Jakie sprężyny stosuje się przy zawieszeniach kotłów w elektrowniach?

W zawieszeniach kotłów energetycznych stosuje się przede wszystkim układy sprężyste oparte na sprężynach śrubowych naciskowych, pracujące jako podpory lub wieszaki o zmiennej albo niemal stałej sile podparcia. Ich zadaniem jest przenoszenie ciężaru elementów kotła przy jednoczesnym umożliwieniu kontrolowanych przemieszczeń wywołanych rozszerzalnością cieplną. W wybranych mechanizmach pomocniczych mogą występować również sprężyny talerzowe, jednak nie należy traktować ich jako bezpośredniego zamiennika typowej sprężyny śrubowej w wieszaku. Sprawdź, czym różnią się rozwiązania stosowane w instalacjach energetycznych i jakie parametry decydują o doborze sprężyny.

Jakie rodzaje sprężyn wykorzystuje się w zawieszeniach kotłów?

W układach zawieszenia kotłów i instalacji wysokotemperaturowych podstawowym elementem sprężystym jest sprężyna śrubowa naciskowa, pracująca w zawieszeniu o zmiennej lub stałej sile podparcia. Sprężyny talerzowe stosuje się natomiast przede wszystkim tam, gdzie potrzebna jest duża siła przy niewielkim skoku i ograniczonej przestrzeni montażowej. Kocioł energetyczny podczas przechodzenia ze stanu zimnego do roboczego zmienia swoje wymiary na skutek rozszerzalności cieplnej. Sztywne zamocowanie elementu podlegającego takiemu przemieszczeniu mogłoby powodować wzrost sił reakcji w konstrukcji i instalacjach współpracujących. Właściwie dobrany element sprężysty przejmuje obciążenie, a jednocześnie umożliwia ruch w zaprojektowanym zakresie. Z tego powodu dobór nie może sprowadzać się wyłącznie do średnicy drutu lub gabarytu sprężyny. W instalacjach energetycznych można rozróżnić przede wszystkim:

sprężyny śrubowe naciskowe – pracują poprzez ściskanie i stanowią podstawowy element wielu zawieszeń sprężynowych; ich siła zmienia się wraz z ugięciem zgodnie z charakterystyką sprężyny;
zawieszenia o zmiennej sile podparcia – wykorzystują sprężynę, której reakcja rośnie lub maleje podczas pionowego przemieszczania podwieszonego elementu; stosuje się je tam, gdzie dopuszczalna jest określona zmiana obciążenia;
zawieszenia o stałej sile podparcia – mechanizm kompensuje zmianę siły sprężyny, dzięki czemu reakcja podparcia pozostaje zbliżona w całym zakresie ruchu; rozwiązanie jest przydatne przy większych przemieszczeniach lub małej dopuszczalnej zmianie obciążenia;
sprężyny talerzowe – umożliwiają uzyskanie znacznych sił przy małej przestrzeni osiowej, a przez odpowiednie zestawianie talerzy można modyfikować siłę oraz skok całego pakietu.

Rodzaj sprężyny wynika więc z charakteru ruchu cieplnego i wymaganej charakterystyki podporowej. Sama wysoka nośność elementu nie wystarcza, jeżeli jego ugięcie robocze lub zmiana siły przy przemieszczeniu nie odpowiada parametrom konstrukcji.

Dlaczego zawieszenie kotła musi kompensować rozszerzalność cieplną?

Zawieszenie kotła musi umożliwiać przewidziane przemieszczenia cieplne, ponieważ elementy stalowe zwiększają swoje wymiary po rozgrzaniu do temperatury roboczej. Sprężyna przenosi obciążenie pionowe bez całkowitego blokowania ruchu konstrukcji. W przypadku elementu o długości 10 m nawet odkształcenie cieplne rzędu 0,5% oznacza zmianę wymiaru o około 50 mm. W rzeczywistym układzie wartość przemieszczenia wynika z geometrii, temperatury i materiału, dlatego musi być określona projektowo, a nie przyjęta jako uniwersalna wartość.

Zawieszenia o zmiennej charakterystyce wykorzystują zależność między ugięciem sprężyny a rozwijaną przez nią siłą. Podczas przemieszczania konstrukcji z położenia „zimnego” do „gorącego” zmienia się ugięcie, a razem z nim reakcja podpory. Jeżeli taka zmiana byłaby zbyt duża dla instalacji, stosuje się mechanizmy stałosiłowe, których konstrukcja ogranicza zmianę siły podparcia podczas ruchu. Dobór zawieszenia wymaga więc znajomości zarówno obciążenia roboczego, jak i przewidywanej drogi pionowego przemieszczenia.

Jak dobiera się sprężynę do zawieszenia w instalacji energetycznej?

Sprężynę do układu zawieszenia dobiera się na podstawie obciążenia, wymaganego skoku oraz charakterystyki siła–ugięcie. Trzeba również uwzględnić warunki temperaturowe, trwałość zmęczeniową i dostępną przestrzeń montażową. Współczynnik sprężystości określa, jak bardzo zmienia się siła sprężyny przy jednostkowej zmianie jej ugięcia. Zbyt sztywny element może generować nadmierną zmianę reakcji podczas ruchu cieplnego, natomiast zbyt miękki może wymagać nadmiernego skoku. Przy specyfikowaniu sprężyny należy określić przede wszystkim:

obciążenie w stanie montażowym,
obciążenie w stanie roboczym,
wymagany skok,
sztywność sprężyny,
kierunek pracy,
przewidywaną liczbę cykli,
warunki środowiskowe.

Znajomość tych danych umożliwia określenie geometrii i materiału sprężyny znacznie precyzyjniej niż dobór wyłącznie według obciążenia maksymalnego. W przypadku sprężyn naciskowych parametrami konstrukcyjnymi są m.in. średnica drutu, średnica zewnętrzna i wewnętrzna oraz długość swobodna.

