Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР РАБОТ ПО ВИБРАЦИИ ТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 8
1.1. Конструкция теплообменного аппарата и характерные вибрационные разрушения теплообменных труб 8
1.2. Причины вибрации труб теплообменных аппаратов 14
1.3. Экспериментальные исследования вибрации труб теплообменных аппаратов 20
1.4. Теоретические методы исследования колебаний труб теплообменных аппаратов 28
1.5. Задачи исследования 35
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВИБРАЦИЙ ТРУБНЫХ СИСТЕМ 37
2.1. Выбор параметров исследований 37
2.2. Описание экспериментальных стендов 38
2.2.1. Описание однопролетного стенда и системы измерений 40
2.2.2. Описание двухпролетного стенда 44
2.2.3. Система измерений и приборы 48
2.2.4. Вихретоковый датчик 53
2.2.5. Экспериментальные установки для исследования изгибной жесткости труб и усталостной прочности вальцовочных соединений 58
2.3. Методика проведения опытов по вибрации трубных систем 66
2.4. Обработка результатов и оценка погрешности экспериментальных данных 68
Выводы 71
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРУБНЫХ
СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 72
3.1. Колебания трубных систем теплообменных аппаратов в условиях эксплуатации 72
3.2. Влияние геометрии профильных витых труб на статические и динамические характеристики 79
3.2.1. Статические характеристики профильных витых труб 80
3.2.2. Характеристики демпфирования и усталостной прочности профильных витых труб 86
3.3. Влияние геометрических размеров промежуточной перегородки на вибрационные характеристики трубных систем 97
3.3.1. Однопролетная гладкотрубная система 97
3.3.2. Двухпролетная гладкотрубная система 103
3.3.3. Двухпролетная система с профильной витой трубой 120
3.4. Выводы 132
4. ВИБРАЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 134
4.1. Выбор расчетной схемы. Расчет упругожесткостных характеристик промежуточной опоры 134
4.2. Определение амплитуд перемещений трубной системы в резонансной зоне 141
4.3. Выводы 147
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 149
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 152
ПРИЛОЖЕНИЕ 162
- Конструкция теплообменного аппарата и характерные вибрационные разрушения теплообменных труб
- Описание экспериментальных стендов
- Колебания трубных систем теплообменных аппаратов в условиях эксплуатации
- Выбор расчетной схемы. Расчет упругожесткостных характеристик промежуточной опоры
Введение к работе
Развитие современного энергетического машиностроения идет по пути увеличения единичной мощности турбоагрегатов с одновременной интенсификацией технологических процессов, связанных с выработкой электрической и тепловой энергии. В связи с этим при эксплуатации турбоустановок происходит существенное увеличение напряжений, возникающих в отдельных узлах и элементах энергооборудования. При этом требования к надежности длительного функционирования всей турбоустановки в целом и отдельных ее элементов постоянно растут.
Известные в настоящее время результаты исследований по вопросам повышения надежности энергетического оборудования посвящены основному оборудованию (реакторам, парогенераторам, турбинам) /I/ и мало затрагивают вспомогательное оборудование, например, теплообменные аппараты (ТА) турбоустановок /2/. Однако, анализ повреждений ТА паротурбинных установок показывает /3,4/, что около 25% повреждений теплообменников связано с вибрацией трубных пучков, а для вертикальных сетевых подогревателей эта цифра достигает 70% /З/. В связи с этим несомненна актуальность исследований, направленных на изучение вибрационного состояния трубных систем ТА. В докладе академика И.Ф.Образцова на Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике в мае 1980г. в Алма-Ате отмечалось, что повышенные требования к надежности и безопасности эксплуатации электрических станций ставят проблему изучения динамических процессов, в частности, вибраций трубных пучков ТА, в ряд наиболее актуальных проблем /5/.
Данная работа посвящена исследованию вибрационных характеристик теплообменной трубы, представляющей собой наиболее общий случай многопролетной балки с равномерно распределенной массой, защемленной по концам и имеющей несколько промежуточных опор с зазором. В качестве объекта исследования рассматриваются как гладкотрубные системы, так и системы с профильными витыми трубами, применение которых в ТА является весьма перспективным с позиции их тепловой эффективности /6/. Актуальность данной работы определяется необходимостью получения обоснованных данных для проведения вибрационных расчетов трубных систем ТА с учетом всех реально влияющих факторов. Народнохозяйственное значение подобных исследований заключается в возможности применения полученных результатов при разработке усовершенствованных конструкций аппаратов с высокой вибрационной надежностью.
Данная работа является частью исследований, проводимых кафедрами турбиностроения и строительной механики Уральского политехнического института им. С.М.Кирова, направленных на повышение надежности и эффективности работы ТА турбоустановок. Целью работы является проведение исследований, связанных с изучением характера взаимодействия гладких и профильных витых труб с промежуточными перегородками ТА в условиях, приближающихся к реальным. На основе экспериментальных исследований предполагается разработать методику вибрационных расчетов трубных систем ТА с гладкими и профильными трубами.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.
