Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задач исследования 13
1.1. Конструкции серийных маслоохладителей паротурбинных установок 13
1.2. Методики теплогидравлического расчета маслоохладителей паротурбинных установок 23
1.3. Исследование проницаемости технологических зазоров в маслоохладителях паротурбинных установок 29
1.4. Сопоставление результатов испытаний и тегаюгидравлических расчетов маслоохладителей по существующим методикам 33
1.5. Сравнительный анализ современных концепций проектирования 37
1.6. Выводы. Постановка задач исследования 41
2. Разработка и анализ функциональной модели проектирования маслоохладителей паротурбинных установок 44
2.1. Разработка функциональной модели 44
2.2. Разработка и анализ структурных схем методик теплогидравлического расчета маслоохладителей 56
2.3. Выводы 61
3. Совершенствование методов расчета маслоохладителей паротурбинных установок 62
3.1. Разработка методики численного моделирования процессов гидродинамики в масляном пространстве маслоохладителей 62
3.1.1. Разработка твердотельной модели для расчетной подсистемы 64
3.1.2. Выбор параметров конечно-элементной сетки 65
3.1.3. Выбор и обоснование модели турбулентности 66
3.1.4. Задание начальных и граничных условий задачи 70
3.1.5. Установка критериев используемой математической модели вычисления. 71
3.1.6. Оценка полученных результатов и их сопоставление с экспериментальными и другими расчетными данными 74
3.2. Моделирование течения масла в межтрубном пространстве маслоохладителя 76
3.3. Исследование проницаемости технологических зазоров в пучках гладких трубок 78
3.4. Исследование проницаемости технологических зазоров в пучках из профильных витых трубок 90
3.5. Уточнение методики позонного теплогидравлического расчета маслоохладителей 94
3.6. Исследование влияния геометрических параметров элементов конструкции маслоохладителей на теплогидравлические характеристики аппаратов 95
3.6.1 Постановка задачи 95
3.6.2. Величина технологических зазоров 96
3.6.3. Количество ходов воды в аппарате 98
3.6.4. Коэффициент теплопроводности материала трубок 100
3.6.5. Наружный диаметр трубок поверхности теплообмена и другие конструктивные параметры трубного пучка 101
3.6.6. Профилирование трубок поверхности теплообмена 103
3.7. Выводы 105
4. Разработка проектирующей подсистемы на основе современных концепций конструирования 108
4.1. Проектирование компоновок трубных пучков 109
4.2. Проектирование элементов трубной системы маслоохладителей 116
4.2.1. Трубные доски 116
4.2.2. Промежуточные перегородки 120
4.2.3. Схема расположения промежуточных перегородок 122
4.3. Проектирование корпуса, водяных камер и гибких мембран маслоохладителей 123
4.4. Выводы 124
5. Апробация результатов разработки. Рекомендации для инженерной практики 126
5.1. Сопоставление результатов теплогидравлических расчетов маслоохладителей по уточненной позонной методике с результатами испытаний 126
5.1.1. Стендовые испытания ЦКТИ маслоохладителя М-60-90 126
5.1.2. Стендовые испытания ХТЗ маслоохладителя МО-53-4 128
5.1.3. Испытания маслоохладителя МБ-125-165 на Московской ТЭЦ-23 129
5.1.4. Испытания маслоохладителя МБ-270-330 на Сургутской ГРЭС-2 131
5.2. Рекомендации для инженерной практики 132
5.3. Выводы 134
Заключение 135
Библиографический список 139
- Методики теплогидравлического расчета маслоохладителей паротурбинных установок
- Разработка и анализ структурных схем методик теплогидравлического расчета маслоохладителей
- Моделирование течения масла в межтрубном пространстве маслоохладителя
- Проектирование элементов трубной системы маслоохладителей
Введение к работе
В условиях современных требований предприятий топливно-энергетического комплекса к эффективности, надежности теплообменного оборудования паротурбинных установок (ПТУ) и к срокам его поставки, необходим качественный подъем конкурентоспособности предприятий-производителей и проектных организаций, осуществляющих разработку комплекса проектной документации для теплообменных аппаратов. Наибольший вклад в увеличение конкурентоспособности предприятий дают методы повышения производительности труда и качества процесса проектирования. К числу таких методов относятся, прежде всего, методы, базирующиеся на современных информационных технологиях, обеспечивающих принципиально новые возможности на этом этапе жизненного цикла теплообменных аппаратов за счет:
интеграции конструкторских и расчетных процедур в рамках единой системы автоматизированного проектирования;
использования численных экспериментов для повышения качества проектных процедур.
