Введение к работе
Актуальность работы.
Современное энергетическое оборудование с поперечным обтеканием пучков труб потоком жидкости или газа (например, потоком теплоносителя в парогенераторах (ПГ) и теплообмен-ных аппаратах (ТА) различного назначения) характеризуется повышающейся интенсивностью рабочих процессов последовательно от одной модификации установки к следующей при одновременном снижении относительной металлоемкости конструкции системы. Это приводит к повышению энергонапряженности элементов конструкций. Поэтому, все более актуальной становится проблема обеспечения их вибрационной прочности и вибрационной надежности, а также заданного ресурса. Согласно данным статистики, до 30% остановок энергетических блоков происходит в мире вследствие поломок оборудования теплообменных аппаратов различного назначения, которые обусловлены как интенсивными вибрациями теплообменных труб и их сборок (как трубных пучков, так и иных наиболее нагруженных элементов), так и сопутствующим виброизносом. Причиной вибраций является значительное силовое воздействие поперечного потока жидкого или газообразного теплоносителя.
Чрезмерный уровень вибрации труб приводит к повреждениям последних из-за трещин и течи в районе их заделки в трубных досках, или вследствие истирания труб в дистанцирующих решетках. Поэтому исследование вибраций труб стало неотъемлемой частью проектирования парогенераторов АЭС и других ТА, включая ТА транспортного назначения. Проектирование ТА, удовлетворяющее требованиям надежности, невозможно без учета динамических нагрузок и вызываемых ими динамических перемещений и напряжений. В практике проектирования ТА существуют многие проблемы, относящиеся к пониманию и моделированию взаимодействия потока и труб, сложности структуры их обтекания, что в общем не всегда позволяет получить точные данные как о возбуждающих гидродинамических силах и их распределении, так и о гидродинамическом демпфировании и его видоизменениях. Значительные сложности в расчет динамики труб с учетом приведенных выше аспектов вносит наличие зазоров в дистанционирующих решетках (или трубных перегородках).
В связи с вышесказанным, в настоящее время актуальной становится задача создания математических моделей и программных средств, позволяющих автоматизировать процессы моделирования и анализа гидродинамически возбуждаемых вибраций трубных пучков. Математические модели описания нагрузок могут быть построены с учетом накопленных за многие годы исследований экспериментальных данных, представленных в литературе авторами М.И Ачямовскими, СИ. Девншюм (ЦНИИ АН. Крылова); Ю.Н. Чженем и Р.Д. Блевинсом (Иследовательиый г/ентр в Сан-Диего, США); С.С. Че/юм (Аргопиская лаборатория, США); СМ. Каплуиоеьш и Т.Н. Фесенко (ИМАШ РАН); B.C. Федотовским (ФЭИ Обнинск); Л.В. Смирновым (ИНГУ, НЖМЕХ, Н. Новгород); X. Танакой (Мицубиси-центр, Япония); М. Пайдуссисом и Д. Уиєером (Канада, Монреаль), Ф. Ассизой и Ж. Антунешем (Центр Сакле, Франция) и др.
Целью настоящей работы является разработка методики выбора оптимальных конструкционных параметров прямотрубных теплообменных аппаратов при их комбинированном характере нагружения с учетом виброизноса и усталостной прочности труб.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: - Создание модифицированной математической модели, применимой для прогнозирования
или определения отклика элементов ячейки или фрагментов трубного пучка при воздействии на него совместного вихревого и гидроупругого механизмов возбуждения с учетом промежуточных опор, поставленных с зазорами относительно трубных элементов (наличие зазоров — необходимое условие реализации сборки конструкции).
Разработка программы, позволяющей исследовать динамику многокомпонентных гидроупругих систем в поперечном потоке жидкости с учетом их реального дистанционирования и его условий (зазоры, их распределение и т.д.).
Многомерная оптимизация конструкционных параметров с точки зрения разработанных параметров качества процесса для исследуемой конструкции.
Разработка основ методики нахождения и использования компромиссных областей при выборе оптимальных конструкционных параметров (или их комбинаций) конструкций ТА.