В первой главе дается краткий обзор работ, связанных с исследованием природы механизма возбуждения колебаний труб теплообменников в потоке теплоносителя. Приводится обзор экспериментальных и теретических исследований по изучению вибрационных характеристик труб теплообменниаов с учетом факторов, реально - б - влияющих на эти характеристики. Формулируются задачи исследования.
Во второй главе приводится описание стендов, на которых выполнялись экспериментальные исследования, описываются методики проведения лабораторных испытаний, дается оценка погрешности измерений.
Третья глава посвящена обработке и анализу полученных экспериментальных данных. На основании анализа опытных данных дается ряд практических рекомендаций, направленных на повышение надежности и долговечности трубных систем теплообменкых аппаратов.
В четвертой главе, на основе экспериментальных данных, полученных при колебаниях труб с зазорами в опорах, предлагается методика вибрационного расчета трубных систем ТА с гладкими и профильными витыми трубами.
В заключение даются основные выводы по работе и приводятся данные по проектированию трубных систем современных ТА.
Работа проводилась на кафедрах турбиностроения и строительной механики Уральского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института им. С.М.Кирова под руководством научного руководителя,заведующего кафедрой строительной механики, профессора, д.т.н. В.И.Климанова и научного консультанта, доцента, к.т.н. Ю.М.Бродова, которым автор выражает свою признательность за постоянное внимание и ценные советы.
Разработка системы измерений для экспериментального стенда, а также исследование параметров вибрации трубных систем в условиях эксплуатации осуществлялись совместно с инженером В.К.Купцовым. При разработке методики динамического расчета большую помощь оказал доцент, к.т.н. Л.Г.Лопатышкин. Этим товарищам автор выражает глубокую благодарность. - 7 -Диссертационная работа является частью комплексной темы, выполняемой кафедрами турбиностроения и строительной механики УПИ по координационному плану 0.01.01.06 HI3 Госкомитета по науке и технике при СМ СССР и в соответствии с план-заказом 14.0786.00 министерства энергетического машиностроения (этап 52.4 "Исследование влияния вибрации на теплообмен и показатели надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок ТЭС и АЭС и разработка рекомендаций по расчету вибрационных характеристик их трубных систем").
Конструкция теплообменного аппарата и характерные вибрационные разрушения теплообменных труб
Современный кожухотрубный теплообменный аппарат состоит из корпуса, представляющего собой, как правило, оболочку цилиндрического типа, и размещенного в нем пучка теплообменных труб. Трубный пучок (рис. I.I) представляет собой большой массив параллельно расположенных теплообменных труб I. Трубы на концах жестко закреплены в трубных досках 2 и 3 (рис. 1.2) при помощи вальцевания (см. рис. 1.2,6) с целью получения прочного и герметичного соединения. По длине теплообменных труб расположен ряд промежуточных перегородок 4, жестко закрепленных на каркасных трубах 5 трубного пучка (см. рис. I.I). Необходимо отметить, что общее количество теплообменных труб в современном теплообменнике доходит до нескольких тысяч штук, а их длина - до двенадцати метров. При этом количество промежуточных перегородок может доходить до 12 и более. Промежуточные перегородки - это перфорированные сегментные пластины, толщина которых в различных теплообменниках изменяется от 5 до 45 мм. Диаметры перфорированных отверстий в них превышают ; диаметр труб на 0,1+0,6 мм. Таким образом, трубы в промежуточных опорах (перегородках) проходят с зазором (см. рис. 1.2,в).
По условиям эксплуатации теплообменных аппаратов в межтрубное пространство пучка подается греющий пар, внутри труб протекает нагреваемый теплоноситель (конденсат или сетевая вода). Процесс теплообмена сопровождается конденсацией пара на теплообменных трубах, т.е. в зазорах между трубами и промежуточными перегородками всегда имеется наличие жидкости.
Описание экспериментальных стендов
Диапазоны изменения исследуемых параметров в экспериментах выбирались из следующих соображений. В различных эксплуатирующихся и проектируемых в настоящее время теплообменных аппаратах турбоустановок используются промежуточные перегородки толщиной от 5 до 45 мм с диаметрами отверстий в них, превышающими диаметр труб на 0,3 0,5 мм. Поэтому для проведения экспериментов по влиянию геометрии перегородки на динамический отклик трубы были выбраны следующие геометрические размеры промежуточной перегородки: толщина и « 5 45 мм, диаметральный зазор А - 0,1 0,6 мм. Расширение диапазона диаметральных зазоров вызвано тем, что при создании теплообменника возможны отклонения размеров отверстий перегородок от проектных за счет различных технологических неточностей, а также в силу того, что при эксплуатации аппарата возможно увеличение диаметра отверстия в перегородке за счет коррозионного воздействия среды. Необходимо также отметить, что для исследования характера взаимодействия профильных труб с перегородкой возможны отклонения от выбранного зазора А , что связано с изменением их наружного диаметра при профилировании.
