Введение к работе
Актуальность работы
Газотрубные котлы входят в состав судовых энергетических установок и являются одним из наиболее ответственных элементов жизнеобеспечения судов. Котельные установки с газотрубными котлами нашли широкое применение на всех типах судов благодаря ряду положительных свойств, в числе которых простота конструкции и технологичность, удобство компоновки, высокая степень автоматизации, низкие эксплуатационные затраты и др.
Надежность и ресурс судовых котельных установок во многом определяются рабочими характеристиками узлов соединения теп-лообменных труб и трубных досок.
Как показывает практика эксплуатации судов отечественного и зарубежного флота, основные проблемы, возникающие при работе газотрубных котлов, вызваны потерей герметичности этих элементов, что обусловлено рядом причин:
ухудшение условий отвода теплоты из зоны крепления ввиду образования накипных и иных отложений;
коррозионные разрушения узлов крепления труб; ухудшение теплоотдачи ввиду нарушения проектных параметров течения теплоносителей;
- наличие неравномерности течения газов по фронту трубной доски котла и др.
Несмотря на значительное число работ, посвященных исследованию и нейтрализации указанных отрицательных факторов, до настоящего времени исчерпывающего решения не найдено. Это подтверждается многочисленными фактами отказов и аварий, связанных с эксплуатацией газотрубных котлов на флоте. Важность решения задачи повышения надежности судовых газотрубных котлов особенно актуальна в связи с тем, что аварии котельных установок отражаются на надежности работы судовой энергетической установки и судна в целом.
Таким образом, задача повышения надежности и ресурса элементов крепления труб в трубной доске является актуальной.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является повышение надежно-
сти и ресурса газотрубных котлов путем разработки мер по снижению термической нагрузки в узлах крепления труб в трубных досках на базе вновь разработанных математических моделей, позволяющих учитывать режимные, конструктивные и иные факторы, влияющие на физические процессы в исследуемых объектах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать факторы, влияющие на надежность соединения труба - трубная доска.
Разработать математические модели течения газа и воды в районе узла крепления труб в трубной доске.
Разработать математические модели температурного состояния узла соединения трубы в трубной доске.
Исследовать процессы и определить закономерности изменения физических параметров в узлах крепления для выявления главных и второстепенных факторов и определения путей конструктивного совершенствования узлов крепления.
Провести математическое моделирование средств термической защиты.
Разработать конструктивные мероприятия, направленные на термостабилизацию узла крепления.
Объектом исследования являются судовые газотрубные котлы.
Предметом исследования являются термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках газотрубных котлов.
Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых как М. И. Волский, А. А. Отс, Н.И. Денисенко, В.Г. Харченко, И. И. Костылев, А.С. Хряпченков и др.
Математическое моделирование и обработка результатов исследований проводились с использованием современных апробированных программных комплексов на базе вычислительного кластера ННГУ им. Лобачевского.
Лабораторные исследования образцов поврежденных котлов для определения причин отказов проведены с использованием микроструктурного анализа металлов на инструментальной базе лаборатории конструкционных материалов НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Научная новизна
1. Впервые разработан комплекс математических моделей, основанный на совместном решении уравнений течения газа, течения жидкости, теплопередачи и теплового состояния механических элементов узла, максимально приближенных к реальным объектам.
Установлено влияние геометрических и режимных параметров на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках котлов.
Выработаны рекомендации по подбору оптимальных геометрических параметров исследуемого узла с точки зрения обеспечения надежности.
Разработаны новые термозащитные элементы узлов газотрубных котлов и найдены их оптимальные геометрические характеристики.
Практическая ценность
Установлены закономерности и причины повреждений котлов на основе анализа материалов по отказам с использованием разработанных методик.
Разработанные математические модели рекомендованы к использованию в проектных организациях с целью создания новых эффективных конструкций котлов.
Предложены конкретные конструктивные мероприятия для термостабилизации узла крепления труб и технические решения защиты трубной доски от перегрева.
Выработанные рекомендации и конструктивные решения могут быть распространены на все типы газотрубных котлов, применяемых на речном и морском флоте.
5. Результаты исследования внедрены в производственную
практику предприятия ООО «Гидротермаль».
На защиту выносятся
результаты моделирования температурного состояния узлов крепления труб в трубных досках;
результаты исследования влияния геометрических и режимных параметров на термическое состояние узлов крепления труб в трубных досках котлов;
мероприятия по защите узлов крепления труб в трубных досках от неблагоприятного воздействия высокой температуры.
Достоверность. Результаты моделирования и исследования термического состояния узлов крепления труб подтверждены серией натурных эксплуатационных испытаний судовых котлов и данными лабораторных исследований образцов различных котлов. При определении причин отказов использованы надежные апробированные методики анализа, в т.ч. микроструктурный анализ, хро-матографический анализ и др. с использованием инструментальных баз лабораторий НГТУ им. Р.Е. Алексеева, НИЛИМ, «СА-ЛЮТ-22».
Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследований; разработаны математические модели течения теплоносителей и термического состояния исследуемых узлов крепления труб; апробирована методика определения температурных полей в элементах судовых котлов; выполнена верификация расчетных методов анализа; обработаны и обобщены полученные результаты. Автор диссертации выражает благодарность за помощь, оказанную при проведении исследований, и консультации к.т.н. С.Н. Валиулину.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Эксплуатации судовых энергетических установок» ВГАВТ, научной конференции XV «Нижегородская сессия молодых ученых» (2010 г.г.), международном форуме «Великие реки» (2009-2011 г.г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2009 -2011гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, получен Патент на полезную модель №109267.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 76 наименований и приложений. Работа изложена на 114 страницах основного текста, содержит 4 таблицы и 50 рисунков.
Похожие диссертации на Повышение надежности и ресурса рабочих элементов судовых газотрубных котлов