Исследуемый диссертантом объект — прямотрубные пучки теплообменных аппаратов, подвергающиеся воздействию поперечного потока теплоносителя.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложен модифицированный алгоритм решения и программа, его реализующая, для решения вынужденных колебаний трубного пучка в поперечном потоке теплоносителя с учетом влияния зазоров в промежуточных опорах. Данный алгоритм модифицирован на основе многочисленных экспериментальных и теоретических исследований. С использованием этого алгоритма предложена методика решения многопараметрической задачи поиска оптимальных сочетаний параметров качества процесса трубного пучка с учетом характерных величин, влияющих на его вибропрочность.
Практическая ценность работы.
Представленная математическая модель линейных и нелинейных колебаний трубных пучков под действием поперечного потока жидкости и программа, ее реализующая, учитывают силу инерции, вызванную движением труб в жидкости, гидроупругую связь между ними и действие на них вихревого механизма возбуждения, а также основные параметры контакта труб в зазорах с дистанционирующими опорами.
Математическая модель позволяет:
проводить достаточно оперативную оценку характерных параметров сложных амплитудно-частотных характеристик пучка труб (особенно для нелинейных систем);
выявлять для исследуемых процессов и различных типов трубных систем (с различными количествами опор, зазорами и величинами пролетов между ними) важные для проектирования, эксплуатации и прогнозирования ресурса параметры (пути скольжения, контактные нагрузки, параметры зон контакта и т.д.);
проводить анализ частотного спектра отклика трубного пучка;
реализовать учет влияния технологического разброса величин зазоров на динамические характеристики конструкции.
Предложенная методика исследования позволяет найти некоторую компромиссную область конструкционных параметров в соответствии с параметрами качества процесса нагружения отклика, и тем самым повысить долговечность конструкции на стадии проектирования вновь создаваемых ТА, а также оперативно получить рекомендации по продлению ресурса конструкции.
Положения выносимые на защиту:
-
Модернизация математической модели вынужденных колебаний трубного пучка в поперечном потоке теплоносителя с учетом динамического взаимодействия труб и дистанционирую-щих решеток (на основании проведенных в ИМАШ РАН теоретических и экспериментальных исследований).
-
Разработка программы для реализации алгоритма решения выбранной математической модели.
-
Анализ динамических и конструкционных параметров трубных пучков, существенно влияющих на их вибропрочность и износ в промежуточных опорах.
-
Определяющие параметры качества процесса для данного класса конструкций.
-
Разработка методики поиска допустимо-приемлемых (компромиссных) областей значений конструкционных параметров с точки зрения реализации конструкции с повышенной вибропрочностью и виброизносостойкостью.
Апробация. Материалы диссертации были представлены и обсуждались на:
Всероссийском семинаре «Динамика конструкций гидроупругих систем». 16-17 апреля 2008г. ИМАШ РАН. Москва. Доклад: - «Нелинейные колебания трубных пучков при поперечном обтекании потоком теплоносителя»;
Научно-технической конференции «Трибология-Машиностроению», посвященной 70-летию ИМАШ РАН. 1-2 октября 2008г., Москва. Доклад: « Оптимизация конструкций трубных пучков с учетом их виброизноса в опорах»;
Пятой Российской конференции «Методы и программное обеспечение расчетов.на прочность». 6-11 октября 2008 г., Геленджик, Краснодарский край. Доклад: « Методика расчета нелинейных колебаний многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости»;
6-м межотраслевом семинаре «Прочность и надежность оборудования» Звенигород, Московская обл. Ноябрь 2009г. Доклад: «Рациональный выбор конструкционных параметров прямотрубных теплообменных аппаратов повышенной вибропрочности»;
Научно техническом совете: секция «Материаловедение, коррозия и прочность» отдела целостности конструкций объектов атомной техники ОАО «НИКИЭТ», декабрь 2009г.;
Победитель конкурса имени Н.А. Доллежаля в номинации «Лучшая научно-исследовательская работа» за работу «Рациональный выбор конструкционных параметров прямотрубных тепло-обменных аппаратов повышенной вибропрочности». ОАО «НИКИЭТ», сентябрь 2010г.,
и др конференциях в период с 2006 по 2011 год.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 9 научных публикациях, из которых 5 — в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для опубликования результатов исследований диссертационных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 207 страницах, включая приложения на 55 листах, 102 рисунка и 12 таблиц. Список литературы включает 63 источника.