При исследовании прочностных и вибрационных характеристик профильных витых труб диапазон изменения их размеров выбирается специально достаточно широким. Это вызвано тем, что такие трубы еще недостаточно изучены с точки зрения их тепловой эффективности, поэтому не исключается возможность применения таких труб с широким диапазоном их геометрических характеристик. Таким образом, в экспериментальном исследовании были использованы профильные витые трубы, накатанные из гладких труб с наружным диаметром dT 144-24 мм; накатка во всех случаях была трехзаходная с шагом между соседними канавками в диапазоне о « 8f44 мм и с глубиной канавок т) в 0,3 1,6 мм. Исследовались трубы из следующих материалов: Л-68, Л0-70-І, ШШ5-І и XI8HI0T.
class3 РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРУБНЫХ
СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ class3
Колебания трубных систем теплообменных аппаратов в условиях эксплуатации
В этом разделе приводятся результаты определения частот собственных колебаний труб в трубных пучках двух вертикальных теплообменных аппаратов типа Ш-500, а также результаты определения частот и амплитуд колебаний отдельных труб на работающем теплообменнике типа ПСВ-500-І4-23. В технической литературе практически отсутствуют экспериментальные данные о параметрах колебаний труб реальных ТА.
Определение частот собственных колебаний труб в трубных пучках проводилось непосредственно на электростанции. Трубные пучки вынимались из корпуса и устанавливались в специальную ремонтную ячейку, где подвешивались на верхней трубной доске. В основу методики исследования была положена методика приложения мгновенной нагрузки /78/ с дальнейшей регистрацией свободных затухающих колебаний трубы индукционным датчиком с самопишущим потенциометром Н-327. Частоты собственных колебаний труб в трубных пучках определялись не менее трех раз как для пустых труб, так и для труб, заполненных водой. Для одного из подогревателей Ш-500 производилась полная замена гладких труб на профильные витые (т.к. около 20$ гладких труб, в основном периферийных, вышли из строя за счет вибрационных повреждений - усталостных обрывов у трубных досок, перетираний и разрывов в области промежуточных перегородок и пр.). Наборка трубного пучка осуществлялась последовательно от центра к периферии пятью кольцевыми поясами по 200-300 труб каждый. Определение собственных частот профильных труб этого подогревателя проводилось по мере его наборки в каждом сечении. При исследовании гладкотрубного пучка серийного подогревателя определялась собственная частота лишь для периферийных труб. Для обработки результатов все количество труб аппаратов было разбито на три группы в соответствии с количеством пролетов и их длин:. Результаты испытаний представлены на рис. 3.1. Там же для соответствующей группы труб приведены значения расчетной собственной частоты по первой форме колебаний, которые были получены по методике /55/, основанной на предположении о шарнирном опираний труб в про-мжжуточных опорах. При расчете собственных частот трубных систем с профильными витыми трубами использовались экспериментально полученные данные их изгибной жесткости ( 0= 182,4 Н м ).
Выбор расчетной схемы. Расчет упругожесткостных характеристик промежуточной опоры
В опытной установке, ввиду наличия жидкостного зазора в промежуточной опоре, имитирующей перегородку ТА, колебания трубы происходят по нелинейному закону. Дифференциальные уравнения колебаний в этом случае решаются в настоящее время приближенными способами. В данной работе нелинейная упругая характеристика промежуточной опоры заменялась эквивалентной линеаризованной упругой характеристикой. При этом рассматривались различные возможные расчетные схемы, в которых промежуточная опора представлялась как упругопо-датливая; В одном случае действие на трубу промежуточной опоры с жидкостным зазором заменялось силовой реакцией, возникающей в середине ширины опоры; в другом случае - двумя силовыми реакциями, располагающимися по торцам промежуточной опоры; в третьем случае -равномерно распределенной по ширине опоры силовой нагрузкой; в четвертом случае - реактивным моментом, приложенным к трубе в середине ширины промежуточной опоры. Расчеты, проведенные по представленным четырем расчетным схемам, дали результаты, не согласующиеся с опытными данными, и порой противоречили физическому смыслу.
Наиболее близкой к реальной трубной системе (см. рис. 4.1,а) представляется расчетная схема, показанная на рис. 4.1,6. Промежуточная перегородка с жидкостным зазором здесь заменяется упруго-податливой опорой, ограничивающей линейные и угловые перемещения трубы. Возможность представления перегородки в таком виде для исследуемой трубной системы определяется тем.