Актуальность проблемы. Последнее десятилетие XX и начало XXI века характеризуются широкой компьютеризацией многих видов деятельности человека. Автоматизация коснулась торговой, коммерческой, банковской и производственной деятельности. Развиваться в таких условиях могут только те предприятия, которые применяют в своей деятельности современные информационные технологии. Именно информационные технологии, наряду с прогрессивными технологиями материального производства, позволяют существенно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции при значительном сокращении сроков постановки на производство изделий, отвечающих запросам потребителей.
Теплообменные аппараты вносят существенный вклад в эффективность и надежность работы паротурбинных установок (ПТУ). Особая роль среди всех аппаратов отводится маслоохладителям, которые являются одними из основных элементов системы маслоснабжения ПТУ. Вопросы надежного функционирования самой турбины неразрывно связаны с повышением качества проектирования и изготовления маслоохладителей, отвечающих современным требованиям экономичности и надежности.
Проектирование маслоохладителей ПТУ является, несомненно, наукоемким процессом особенно при их совершенствовании, в том числе с использованием интенсифицирующих поверхностей теплообмена. В последнее время с целью повышения эффективности эксплуатации аппаратов широкое распространение в конструкциях маслоохлади-
телей получили профильные витые трубки (ПВТ), устанавливаемые вместо гладких трубок. Широкое использование информационных технологий для совершенствования маслоохладителей в соответствии с передовыми направлениями их развития, повышает конкурентоспособность этой конкретной продукции отечественного энергомашиностроения, а для проектирующих организаций, разрабатывающих и изготавливающих маслоохладители, позволяет:
повысить качество выпускаемой проектно-конструкторской документации при минимизации ошибок, связанных с передачей информации;
сократить сроки проектирования за счет создания банка данных и многократного использования выполненных ранее разработок;
повысить надежность и эффективность эксплуатации разрабатываемого аппарата за счет использования обобщенных результатов экспериментальных исследований еще на стадии проектирования;
повысить конкурентоспособность изделия за счет использования разработанных при проектировании твердотельных моделей сборочных единиц для создания технологической схемы производства деталей на станках с ЧПУ;
повысить качество проектных работ и формализовать процесс проектирования маслоохладителей за счет расширения параметризации за пределы геометрических построений [1, 2]
Таким образом, совершенствование процесса проектирования маслоохладителей ПТУ является актуальной задачей, для решения которой, вследствие развития информационных технологий, создались в настоящее время благоприятные условия.
Целью настоящей работы является уточнение методик теплогидравлического расчета маслоохладителей ПТУ на основе применения результатов численного экспериментального исследования и совершенствование методов проектирования маслоохладителей ПТУ за счет использования современных информационных технологий.
Для достижения указанной цели поставлен и решен ряд научно-технических задач, включающий в себя:
разработку функциональной модели проектирования маслоохладителей ПТУ для формализации конструкторских процедур на этом этапе жизненного цикла изделия и определения того уровня декомпозиции процедур, на котором целесообразно применение результатов проведенных в настоящей работе исследований;
исследование гидродинамики в конструкторско-технологическом узле «трубка -промежуточная перегородка» в гладкотрубном пучке и пучке из ПВТ при различных
геометрических характеристиках исследуемого узла на основе разработанной методики проведения численного эксперимента;
получение обобщенных зависимостей для определения коэффициента гидравлического сопротивления технологических околотрубных зазоров в гладкотрубном пучке и пучке из ПВТ;
уточнение методики позонного теплогидравлического расчета и верификация уточненной методики по данным промышленных и стендовых испытаний серийных маслоохладителей ПТУ;
исследование влияния геометрических параметров элементов конструкции маслоохладителей ПТУ на теплогидравлические характеристики аппаратов с помощью уточненной методики позонного расчета;
разработку твердотельных моделей маслоохладителей на основе современных концепций конструирования и объединения расчетной и проектирующей составляющих в рамках единой системы автоматизированного проектирования.
