ZESZYTY N A U K O W E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Seria: E N ER GE TY KA z. 72 Nr kol, 6ok
_______ 1979
Janusz L A R A
OBR "B ar o v e n t " Ka towice
W Y B R A N E ZAGA DN IE NI A D U ŻY CH WE NT YL A T O R Ó W K O TŁ OW YC H
St r e s z c z e n i e , Omówiono ki er un ki rozwoju wentylatorów' kotłowych, nowe me to dy p r oj ek to wa ni a w i r n i k ó w oraz dynamikę pracy dużych wenty
latorów, w szozególnośoi zagadnienia drgań.
1. Kier un ki r o z w o j o w e
W la,tach siedem dz ie si ąt yc h ro zp ow sz ec hn ił o się stosowanie os iowych w e n
tylatorów k o t ł o w y c h d l a tłoczenia powietrza i spalin [i i] . Czy trend ten utrzymuje się nadal?
W Repu bl ic e Federalnej Ni emiec - tak; w e Francji nastąpiło pewna pr zy
ha mo w a n i e spowodowane trudnościami eksploatacyjnymi w e nt yl at or ów z ło p a t ka mi w i r n i k a sterowanymi podczas ruchu, jednak stosuje się ją nada l [2 3] ; w Wielkiej Br yt an ii do mi nu ją tradycyjnie we ntylatory'promieniowe. W ZSRR coraz częściej stosuje się w e n t yl at or y osiowe, przy czym są to przeważnie reak oy jn e jedno- i dw us to pn io we went yl at or y z regulowanymi kierownicami;
została jednak zakupiona lice nc ja n a went yl at or y powietrza z regulowanymi hy dr au li cz ni e łopatkami wirnika. W Kanadzie [2l] w okresie 1971-1977 strze- dano 26 we nt yl a t o r ó w os io wy ch z regulowanymi łopatkami w i r n i k a oraz 22 sztuki z r e gu la oj ą k i er ow ni ca mi wlotowymi. W U S A również zaozęto stosować ✓ we nt y l a t o r y osiowe, gł ów ni e wytwar za ne n a li ce nc ja ch f i r m europejskich;
T L T i K K K (RFN), N o r d i s k (Dania), Stor k (Holandia). Jedynie fi rm a Westing- house, po 4-le tn io h przygoto wa ni ac h, w 1977 roku oddała pierwsze w e nt yl at o
ry z re gu lowanymi łopatkami w i rn ik a wł as ne j konstrukcji do prób st an ow i
skowych. Pomimo tylu zakupionyoh licencji n a we nt yl at or y osiowe, w n o wy ch projek ta ch elektrowni ameryk ań sk ic h przeważnie stosuje się nadal w e n t y l a tory promieniowe (patrz zestawienie).
Zestawienie we n t y l a t o r ó w w el ek trowniach wę gl o w y c h U S A [2l] , [22] R o k średnia moc Paleniska W e n t . powietrza W e n t . spalin
bloku nadciśn. os iowe promień . osiowe promień
v MW % szt . *
1976 550 .6 17 r ~ 2 7
61 .32 ...15 ' 3268
1977 500 8 1k5 30
86
6
19 25
81
Szczyt stosowania we nt ylatorów osiowych w U S A przypada n a 1976 rok (30- 40$ ogółu); w 1977 roku stwierdza się regres do n i ec ał yc h 20$. Je dn oc ze ś
nie obniżyła się średnia wiel ko ść bloku energetycznego z 550 do 500 MW,co wynikło z trudności eksploatacyjnych bardzo dużych bloków. Na 47 om aw ia
ny ch projektów jedynie 4,5$ ma moc ponad 800 MW, a 18$ ponad 700 MW. Licz^
ba went yl at or ów h a ko ci oł wynosi przeważnie 2 (70$), jednak v 30$ są po 4 sztuki n a kocioł. Wi da ć pewną obawę stosowania bardzo du ży ch we nt y l a t o rów; wyższy koszt inwestycyjny rekompensuje ek onomiczniejsza regulacja i korzystniejszy rozkład czynnika tłoczonego. 10$ zastosowanych wentylatorów promieniowych ma regulację zmianą szybkości obrotowej, z tego 1/3 sprzę
głem hydraulicznym. Zastosowano również tyrystorową regulację obrotów sil
nikiem pierścieniowym, któr a w porównaniu ze sprzęgłem hy dr au li cz ny m przy 50$ znamionowej wydajności daje o 50$ wi ęk sz ą oszozędność energii n a n a pęd. Napęd turbinowy wentylatorów(szczególnie ko rz ys tn y dla k o t ł ó w nadoiś- nieniowych, gdzie tylko jest wentylator powietrza), wb r e w wc ześniejszym prognozom n i e przyjął się; zastosowano go tylko w jednym projekcie.