Gdzie w instalacjach energetycznych mogą znaleźć zastosowanie sprężyny talerzowe?

Sprężyny talerzowe są przydatne w mechanizmach wymagających dużej siły osiowej przy niewielkim ugięciu i ograniczonej przestrzeni zabudowy. Nie są jednak standardowym zamiennikiem sprężyny śrubowej stosowanej w klasycznym wieszaku o większym zakresie przemieszczenia. Pojedyncze talerze można zestawiać szeregowo, równolegle albo w układach mieszanych, dzięki czemu zmienia się charakterystyka siłowo-przemieszczeniowa pakietu. W WIMET wykonujemy sprężyny talerzowe między innymi ze stali 51CrV4 i gatunku 65; jako producent sprężyn talerzowych możemy przygotowywać elementy przeznaczone do rozwiązań przemysłowych wymagających określonej geometrii i charakterystyki pracy. Nasze sprężyny talerzowe wykorzystuje się do uzyskiwania dużych sił w stosunkowo niewielkiej przestrzeni, a zestawianie kilku elementów umożliwia zmianę dostępnego skoku i siły.

Materiał sprężyny a trwałość zawieszenia kotłowego

Materiał sprężyny powinien zachowywać wymagane właściwości mechaniczne przez przewidzianą liczbę cykli obciążenia i w warunkach określonych dla miejsca montażu. W energetyce trzeba rozpatrywać nie tylko obciążenie statyczne, lecz także wielokrotne przejścia instalacji pomiędzy stanem zimnym i roboczym. W WIMET sprężyny naciskowe wykonujemy m.in. z drutów 51CrV4, EN 10270 SH i EN 10270 SM, a także z wybranych gatunków stali odpornych na korozję. Parametry materiałowe muszą być zestawione z geometrią sprężyny i wymaganym zakresem ugięcia, ponieważ przekroczenie dopuszczalnych naprężeń przy powtarzalnych cyklach może prowadzić do utraty charakterystyki lub uszkodzenia elementu. W instalacji przemysłowej sprężynę należy więc dobierać jako element konkretnego układu mechanicznego, a nie wyłącznie według średnicy i długości.

Potrzebujesz sprężyn technicznych wykonanych pod określone parametry konstrukcji lub urządzenia? W WIMET produkujemy między innymi sprężyny naciskowe i talerzowe oraz realizujemy zamówienia jednostkowe i hurtowe. Skontaktuj się z nami i przedstaw wymagania dotyczące wymiarów, materiału oraz charakterystyki elementu.

Najważniejsze informacje: sprężyny w układach zawieszenia kotłów energetycznych

Zawieszenia sprężynowe kotłów i instalacji wysokotemperaturowych przejmują ciężar elementów przy zachowaniu możliwości pionowego ruchu wynikającego z rozszerzalności cieplnej.
Sprężyny śrubowe naciskowe są podstawowym elementem sprężystym stosowanym w wielu zawieszeniach o zmiennej charakterystyce podporowej.
Mechanizmy stałosiłowe ograniczają zmianę reakcji podpory podczas przemieszczania elementu i są stosowane wtedy, gdy układ wymaga stabilniejszej siły podparcia.
Dobór sprężyny wymaga określenia obciążenia oraz przemieszczenia roboczego, a także charakterystyki siła–ugięcie i warunków eksploatacyjnych.
Sprężyny talerzowe wykorzystuje się przede wszystkim w miejscach wymagających dużych sił osiowych przy relatywnie niewielkiej przestrzeni i krótszym skoku.
Trwałość elementu sprężystego zależy od zgodności materiału i geometrii z poziomem naprężeń oraz liczbą przewidywanych cykli pracy.

FAQ

Czym różni się zawieszenie stałosiłowe od zmiennosiłowego?

W zawieszeniu zmiennosiłowym reakcja sprężyny zmienia się wraz z jej ugięciem. Zawieszenie stałosiłowe wykorzystuje dodatkowy mechanizm równoważący zmianę charakterystyki sprężyny, dzięki czemu siła podparcia pozostaje zbliżona podczas pionowego ruchu elementu.

Czy zwykła sprężyna naciskowa może pracować przy kotle energetycznym?

Sprężyna naciskowa może stanowić element zaprojektowanego zawieszenia, ale jej zastosowanie wymaga obliczenia obciążenia, ugięcia i warunków eksploatacji. Nie należy zastępować elementu zawieszenia dowolną sprężyną o zbliżonych wymiarach bez sprawdzenia jej charakterystyki mechanicznej.

Co oznacza stan „zimny” i „gorący” zawieszenia sprężynowego?

Stan „zimny” opisuje położenie instalacji przed osiągnięciem temperatury roboczej, natomiast stan „gorący” odpowiada konfiguracji po jej nagrzaniu i wynikającym z tego przemieszczeniu cieplnym. Sprężyna może mieć inne ugięcie i siłę w obu położeniach, szczególnie w zawieszeniu zmiennosiłowym.

Czy sprężyny talerzowe można łączyć w pakiety?

Tak. Sprężyny talerzowe mogą tworzyć pakiety o różnych konfiguracjach, dzięki czemu można zmieniać uzyskiwaną siłę oraz zakres ugięcia całego układu.

Dlaczego nie można dobierać sprężyny tylko według maksymalnego obciążenia?

Maksymalne obciążenie nie opisuje zachowania elementu podczas całego ruchu roboczego. Dobór wymaga również określenia skoku oraz sztywności, ponieważ dwa elementy zdolne do przeniesienia podobnej siły mogą mieć zupełnie inną charakterystykę siła–ugięcie.