Научная новизна работы.
Разработана функциональная модель процесса проектирования маслоохладителей ПТУ, создан словарь понятий и терминологии, используемых при проектировании маслоохладителей ПТУ.
Предложена и обоснована методика проведения численных экспериментов при моделировании гидродинамических процессов в масляном пространстве маслоохладителя.
Предложен комплекс геометрических параметров (К^ и Ктт - калибры зазоров в гладкотрубном пучке и пучке ПВТ), определяющих величину гидравлического сопротивления технологических зазоров в гладкотрубном пучке и пучке из ПВТ маслоохладителей ПТУ.
Получена обобщенная зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления околотрубных зазоров в промежуточных перегородках для гладкот-рубного пучка маслоохладителей ПТУ.
Впервые проведено исследование гидравлической проницаемости технологических зазоров между стенками отверстий в промежуточных перегородках и наружной поверхностью ПВТ численными методами. Получена обобщенная зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления околотрубных зазоров в пучках из ПВТ с различными геометрическими характеристиками профилирования
трубок. Установлено, что гидравлическое сопротивление зазоров в пучках из ПВТ в
среднем в 2,2 раза ниже, чем в гладкотрубном пучке.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных методик системного структурного анализа; использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении численных экспериментов; соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям; удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных.
Практическая ценность работы заключается в том, полученные результаты использованы для уточнения методики позонного поверочного теплогидравлического расчета маслоохладителей ПТУ в части учета величин расходов масла в технологические зазоры. Комплексный анализ влияния геометрических и конструктивных характеристик элементов маслоохладителей на показатели их эффективности, проведенный на основе уточненной методики позонного теплогидравлического расчета, позволил выявить наиболее перспективные конструкторские решения, реализованные при разработке ряда аппаратов. На основе созданных твердотельных моделей основных сборочных единиц маслоохладителей ПТУ выявлены и обоснованы наиболее эффективные методы и приемы автоматизированного проектирования. Созданы таблицы семейств и шаблоны основных сборочных единиц маслоохладителей, позволяющие в автоматизированном режиме и в короткие сроки создавать рабочий комплект конструкторской документации. Выработаны рекомендации для инженерной практики.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при модернизации 20 серийных маслоохладителей и разработке серии новых маслоохладителей для турбин мощностью N=6...800 МВт. Ряд полученных результатов используются в УГТУ-УПИ при чтении лекций студентам по дисциплине «Теплообменники энергетических установок».
Автор защищает:
разработанную функциональную модель проектирования маслоохладителей ПТУ;
разработанную конечно-элементную модель для исследования проницаемости технологических зазоров маслоохладителей с пучками из гладких трубок и ПВТ;
результаты численных экспериментов проницаемости технологических зазоров при поперечном обтекании маслом гладкотрубных пучков и пучков из ПВТ серийных маслоохладителей ПТУ;
обобщенные зависимости для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления технологических зазоров в маслоохладителях ПТУ с пучками из гладких трубок и ПВТ;
уточненную методику расчета маслоохладителей с гладкими и профильными витыми трубками, верифицированную в ряде стендовых и промышленных испытаний серийных маслоохладителей ПТУ;
результаты комплексного исследования влияния геометрических и конструктивных характеристик элементов маслоохладителей ПТУ на показатели тепловой эффективности аппаратов, проведенного на основе уточненной методики теплогидравличе-ского расчета маслоохладителей ПТУ с гладкими и профильными витыми трубками.
Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 15-ти печатных работах, в том числе в трех статьях, опубликованных в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК, и в материалах 8-ми Международных конференций. Получено два свидетельства Роспатента об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований; разработке функциональной модели проектирования; разработке методики проведения численного эксперимента по исследованию процессов гидродинамики в технологических зазорах масляного пространства маслоохладителей; планировании и проведении численных экспериментов; анализе и обобщении результатов численных экспериментов; разработке обобщенных расчетных зависимостей, уточнении алгоритмов теплогидравлического расчета маслоохладителей и рекомендаций по использованию полученных результатов; проведении комплексного исследования влияния геометрических и конструктивных характеристик элементов маслоохладителей ПТУ на показатели тепловой эффективности аппаратов по уточненной позонной методике; разработке твердотельных моделей, параметрических описаний основных геометрических характеристик конструкции, таблиц семейств и шаблонов основных сборочных единиц маслоохладителей ПТУ; обработке результатов стендовых и промышленных испытаний ряда маслоохладителей и оценке степени согласованности результатов расчета с опытными данными.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 84 наименований. Весь материал изложен на 138 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 13 таблиц.
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» на кафедре «Турбины и двигатели».
Методики теплогидравлического расчета маслоохладителей паротурбинных установок
Существует два основных типа теплогидравлических расчетов [25]: конструкторские и поверочные. Целью конструкторского расчета является нахождение площади поверхности теплообмена, геометрических размеров аппарата и элементов его конструкции. Кроме этого, при проведении конструкторского расчета определяют массогабаритные, гидравлические, экономические и другие показатели теплообменного аппарата, а также детализируют конструкцию аппарата, скомпонованную из стандартизованных или нормализованных деталей, узлов или секций. Исходными данными являются параметры номинального режима работы и факторы компоновки агрегата в схеме турбоустановки.
Целью поверочного расчета является определение показателей тепловой эффективности и гидравлических характеристик теплообменных аппаратов. При проектировании новых теплообменников расчет ведется на номинальном режиме эксплуатации аппарата. Существующие же аппараты подвергаются расчету, как правило, на различных режимах работы. Исходными данными при поверочном расчете являются параметры режима эксплуатации, а также размеры теплообменника и его отдельных частей. Методики расчетов маслоохладителей можно условно разделить на несколько типов: интегральные [26, 28-32], «характерных зон» [14, 33], позонные [8, 21, 23, 24, 31].
В интегральных методиках расчет маслоохладителя ведется без учета особенностей течения масла в различных зонах аппарата и без учета изменения параметров теплоносителей по ходу их движения. Если для воды, в пределах ее нагрева 3...5 С, такое допущение может быть обоснованным, то для масла, кинематическая вязкость которого изменяется в 1,5 раза при перепаде температур в 10 С, такое допущение может привести к большим погрешностям расчета.
Интегральные методики используются, в основном, для обработки результатов испытаний маслоохладителей и основаны на оценке коэффициента теплопередачи из суммы термических сопротивлений с масляной, водяной стороны и стенки. При этом методику интегрального расчета можно сравнить с определением параметров в «черном ящике», т.к. все внутренние гидродинамические процессы скрыты. Внесение конструктивных изменений в отдельные элементы конструкции (например, увеличение толщины промежуточных перегородок, увеличение высоты первого или последнего отсека) маслоохладителя не будет влиять на конечные результаты расчета, а перераспределение потоков масла в зазоры 8\, 82 в зоне над кольцевой перегородкой или в зазоры 53 в зоне над дисковой перегородкой (см. рис. 1.2) не отразится на коэффициенте теплопередачи и гидравлическом сопротивлении аппарата по маслу.
Если оценивать возникновение различных типов методик теплогидравлического расчета маслоохладителей во времени, то первыми методиками являлись именно интегральные.