Z przytoczonych wyże j da nych na su wa się następujący wniosek:
Z wyjątkiem konserwatywnej Wielkiej Brytanii w po łowie lat siedem dz ie si ą
tych na stąpił wzrost żainteresowania osiowymi we nt ylatorami powietrza i spalin, również z regulowanymi podczas pracy łopatkami wirnika. V dalszym ciągu nastąpił pewien regres (na przykładzie Francji i USA), wy ni ka ją cy z trudności eksploatacyjnych tego systemu regulacji. Wentylatory osiowe z przestawnymi podczas ruohu łopatkami wi r n i k a w y m a ga ją bo wiem bardzo w y s o kiej kultury eksploatacji oraz niezawodnego i wysokosprawnego odpylania spa
lin. Personel eksploatacyjny elektrowni, na wykły do obsługi n i es ko mp li ko
w a ny ch n a ogół i stosunkowo odpornych na chwilowy wzrost stężenia za py le
n i a czynnika went yl at or ów promieniowyoh, trudno jest przyzwyozaić do g r a nicznie wytężonych, a jednocześnie precyzyjnych (hydrauliczny mechanizm pr ze st a w o z y I ) we nt yl at or ów osiowyoh. Początkowe trudności eksploatacyjne z mechanicznym systemem przestawiania łopatek wi r n i k a podczas ruchu znane by
ły również w Polsce.
Wydaje się, że w początkowym okresie wdra ża ni a osiowyoh w e nt yl at or ów kotłowyoh, bardziej celowe, ze względu n a prostotę obsługi i wi ę k s z ą od
porność n a zapylenie, jest stosowanie we nt yl at or ów akcyjnych z n i e r u c h o mymi łopatkami wirnika, regulowanymi za pomocą kierownic wlot ow yc h. Ak cy j
ne wentylatory powietrza, dla uzyskania stabilnej charakterystyki przepły
wowej, w y p o sa ża się w tzw. separator, opatentowany w ZSRk. Li cencje n a je
go stosowanie zakupili wy twórcy we nt yl at or ów w NRD i R F N [ó]. Krajowe b a dania nad separatorem do we nt yl at or ów typoszeregu W 0 D wypadły pomyślnie [ló]
w związku z tym przemysł krajowy może również zaoferować akcyjne w e n t y l a tory powietrza z separatorem. Zastosowanie ich jako wentylatory spalin w y maga uprzedniego wykonania badań ek sploatacyjnych dla ozynnika zapylonego.
Tymczasem więc, stosuje się akoyjne wentylatory spalin bez separatora, w y magające pewnej ostrożności przy praoy równoległej.
Wybrane zagadnienia dużych wentylatorów kotłowych 103
R easumując akcyjne w e n t yl at or y osiowe m a j ą wpra wd zi e mniej ko rz ys tn ą char ak te ry st yk ę r e g u la cy jn ą od w e n t y l a t o r ó w z regulowanymi łopatkami w i r n i ka podczas praoy, jednak łatwość napraw, w i ę k s z a odporność n a ozynnik za
pylony przemawia za ioh stosowaniem n a obecnym etapie rozwoju energetyki k r a j o w e j .
