简化条件。郑思定，邓文俭将锅筒假设为一个无限长的圆筒体，且仅在径向上存在温度梯度，不存在周向温差及轴向温差。锅筒的壁厚相对于它的整个筒体结构的尺寸来说会很小，所以认为沿着锅筒径向上锅筒壁温度一般是均匀分布的3,4。同时我们也可以把计算锅筒的应力场转换为一个求解一维温度薄平板的平面应力问题，但是显然，这种模型和实际不符。 而二维温度场的分析计算，不需要把锅筒轴线方向的温度差别考虑进来，只要研究锅筒的横截面以及与之相连的下降管纵截面的温度分布就行。沈月芬通过计算得到以下结论：锅筒由于上下部所处环境的换热系数不同，使得锅筒上下部升温速率不同，产生了锅炉锅筒上下温差5。而且锅筒的升温速率和周向温差的变化规律都会对锅筒的温度场分布产生一定的影响。 三维温度场所分析的问题则是一个非稳态、可变特性、不均匀物体热传导的问题。赵铁成以我国研发制造的300MW 锅炉为研究对象，对其处在非稳态状况附加若干简单的边界条件下的情况，应用用有限元法已经计算出300MW 锅炉锅筒的三维温度场分布情况6。因为锅筒材料的物性参数一般会随锅筒的温度发生变化，而且锅筒的受热环境又很复杂，所以锅筒的实际热边界条件是复杂多变，因此只能对锅筒进行简化分析。和一维二维的温度场计算相比较，三维温度场的分析计算更贴近实际状况。但由于相应的计算量和需要考虑的影响因素又多又复杂，所以目前对于锅筒的三维温度场的计算分析开展相对缓慢。 可见，关于锅炉锅筒温度场的计算，一维模型和二维模型都与实际情况差的比较远，胆识于增压锅炉三维模型的分析计算，目前开展的又比较少。 锅筒温度场的计算方法有两种：一种是正问题解法，也就是直接解法，它是对所研究模的型建立相应的导热微分方程，再根据已经知道的锅筒和介质的物性参数，再加上锅筒周边的各类热边界条件以及它随时间的变化规律，就可以直接求解出锅筒的温度场分布情况；而另一种计算方法是并不十分流行的反推法，它通过控制容积法，对锅筒壁面进行网格划分，再对锅筒每一层所划分的单元建立热平衡方程，在已知锅筒材料的物性参数及结构尺寸的前提下，将锅筒外壁的温度分布作为热边界条件，进而逐层求解锅筒壁各层的温度，从而得到锅筒温度分布。 对于锅筒温度场的计算，国内大部分的研究人员主要采用的还是直接解法。贾鸿祥通过理论求解，得出锅筒启停及变负荷运行过程中锅筒壁面温度场的一维不稳定导热微分方程，他又分别对锅筒内壁施加第一类边界条件以及第三类