Так, в работе [26] на основании опытных данных автор предлагает использование следующей зависимости для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании шахматных пучков для трубок третьего и последующего рядов: При этом для учета влияния трубок первого и второго ряда на коэффициент теплоотдачи вводится дополнительный поправочный коэффициент С/, который рассчитывается по зависимости: 0,7 где / - число поперечных рядов трубок. Для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи при движении теплоносителя в прямых трубах автор предлагает следующую зависимость: (1.3) Как видно из зависимостей (1.1 и 1.3), число Нуссельта при движении теплоносителя внутри трубок в большей степени зависит от числа Рейнольдса (показатель степени 0,8). В работе [38] автор уточняет интегральную методику в области определения коэффициента теплоотдачи со стороны масла ам и вводит понятие действительной скорости масла w\ в пучке, исходя из холостых протечек в технологические зазоры (см. рис. 1.2 и рис. 1.4). Обобщение опытов по теплоотдаче гладкотрубных маслоохладителей различных конструкций показывает, что при использовании в качестве характерной величины действительной скорости масла w\ в пучке, теплоотдача в маслоохладителях хорошо согласуется с теплоотдачей при обтекании маслом шахматных пучков и подчиняется зависимости [14, 33, 38]: где S2 — продольный шаг в шахматном пучке, dH - наружный диаметр трубки, Цт и Цст- коэффициенты динамической вязкости при средней температуре масла в аппарате и при средней температуре стенки, С:- коэффициент, учитывающий конструктивные особенности пучка. Выражение (1.4) не только качественно, но и количественно уточняет уравнение (1.1), дополняя выражение (1.1) множителями, определяющими непосредственно геометрические особенности трубного пучка. В работе [27] в шахматных гладкотрубных пучках (при 40 Re 103) автор предлагает для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи со стороны масла использование зависимости вида: где Ргт и Ргст - число Прандтля при средней температуре масла в пучке и при средней температуре стенки. Основная особенность процесса теплообмена в маслоохладителях выражается в том, что лимитирующей стороной в общей тепловой эффективности аппарата является коэффициент теплоотдачи со стороны масла ам и в размерном соотношении он примерно в 10 раз меньше коэффициента теплоотдачи по воде ав. Поэтому, для увеличения тепловой эффективности маслоохладителя необходимо, прежде всего, интенсификация теплообмена с масляной стороны. Согласно [33], для расчета коэффициента теплоотдачи от масла к стенке трубки допускается использовать не только зависимость (1.4), но и другие зависимости, подтвержденные результатами исследований. Уравнения подобия для расчета теплоотдачи и сопротивления пучка трубок в потоке масла, приведенные в работе [38], показывают незначительное влияние числа Рейнольдса на теплоотдачу по маслу NuM « Ren0 6 и значительное влияние на сопротивление аппарата по масляной стороне АРЧ « Ren2 85, что является серьезным ограничением по применению различных решений в части интенсификации теплообмена за счет изменения скорости масла. К недостаткам интегральной методики можно отнести следующее: не учитывается изменение теплофизических параметров теплоносителей по ходу их движения; не учитывается различный характер перераспределения расходов масла в технологические зазоры в зонах над кольцевой и дисковой промежуточных перегородках;
Разработка и анализ структурных схем методик теплогидравлического расчета маслоохладителей
Разработка структурных схем необходима для сложных: алгоритмов, содержащих итерационные циклы и связи между объектами в разных частях программы расчета.. Структурные схемы алгоритмов приведенных методик расчета в рамках настоящего ис-следованияразработаны в полном соответствии с FOOT 19:701-90; ЕСКД [59]. На рис. 218 представлен алгоритм интегрального поверочного теплогидравлического расчета маслоохладителя. Основной особенностью данного алгоритма является после высоту хода по конструктивным соображениям, а значит и различные скорости масла в пучке.
Алгоритм теплогидравлического расчета методики «характерных зон» идентичен интегральнойшетодике, за исключением пункта - «Проведение гидравлического расчета». Алгоритм гидравлического расчета по методике «характерных зон» представлен на рис. 2.9.