2. Projektowanie w i r n i k ó w granioznie w y tę żo ny ch
Podawane w p o d r ę o zn ik ao h we nt y l a t o r o w y c h [i] , [3] , [l0] , [i8] me to dy w y tr zy ma ło śc io wy ch obli oz eń kó ł wi rn i k o w y c h ch ar akteryzują się dużym st op
ni em uproszczenia, w związku z czym w y ni ki są przybliżone [7]. Wz ro st pa
rametrów, przede w s z y s t k i m m o c y jednostkowych (do 6 Mtf) i prędkości ob wo
dowych.' (ponad 150 m/s), spowodował, że went yl at or y stały się naszynamigra
ni oz ni e wytężonymi, do bu dowy k t ó r y c h trzeba stosować wyso ko wy tr zy ma łe two
rzywa, Konieczne jest także uśoiślenie meto d obliozeniowyoh, w y n i k i kt ó- r y oh w e ry fi ku je się doświadczalnie, np. tensometryoznie.
Ko mp ut e r y z a c j a obliczeń, ze wz gl ęd u n a szybkość działań, umożliwia za
stosowanie n o w y o h meto d obliozeniowyoh. Do t a k i c h meto d należą: metoda róż
n i c s k o ń oz on yo h oraz m e t o d a elementów sk oń cz on yc h [20J ,po zw alaJąoa n a o- b liczenie tr ójwymiarowego stanu naprężeń. Me to dą tą, opracowaną dl a te ch
niki, lotó w kosmioznyoh, ob licza się m.in. kons tr uk cj e budowlane [l9j. V ZSRR zastosowano ją już z po wo dz en ie m do oblioz an ia ło pa te k we nt yl a t o r ó w promie ni ow yc h [12], obliozająo jednak tarcze oa łk ow an ie m numeryoznym. P o nadto opublikowano pr og ra m oblicz an ia dowo ln yc h tarcz osiowo-symetrycznych metodą "siatkową" [15] oraz ł o pa te k w e n t y l a t o r a promieniowego me todą o p e ra torową £5] . R k r a j u także pracuje się n a d me todami obliozeń w y tr zy ma ło
ściowych [8] , £9] •
3. D y na mi ka praoy d u ż y o h ma s z y n
Wentylatory, podobnie jak inne maszyny, ma ją określony dopuszczalny po
ziom dr g a ń elem en tó w [2h] , powyżej kt ór eg o ich praoa może się stać doku- ozliwa a nawet n i e b e z pi eo zn a dl a otoczenia. Zagadnienie to n i e stanowiło problemu nawet dla średnio w y t ę ż o n y c h wentylatorów. O spokojnej praoy n a ogół deoydo wa ło w ł a ś ci we wy ró wn ow aż en ie wentylatora.
Inaczej w w e n t y l a t o r a c h w y t ę ż o n y c h granioznie zarówno pod w z g l ę d e m w y trzymałościowym, jak i termicznym. Mimo właśoiwego wy ró wn ow aż en ia w e n t y lator może mi eć skłonncść do dr ga ń w s k u t e k ni e w ł a śc iw yc h rozwiązań k o n stru kc yj ny ch lub technologicznych. Do pr oj ektowania granioznie w y tę żo ny oh w e nt yl a t o r ó w ko ni eo zn y jest sposób pode jś oi a podobny jak dla turbin. K a ż dy element, kp żd e połączenie powinny b y ć przemyślane i zaprojektowane tak, by za pewnić jednoznaozność po ło że ni a w czasie roferuohu, pracy ozy przy za
104 J. Łapa
trzymaniu. Ni ew ła śc iw a technologia (np. spawania) mo że być powodem odkształ
ceń, a następnie utraty wy ró wn ow aż en ia wirnika. Badania wy ka za ły [4], że pospawainioze napręż en ia w e wn ęt rz ne w tarczy w i r n i k a m o g ą osiągnąć wartość równ ą granioy plastyczności. W i r n i k taki mo że się oczywiśoie podczas p r a cy odkształcić.
