- •Кафедра эксплуатации судовых энергетических установок
- •Судовые паровые котлы
- •Введение
- •Предисловие
- •Глава 1. Назначение, принцип действия и устройство судовых паровых котлов
- •1.1. Назначение, принцип действия и место парового котла в составе судовой энергетической установки
- •1.2. Классификация и основные характеристики паровых котлов
- •1.3. Общее устройство котлов
- •Глава 2. Топливо и продукты сгорания
- •2.1. Общие сведения
- •2.2. Состав и рабочая масса топлива
- •2.3. Теплота сгорания топлива
- •2.4. Характеристики жидкого топлива
- •2.5. Прием, хранение и сжигание топлива
- •2.6. Общие сведения о горении топлива
- •2.7. Теоретически необходимое количество воздуха для горения топлива
- •2.8. Расчет объемов продуктов сгорания топлива
- •2.9. Энтальпия продуктов сгорания
- •2.10. Организация топочного процесса
- •2.11. Принцип действия и конструкции форсунок и воздухонаправляющих устройств
- •2.12. Дистанционное управление топочным устройством
- •Глава 3. Эффективность использования теплоты топлива и основы теплового расчета парового котла
- •3.1. Тепловой баланс парового котла
- •3.2. Полезно используемая теплота и к. П. Д. Парового котла
- •3.3. Тепловые потери
- •3.4. Теплообмен в паровом котле
- •3.5. Пример теплового расчета вспомогательного парового котла
- •Последовательность выполнения теплового расчета вспомогательного котла
- •Средние изобарные объемные теплоемкости воздуха и газов
- •К определению энтальпии продуктов сгорания
- •Глава 4. Основы аэро- и гидродинамики паровых котлов
- •4.1. Аэродинамика потока в газовоздушном тракте
- •4.2. Определение аэродинамических сопротивлений при движении воздуха и газов
- •4.3. Определение мощности котельного вентилятора
- •4.4. Естественная циркуляция
- •4.5. Основы и методика расчета циркуляции
- •4.6. Показатели надежности циркуляции
- •Глава 5. Водный режим паровых котлов
- •5.1. Водоподготовка
- •Показатели качества воды для судовых паровых котлов
- •5.2. Методы предотвращения накипеобразования и коррозии
- •Глава 6. Материалы и основы расчета прочности паровых котлов
- •6.1. Выбор материала котлов
- •6.2. Расчет прочности основных элементов парового котла
- •Глава 7. Конструкция основных элементов паровых котлов
- •7.1. Корпус парового котла
- •7.2. Пароперегреватели, экономайзеры, пароохладители, воздухоподогреватели, сажеобдувочные устройства
- •7.3. Каркас, обшивка, опоры парового котла
- •7.4. Арматура и контрольно-измерительные приборы
- •Глава 8. Теплотехнические испытания и обслуживание паровых котлов
- •8.1. Цель и виды теплотехнических испытаний
- •8.2. Обслуживание паровых котлов
- •8.3. Основные неисправности и средства защиты паровых котлов
- •8.4. Техника безопасности при обслуживании паровых котлов
- •Библиографический список
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Судовые паровые котлы
6.2. Расчет прочности основных элементов парового котла
Конструктивные расчеты деталей судовых котлов на прочность выполняют по Правилам Регистра СССР. В данном параграфе рассмотрен расчет прочности только элементов водотрубных котлов: пароводяных и водяных коллекторов (цилиндрическая часть и днище), коллекторов экранов и пароперегревателей, цилиндрических камер водяных экономайзеров и утилизационных котлов, а также труб поверхностей нагрева котла.
Перечисленные элементы существенно различаются прежде всего температурным режимом металла во время эксплуатации. При расчете на прочность условия работы учитывают соответствующим выбором материала, допускаемых напряжений, коэффициентов запаса прочности.
Прочностной расчет состоит из следующих этапов:
1) определение наибольшей рабочей температуры расчетного элемента котла;
2) выбор марки материала по рабочей температуре с учетом остальных условий работы элемента (см. § 6.1);
3) расчет конструктивных размеров элемента по формулам, приводимым в Правилах Регистра СССР с учетом допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности, регламентируемых Регистром СССР.
За рабочую расчетную температуру, для которой выбирают механические характеристики, принимают среднюю по толщине стенки температуру металла. Значения расчетной температуры стенки для основных элементов котла следующие:
– для пароводяных и водяных коллекторов, камер экономайзеров и утилизационных котлов, парообразующих труб, защищенных от непосредственного воздействия теплового излучения, + 30°С;
– для труб, подверженных воздействию потока излучения, + 50°С;
– для коллекторов пароперегревателя, вынесенных за пределы газохода при номинальной температуре перегретого пара меньше 450°С, + 25°С;
– для коллекторов и труб, омываемых газовым потоком, + 35°С;
– при температуре перегретого пара свыше 450°С + 50°С.
В этих формулах –средняя температура среды в элементе котла и температура перегретого пара на выходе из пароперегревателя. Используя значение и зная условия эксплуатации расчетного элемента котла, в соответствии с рекомендациями Правил Регистра СССР осуществляют выбор марки материала.