Гидравлический, расчет также ведется итерационным, методом, и итеращш сводится по величине соотношения расходов; В первом приближении предполагается, что зазоры» 8ь 82, 83 (см. рис. 1.2) уплотнены, и весь расход масла, идет через трубный пучок. Это выражается в соотношениях: где Gu - расход масла через центральное отверстие, GK - расход масла через кольцевое отверстие, Go- номинальный расход масла, на аппарат. Для определения перепадов давлений на зазоры АРаь ДДг А 53 необходимо знать величину скорости масла в пучке, которая определяется1 как отношение расхода масла в пучке к площади проходного сечения среднего ряда пучка в одном ходе масла. циент теплопередачи К в соответствии с полученным в ходе гидравлического» расчета средним расходом масла в пучок.
Структурная схема алгоритма поверочного позонного теплогидравлического расчета представлена на рис. 2.10. Данная структурная схема характеризует основные подходы, применяемые в позонной методике расчета, и определяет то место в алгоритме расчета, на котором используются результаты проведенных в настоящей работе исследований На начальном этапе, как и в вышеописанных методиках, принимается значение температуры масла на выходе из аппарата 2м - Затем последовательно вычисляются теплофи-зические параметры в каждом из отсеков маслоохладителя. Причем таким же образом в начале принимается температуры масла на выходе из каждой-зоны- tl KCK.
По окончании расчета і-ого отсека рассчитывается температура масла на выходе и находится относительное отклонение принятой и расчетной температур масла на выходе из этого отсека , teK. Если величина отклонения превышает 0,5 %, расчет отсека повторяется заново с новым принятым значением температуры масла на выходе до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность. Внутри цикла теплогидравлического расчета ведется гидравлический расчет і-ой зоны маслоохладителя. Гидравлический расчет также осуществляется методом последовательных приближений, но итерация сводится в нем по величине принятого расхода масла в пучок G ;0". Далее определяется характерная скорость масла w 1 в зазоре 8j (если отсек расположен под кольцевой перегородкой при течении масла снизу вверх). Затем, в зависимости от типа используемых трубок (ПВТ или гладкая трубка), происходит расчет характерных скоростей масла w 2 в зазорах 82 или w в зазоре 83. После нахождения скоростей масла в соответствующих зазорах определяются величины расходов в масла в технологические зазоры и рассчитывается расход масла в пучок - GKeK. Если относительное отклонение принятого расхода масла в пучок и полученного в результате расчета екпревышает 0,5 %, гидравлический расчет зоны повторяется с новым принятым значением расхода масла в пучок. В случае, если точность расчета удовлетворительная, гидравлический расчет заканчивается и определяются основные тепловые характеристики отсека — коэффициент теплопередачи зоны маслоохладителя к1 0 , коэффициент теплоотдачи со стороны масла зоны маслоохладителя сотсск, расчетная температура масла на выходе из отсека ек. По окончании расчета последней зоны по ходу масла определяется температура масла на выходе из аппарата 2м В случае неудовлетворительной точности выполнения позонного расчета аппарата в целом, расчет повторяется с новым значением ґ2м до достижения требуемого уровня точности. На заключительном этапе находятся интегральные тепло-физические характеристики маслоохладителя - К, ам, ав, АРМ, ДРВ.
Моделирование течения масла в межтрубном пространстве маслоохладителя
Анализ существующих методик исследований процессов гидродинамики в маслоохладителях ПТУ позволил сформулировать основные требования к проведению численных экспериментов. Руководствуясь этими требованиями, автор проводил дополнительные численные экспериментальные исследования. Объектами этих исследований являлись следующие задачи: моделирование течения масла в межтрубном пространстве маслоохладителя; исследование проницаемости околотрубных зазоров (см. рис. 1.2) в гладкотруб-ных пучках и пучках из ПВТ.
Результаты этих исследований, позволили уточнить существующие методики тепло-гидравлического расчета маслоохладителей в части определения скоростей масла в технологических зазорах. Уточненная методика позонного расчета маслоохладителей ПТУ использована для комплексного анализа влияния элементов конструкции на тепловую эффективность аппаратов.