Odkształcenia sprężyste tarczy wirnikowej pracującej przy prędkości o- brotowej 170 m/s. są rzędu dzie si ęt ny ch milimetra; niewłaściwe połączenie takiej tarczy z w a ł e m może spowodować przemieszczenie osi wirnika, utratę ws pó ło si ow oś ci z w a ł e m i wyrównoważenia.
M a ł a sztywność po dp ór łożyskowych powoduje obniżenie rezonansowej pręd
kośc i obrotowej wału, w skrajnym przypadku do prędkości roboczej.
bobór w a ł u z zapasem 20$ w stosunku do ob rotów rezonansowych, w y s t a r czający d i a mn ie js zy ch wentylat or ów ,j es t tu nie do pr zyjęcia.Nawet 35$ za
pasu mo że okazać się za mało. W p e wn yc h pr zy pa dk ac h wi r n i k mo ż n a uk ształ
tować jako pudło rezonansowe o częstotliwości rezonansowej zbliżonej do roboczej. Pomimo dobrego w y r ó wn ow aż en ia i właści we go zapasu do obliczenio
w y c h obrotów rezona ns ow yc h wału, układ będzie miał skłonność do drgań i czę
sto pracował niespokojnie. Dlatego zaczyna się stosować doświadczalne w y znaczanie ch ar akterystyk cz ęs to tliwościowych mo deli całego zespołu w i r u jącego n a st ołach wibracyjnych.
I s t o tn ym zagadnieniem są odkształcenia termiczne, zdarzające się w w e n tylatorach t ł oo zą oy oh czynniki o w y s o k i c h temperaturach, szybkozmiennych, ozęsto za tr zymywanych i uruchamianych. We nt yl at or y pracujące dobrze w n i skich temperaturach ( < 4 p 0 K), nierzadko pracują źle, tłocząc gorące cz yn
niki o temperaturach powyżej 600 K. Szczególnie ostrożnie należy wt ed y roz
w a ż a ć możliwość stosowania w a ł ó w rurowych.
Dla d u ży ch w e n t y l a t o r ó w istotna jest także k o nf ig ur ac ja pr ze wodów,mię
dzy któr e we nt yl at or jest wbudowany. W niekor zy st ny m przypadku może ona stworzyć rezonator, sprzyjający dr ganiom układu we nt y l a t o r - p r z e w o d y .
Podsumowując powyższe rozważania, dla zapewnienia spokojnej i bezp ie cz
nej pracy wy so ko wy tę żo ne go wentylatora, n a le ży spełnić następująoe w y m a gania :
a) dobre i pewne fundamentowanie,
b) wy st arczająco sztywne po dpory łożyskowe,
c) połączenie w i rn ik a z w a ł e m zapewniające współo ai ow oś ć przy zmiennych pr ęd kościach obrotowyoh i temperaturach,
d) rzeczywista odległość częstotliwości roboczej od rezonansowej wa łu oraz w i r n i k a powinna wy no si ć oo najmniej 15$, a obliozeniowa 40$,
e) technologia zespołu wi ru ją oe go powinna zapewniać niezmienność wy miarów w i rn ik a w ozasie, aby wy zw al an ie się na pr ęż eń wewn ęt rz ny ch nie p o wo do
w a ło odkształcania w i r n i k a i przemieszczania środka masy,
f) kons tr uk cj a w i r n i k a powinna b y ć ni ew ra żl iw a n a zmiany termiczne, g) k o ł o wirnikowe powinno b y ć maksymalnie odpornie n a ścieranie py łe m za
w a r t y m w tłoczonym ozynriiku. Szozególnie n i e zaleca się stosowania ł o
Vybrane zagadnienia dużyoh wentylatorów kotłowych m
p a t e k p r of il ow an yc h z pu st ym wnętrzem, do kt ór eg o mo że dostawać się pył, po wo do wa ć u t ra tę wy równoważenia, a w sk rajnym przypadku zniszczenie w i r nika.