Расчет прочности труб и цилиндрической части коллекторов котла сводится к определению толщин их стенок . Толщину стенки труб поверхностей нагрева рассчитывают по наружному диаметру , известному из теплового расчета, а толщину коллекторов (например, пароводяного, водяного, коллекторов пароперегревателя) – по внутреннему :
или , |
где |
– |
расчетное внутреннее давление, МПа; | |
|
– |
допускаемое напряжение в стенке, МПа; | |
|
– |
коэффициент прочности; | |
|
– |
прибавка к расчетной толщине стенки, мм. |
За расчетное внутреннее давление принимают его наибольшее значение, возможное в условиях эксплуатации котла. Для пароводяных и водяных коллекторов расчетное внутреннее давление – это давление, на которое установлены предохранительные клапаны, то есть = 1,05 , где – давление в пароводяном коллекторе при максимальной паропроизводительности. То же значение используют при расчете пароперегревателя, так как при внезапной остановке главного двигателя отвод пара из котла прекращается и давление в пароперегревателе становится равным . Расчетное давление для коллекторов экономайзеров равно
, |
где |
– |
гидравлическое сопротивление водяного экономайзера. |
Допускаемое напряжение определяется по формуле
, |
где |
– |
характеристика прочности, зависящая от расчетной температуры стенки и условий эксплуатации элемента котла, МПа; | |
|
– |
коэффициент запаса прочности, регламентируемый Регистром СССР. |
В качестве принимают: (предел текучести материала при = 20°С) при < 120°С; (то же при ) при = 120 ÷ 350°С; меньшее из величин и (предел длительной прочности при ) при > 350°С.
Коэффициент запаса прочности при или деталей из углеродистых, низко- и высоколегированных сталей, для которых отношение не превышает соответственно 0,65; 0,70 и 0,75, принимают = 1,7.
Для сталей, не имеющих явно выраженной площадки текучести, при < 350°С допускаемое напряжение можно определить по формуле
. |
Коэффициент прочности учитывает ослабление прочности стенки сварными соединениями или отверстиями. Для бесшовных
Рис. Размещение отверстий в трубных решетках коллекторов: а, б – коридорное строение; в – шахматное строение |
цилиндрических стенок, не ослабленных сварными соединениями или отверстиями, принимают = 1. Коэффициент прочности сварных соединений выбирают в зависимости от конструкции соединения и способа сварки, его значение может быть в пределах = 0,5 ÷ 0,9.
Ослабление стенок коллекторов равномерно размещенными отиерстиями одинакового диаметра (Рис. 6.3) учитывают с помощью коэффициентов прочности , зависящих от строения, диаметра и шага отверстий в его трубной решетке
. |
Индекс характеризует направление, в котором учитывают ослабление стенки коллектора. При продольном направлении (вдоль оси коллектора) = 1; = 1; при поперечном направлении = 2, = 2. Для шахматного строения (диагональное направление) = 3,
, . |
Если изменяется в диапазоне от 0,5 до 5, то = 1,0 ÷ 1,76. В расчетную формулу для определения толщины стенки подставляют наименьшее значение .
При расположении отверстий в сварных швах берут равным произведению коэффициента прочности сварного соединения и коэффициента ослабления отверстиями.
Прибавка С к толщине стенки, учитывающая влияние коррозии, должна быть С 1 мм при 30 мм и С = 0 при > 30 мм.
Если коллекторы изготовляют из двух частей (обечайки и трубной решетки), соединенных продольными сварными швами, то расчет каждой части проводят отдельно.
Для расчета толщины стенки днища коллектора (Рис. 6.4) используется зависимость
, |
где |
– |
наружный диаметр днища, мм; | |
|
– |
коэффициент формы, зависящий от конструкции геометрических размеров днища (для типовых эллиптических днищ = 1,8÷ 6,5; для сферических днищ = 1,1÷ 4,35); | |
|
– |
коэффициент прочности; | |
|
– |
диаметр отверстий в днище. |
Рис. 6.4. Эллиптическое днище коллектора с двумя отверстиями |
Остальные обозначения те же, что и в формуле для расчета толщины обечайки коллектора. Формула для расчета толщины стенки днища справедлива в следующем диапазоне изменения его геометрических размеров: > 0,18; 0,1; 0,003; ; (см. рис. 6.4). Одним из ответственных элементов котла является узел крепления труб в трубных решетках коллекторов. При использовании вальцовочных соединений этот узел проверяют на прочность закрепления труб в трубных решетках, пользуясь формулой
, |
где |
– |
удельная осевая нагрузка (для соединений гладких труб = 15 МПа, для соединений с уплотнительными канавками и для соединений с отбортовкой труб= 40 МПа); | |
|
– |
толщина стенки трубы, мм; | |
|
– |
длина вальцовочного пояска, мм; | |
|
– |
наибольшая площадь поверхности стенки трубной решетки, которая приходится на одну трубу, мм2. |
При размещении отверстий в трубных решетках необходимо следить, чтобы «мостики» между отверстиями были не меньше предельных, величина которых обеспечивает отсутствие деформации соседних отверстий при вальцевании труб. При диаметре трубы 32 мм размер мостика должен быть не меньше 13 мм, если 32 мм, то должно соблюдаться условие 1,4 (= 1, 2, 3).