Одной из задач исследований является, моделирование течения масла в межтрубном пространстве маслоохладителя. Существующие методики расчета маслоохладителя (ме-тодика.«характерных зон» [14, 33], позонная методика [8, 14, 21, 24, 23, 31]) позволяют с большой степенью точности определить характерные теплофизические параметры теплоносителей на соответствующих участках подвода и отвода масла. Методика позонного расчета, как было показано ранее, позволяет также получать теплогидравлические характеристики, на входных участках зон (отсеков) маслоохладителя. Ее особенностью является тот факт, что вычисление теплогидравлических характеристик масла в одном ходе проводится только для. среднего ряда трубного пучка. Подобный подход позволяет получать только среднеинтегральные характеристики для хода масла. Несомненно, этих параметров во многих случаях бывает достаточно для дальнейшего инженерного анализа рассматриваемой конструкции маслоохладителя и внесения в нее, в случае необходимости, требуемых изменений. Но зачастую появляются факторы, требующие более детального анализа одного хода масла. Например, в случае радиального подвода (отвода) масла к элементам конструкции маслоохладителя с перегородками типа «диск — кольцо» существует вероятность того, что дальняя по отношению к входному/выходному патрубку область трубного пучка будет недостаточно равномерно омываться теплоносителем, и это приведет к уменьшению тепловой эффективности этого хода, а значит и аппарата в целом. В качестве другого примера можно привести конструкцию двух- или четырехходового по воде аппарата с перегородками типа «диск-кольцо». В этом случае в водяных камерах устанавливаются перегородки, необходимые для разделения ходов аппарата по водяной стороне. Установка этих перегородок влечет за собой увеличение расстояния между соседними трубками разных ходов. Такое изменение компоновки трубного пучка приведет к возникновению в межтрубном пространстве небольшого канала, увеличению перетоков масла из рабочей части трубного пучка в этот канал и снижению тепловой эффективности аппарата (рис. 3.10). Как было показано выше, для выявления таких зон у конструктора есть два пути.
Первый путь - это проведение лабораторных или промышленных испытаний маслоохладителя. Данный подход имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, его невозможно использовать на стадии проектирования, т.к. для этого необходимо иметь уже изготовленный аппарат (макет аппарата), либо тот конструктивный элемент, который будет подвергнут испытанию. Во-вторых, организация такого рода испытаний (по выявлению Рис. 3.10. Образование канала в межтрубном пространстве застойных зон) является довольно трудно реализуемой задачей. Второй способ анализа конструкции - это проведение численного эксперимента. Такой подход требует значительно меньших затрат на получение необходимых данных и позволяет оперативно вносить изменения в конструкцию, что существенно сокращает время и затраты на проектирование аппарата и подготовку его к производству.
Численное моделирование процессов гидродинамики и теплообмена показало свою исключительную перспективность. В то же время необходимо отметить, что данный вид анализа ни в коем случае ни должен использоваться как замена существующих методик экспериментальных исследований, а скорее как дополнение к ним.
В рамках работы для выполнения необходимых расчетов автор использовал академическую версию универсального CFD - пакета cd-adapco Star-CCM+.
Проектирование элементов трубной системы маслоохладителей
Трубные доски современных конструкций маслоохладителей ПТУ проектируются с учетом применения прокладочных кольцевых обтюрации (уплотнений) на верхней и нижней плоской поверхности. Беспрокладочные обтюрации на этих элементах конструкции невозможны в силу особенностей технологии их изготовления и. сравнительно больших диаметров уплотнений (Dy) [81]. Выборки металла под уплотнительные прокладки лаще всего расположены между наружным диаметром трубного пучка Д, и диаметром окружности для отверстийпод крепеж DQ. Для различных типов маслоохладителей возможны различные типы прокладочных уплотнений (рис. 4.4). При этом количество уплотнительных впадин может варьироваться в зависимости от типа аппарата и его габаритных размеров.