¥ oelu zapo bi eg an ia ciężkim aw ar io m wp r o w a d z a się urządzenia nadzorują
ce p r a o ę d u ż y c h we n t y l a t o r ó w [i 3]. W i e l ko śc ia mi m i e r z o n y m i ,■ewentualnie re
jestrowanymi, śą dr g a n i a (łożysk) oraz prze mi es zc ze ni a wału ,s yg na li zu ją ce uszkodzenie łożyska. Koszt u r zą dz en ia monito ru ją ce go te wiel ko śc i dla 4 w e n t y l a t o r ó w w y n o s i ł w 1977 roku ok. 9000 dolarów; w y d a t e k ten rekompenso
wa n y jest w c z e ś n i e j s z ą sy gn alizacją n i e s p r aw no śc i oraz m i n i m a li za oj ą k o sztów napraw.
U n ie ża le żn ie ni e się od w p ł y w u w y s o k i e j temperatur przy zatrzymywaniaoh i ro zr u c h a c h daje zastosowanie obra ca re k wirnika, w p r o w a d z a n y c h d l a dużych w e n t y l a t o r ó w [2] . Dz ię ki n i m unik a się odkształcali te rm ic zn yc h wa ł ó w , a p o nown y ro z r u c h p r ze bi eg a łatwiej i b e z drgać. Obraoarki wy po sa żo ne są w sp rzęgła odłączające; m o c siln ik ów wy n o s i ok. 35 k W przy ro zr uo hu ze st a
nu zatrzymanego, a tylko 8 k V przy podjęciu ob ra oa ni a z wy bi eg u wirnika.
k. Wn io sk i ko ńc ow e
1. D l a d u ż y o h b l ok ów en er ge ty oz ny oh kotłowe we nt y l a t o r y osiowe rozpowszeob- n i a j ą s i ę powoli.
2. V oelu zwię ks ze ni a do kł ad no śc i obliczeń w p ro wa dz a się n o w e komputerowe m e t o d y o b l i oz eń wy t r z y m a ł o ś o i o w y o h w i r n i k ó w o dokładności ok. 3$.
3. Szczególnego znac ze ni a nabierająldla du ży oh we nt yl a t o r ó w zjawiska d r g a ni o w e , w y m a g a j ą o e sp eo ja ln yo h meto d projektowania, zabudowy i eksploa- taoji wentylatorów.
L I TE RA TU RA
[1] B a o k 0.: Ventilatoren. V E B ¥.Knapp. Ha ll e 1955.
Q2] B u ss el J.G. , Collins T . J . : Tu rning ge ar d e s i g n f o r ho t-gas fan. P o w e r Engineering. 1977. K r 5, S. 56-58.
[3] E o k B . : Ventilatoren. So ringer Verlag- 1972.
[¡tj Gi nalski J. , Ro li ńs ki Z., Skibiński T. : B a da ni a n a p r ęż eń w ł a s n y c h i.w el em en ta ch cienkościennyoh. Pr zegląd Meohasiezny. 1978. N r 9, s.5-9.
[5] G o rł ys zk in V . T . , Mo r p i o z u k I . F . ! Rasozot pr of il ir ow an yc h treobsłoj- n y c h ł o pa to k oe nt ro bi eż ny eh wentilatorow. P r o b l . P r o o z n o s t u .197fr.Nr 12, z.77-80,
[ój H e ns sl er H. : Ne ue Eacialventilatoren ohne instabilen Botriebsbereioh.
VG B- Kraftwerkteohnik. 1977. Nr 3, 159-165.
[7] Kopczy ńs ki R.: Ooeua wa rt oś oi ob li oz eń wy tr zy ma ło śo io wy oh wi r n i k a wari.
prom. w y k o n a n y c h met. uproszez. Biul.Branż. * K 1i ma we nt“ 1978. N r 2.
[8l K o s m a n G .: Metody wytrzymałościowych obliozeń wirników wentylatorów promieniowych. Zeaz.Nauk. Pol.Śl. Energetyka 1971. Z. ^O, a. 8 0 -1 0 0 .
106 J . Łapa
f9] K o s m a n G . , Wajspry.ofa A . : Do b ó r w y b r a n y c h ce oh kons tr uk cy jn yc h w i r n i k ó w w e n t y l a t o r ó w promieniowych. Z.N. Pol. Śl. Energetyka z. 5 6, s.í*3- 57.
[10] Lewi n X . M . , B o tk ao zi k I.A.: Dy mososy i went il at or y mo sz cz ny ch elek- trostanoji. G o s e n e r g o i z d a t . 1962.
[11] Ł a p a J.: Te nd en cj e rozwojowe ko tł o w y c h we n t y l a t o r ó w spalin i powi e
trza. Referat n a I Ko nf er en cj ę "Wentylatory przemysł." Wisł a 11.197*1 [12] Mi sz li n B.I. : Rasozot statiozeskoj na priaZennosti raboczich koleś CKM
Energomaszinostrojenie. 1978. N r 3 t s. 1-3.
[13] Mitchell J. S. : Monitoring Maohinery H e a l t h (cykl ¡ł artykułów) . P ow er.
1977. N r 3,5,6,8.
[l*ł] Ol esen P.: D e si gn and operation of axial fl ow fans. Combustion. 1977.
Nr 7, s. 26-2 8.
[15] Pa k M. : Ein Re ch en pr og ra mm zur Fe st ig keitsberechnung rotationssymetri- scher Scheiben beliebeig ve rä nd er li ch er Dicke mit Hilfe des Gi t t e r r ostverfahrens. Konstruktion. 1976. Nr 10, s. 386-390.
[16] Radwański J. : Zastosowanie automatycznego przelicznika charakterystyk we nt yl a t o r ó w w ba da n i a c h m o de lo wy ch we nt yl a t o r ó w przemysłowych. Ref.
n a Giełdzie Post.Teohn. Ka towice 1976.
[17] Ro ge rs J . D . , Gilkey C . H . : A summary of experiences w i t h fa n induced du c k vibrations on fossil fueled boilers. Combustion. 1975. Nr 12,s.
29-32.
[18] Sołomachowa T.S.: Ce nt ro b i e ż n y je wentilatory. Ma sz i n o s t r o jenie. 1975.
[19] Szmelter J. , Dacko M. i inni: Pr ogramy metody elementów skończonych.
Arkady, W a r s z a w a 1973.
[20] Zienkiewioz O.C.: Metody elementów skończonyoh. Arkady .Warszawa 1972.
[21] Annual Plant De si gn Report 1976. Power. 1976. Nr 11. s.2.
[22] An nu al Plant Deśjign Report 1977. Power. 1977. Nr 11, s. 2-20.
[23] Bloki 6OO MW Le Havr e i Poroheville. Nowa T e ch ni ka w Energ. Zagrań.
I9 7 2. N r 1.
[2*1] VD I-Richtlinie 2056 Be ur toilungsmasstäbe fur mechanische Scfawingun-»
g e n vo n Masohinen. 1964.
HEK0T0PNE I1P0EJIEMH E0JIH11HX KOIEJIbHŁCC BEHTHJlflT0P03
P e 3 » u e
0 6 c y n e a u H a n p a B n e H H H p& 3b h t h a KOieJ i B H hi x b6h t h j i h t o p o b, H O B H e M e i O f l H p a c - v ë i a p a ß o ^ H X KOJiëc h n p o Ö J i e M H , ą n H a M H K H p a ß o T u , o c o ß e H K O ABJ i e Hh h B M ß p a u H H .
SELECTED PR OB LE MS OF LA RG E B O IL ER FANS S u m m a r y
Th e paper discusses the trends of development of bo il er fans, n e w fan rotors designing me thods and working dynamics od large fans, paying sp e
cial a t te nt io n to vi br a t i o n problems.