Порядок создания твердотельных моделей трубных досок (нижней или верхней) не имеет принципиального значения, но в рамках данной работы автор начинал с конструирования нижней трубной доски. а-с помощью паронитовой прокладки; 6-е помощью силиконового шнура
Анализ конструкций нижних трубных досок маслоохладителей серии МБ позволил сделать вывод о том, что характерные геометрические размеры обтюрации различных видов аппаратов находятся ружный диаметр трубного пучка ( н), наружный диаметр корпуса (D ) и его толщина (SK). Кроме этого, на соотношения локальных размеров в области уплотнения влияет непосредственно тип уплотнения (рис. 5.4) и диаметр уплотнительного шнура (при варианте «б» рис. 5.4).
Рассмотрим подробнее оба типа уплотнения. Прокладочная обтюрация с прокладкой в пазу [81] является более предпочтительным типом уплотнения в силу того, что она позволяет использовать один и тот же силиконовый шнур (без замены) при многократной сборке и разборке аппарата. В конструкциях современных маслоохладителей ПТУ в основном применятся шнур диаметром DmH = 8 мм. В связи с этим ширина уплотнительного паза выбирается из расчета Sn = Дцн - 1 мм, а глубина паза из расчета Нп = DluH - 3 мм для обеспечения необходимой герметичности между сопрягаемыми деталями. В случае, если диаметр уплотнений (Dy) превышает 1000 мм, выполняется двухступенчатая обтюрация, при этом ширина перемычки (SBbl6) между соседними выборками металла под уплотнения выбирается в пределах 4...5 мм.
Геометрические характеристики обтюрации с применением паронитовой прокладки определяются, прежде всего, шириной выборки Su и количеством этих выборок Zy = 2...3. Как показал анализ конструкций этого узла на аппаратах МБ-125-165, МБ-63-90, МБ-270-330, МБ-90-135, величина Sn= 1,5 мм, а шаг между соседними выборками выб составляет 5...6 мм. Диаметр же уплотнительных выборок ()у) для обоих типов обтюрации нижних трубных досок равен наружному диаметру корпуса (Дк) или на 5... 10 мм превышает его.
Используя различные типы зависимостей, такие как равенства (приравнивание параметра в левой части уравнения и выражения в его правой части), сравнения (сравнение выражения в левой части уравнения и выражения в его правой части) и логические цепочки, наряду с применением адаптивности неопределенных размеров, удалось формализовать процедуру конструирования обтюрации на поверхностях трубных досок маслоохладителей ПТУ. В таблице 4.2 представлена часть файла параметров нижней трубной доски, определяющих основные геометрические размеры уплотнений на нижних трубных досках. Остальные геометрические размеры не были строго определены, а весь этот элемент конструкции был принят адаптивным, что позволило формировать облик еще не законченной трубной доски. Необходимо отметить, что данная параметрическая схема была ориентирована на уплотнение со стороны фланца корпуса маслоохладителя, но так как со стороны фланца нижней водяной камеры соединение тоже должно быть герметично, этот набор параметров увеличился, но сохранился принципиальный подход. Часть файла Если же по каким либо причинам конструктором принято решение не формировать на поверхностях трубной доски выборки металла под уплотнения, данный конструктивный элемент «подавляется» в таблице семейств или напрямую в браузере детали.
Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что этот элемент конструкции трубной доски с большой степенью точности поддается параметризации, следовательно, после включения геометрических размеров обтюрации в файл параметров при проектировании трубной системы маслоохладителя этот узел стал привязанным к основным геометрическим характеристикам аппарата. Более того, включение этих пара-метрических размеров и типа обтюрации (см. рис. 4.4) в таблицу семейств трубных досок позволило добиться еще большей автоматизации процедуры конструирования трубной системы.
В маслоохладителях ПТУ современных конструкций на трубных досках кроме трубного пучка и уплотнительных элементов по внешнему периметру размещаются крепежные отверстия для фланцевого соединения, причем расстояние от наружного диаметра уплотнений не должно быть менее 5 мм. При конструировании фланцевого соединения основной расчетной величиной, необходимой для определения диаметра и количества болтов (шпилек), а также конструктивных размеров элементов фланцев, является расчетное растягивающее усилие в болтах (шпильках) (/) [81], которое определяется по следующей зависимости
