Оптимальный выбор конструкционных параметров прямотрубных теплообменных аппаратов повышенной вибропрочности тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ
|
Корецкий, Сергей Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
0050203*) <5
На правах рукописи
КОРЕЦКИЙ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ОПТИМАЛЬНЫИ ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРЯМОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПОВЫШЕННОЙ ВИБРОПРОЧНОСТИ
01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
5 дпр шг
Москва 2012
005020363
Работа выполнена в лаборатории динамических напряжений Федерального Государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН).
Научный руководитель: доктор технических наук
Каплунов Савелий Моисеевич
Официальные оппоненты: Владимир Сергеевич Федотовский,
доктор технических наук, главный научный сотрудник ФГУП «ГНЦ РФ — ФЭИ»
Андрей Николаевич Никифоров,
кандидат технических наук, старший научный
сотрудник ИМАШ РАН
Ведущая организация: ОАО «НПО ЦКТИ» (г. Санкт-Петербург)
Защита диссертации состоится «24» апреля 2012г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.002.059.01 при Федеральном Государственном бюджетном учреждении науки Института машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук по адресу: 101990 Москва, М. Харитоньевский пер. 4, кон-ференц зал (тел. 625-60-28).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального Государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук по адресу:119334 Москва, ул. Бардина 4, тел. (499) 13555-16
E-mail: vmbzrv@bk.ru
Автореферат разослан «20» марта 2012г.
Ученый секретарь _
диссертационного совета В.М. Бозров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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, С.И. Девнином (ЦНИИ А Н. Крылова); Ю.Н. Чженем и Р.Д. Блевинсом (Иследовательный центр в Сан-Диего, США); С.С. Чено.м (Аргоннская лаборатория, США); СМ. Каплуиоеьш и Т.Н. Фесенко (ИШШ РАН); B.C. Федотовскчм (ФЭИ Обнинск); Л.В. Смирновым (ИНГУ, НИИМЕХ, Н. Новгород); X. Танакой (Мицубиси-центр, Япония); М. Пайдуссисом и Д. Уивером (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:
1. 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).
2. Разработка программы для реализации алгоритма решения выбранной математической модели.
3. Анализ динамических и конструкционных параметров трубных пучков, существенно влияющих на их вибропрочность и износ в промежуточных опорах.
4. Определяющие параметры качества процесса для данного класса конструкций.
5. 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 H.A. 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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, связанная с исследованиями по модифицированию математических моделей динамического отклика прямотрубных теплообмен-ных аппаратов с целью повышения вибронадежности данного узла. Отражены основные положения, выносимые на защиту, и сформулированы цель и задачи работы.
Первая глава рассматривает краткое описание конструкции и проблем, обусловленных колебаниями труб в потоке жидкости; гидродинамические процессы при поперечном обтекании трубных систем; анализ факторов, снижающих долговечность рассматриваемых элементов и конструкций.
Полномасштабные экспериментальные или приблизительно полномасштабные (модельные) исследования фрагментов пучка достаточно трудоемки и дороги. Они требуют высокой квалификации исследователей, качественной измерительной аппаратуры, значительных затрат средств, энергии и времени. Поэтому постановка опытных исследований для каждого нового типа разрабатываемых парогенераторов или других ТА приводит порой к неоправданным дополнительным расходам. Кроме того, непосредственное измерение гидродинамических сил является задачей особенно сложной и практически трудно реализуемой. Такие измерения проводились в экспериментах авторов - С.И. Девнин, В.И. Катинас, С.М. Каплунов, Н. Tanaka, S.S. Chen, Ю.Н. Чжень и др. В эксперименте, как правило, удается получить только характеристики отклика труб модели парогенератора: перемещения, скорости, ускорения, частоты колебаний, характеристики контакта труб с перегородкой.
Рассматриваемые ниже математические расчетные модели являются приближенными. Это связано с одной стороны, - со сложностью и неоднозначностью механизмов взаимодействия упругих тел со сплошной средой, с другой стороны, - со сложностью конструкции и невозможностью полного учета одновременно всех ее параметров. Окончательное суждение о пригодности предлагаемых математических моделей описания вибраций и их адекватности реальной конструкции может проводиться исключительно на основе сравнения с результатами экспериментальных работ при проведении натурных (физических) полномасштабных или фрагментарных модельных исследований.
Вторая глава посвящена описанию предлагаемой математичекой модели вибрации одно-пролетных трубных пучков в поперечном потоке жидкости. При этом гидродинамическое возбуждение, в зависимости от скорости поперечного потока, включает срыв вихрей с труб и их эффекты гидроупругой связи между собой.
Математическая модель в общей постановке
Расчетная схема пучка из к труб, подвергающегося действию поперечного потока, показана на рисунке 1. Оси труб параллельны оси Z. Поток, набегающий со скоростью V м/с на пучок труб, параллелен оси X; Т„ Т, - шаг трубных пучков в X и Y направлениях соответственно; L - длина трубы.
Рисунок 1. Расчетная схема Уравнения движения /-ой трубы в направлениях X и Y будут:
sV, aw,. a2w,. «
OZ oi / = 1
aV. ас/, а2 и, л „,. с, .
Зг of 1=1
где /=7.....к~ количество труб;
l=J,....N- количество ограничителей (промежуточных опор); £i - модуль упругости материала i-й трубы, Па;
- осевой момент инерции сечения i-й трубы, м4; Uif W, - смещение в направлениях Y и X соответственно, м; Pi - плотность материала i-й трубы, кг/м'; F,- площадь сечения i-й трубы, м2;
g, - гидродинамические силы на единицу длины в направлениях Y и X соответственно, Н/м;
^и и " проекции на оси У и X реакций упругого ограничителя для / -ой трубы (подробно рассмотрены в третьей главе), Н/м; е>, Si - коэффициенты затухания, 1/с.
В работе коэффициенты затухания определены из соотношения 9(oi ' ' 271
где Э - логарифмический декремент колебаний;
со, — собственная частота ¿-ой трубы в вакууме, 1/с.
Внешние силы, действующие на структурный элемент, включая силу инерции, подъемную силу, силу лобового сопротивления, гидроупругую силу и силу гидродинамического демпфирования будут:
ö2W к uy. . d2(Ji
dt2 -+ ¿J я У=1 " dt2
дги j к ■+Zß j=l d1Wj
dt2 dt2
/.=/;-/;•/:-/? '
Одна и з основных проблем при расчете отклика трубного ряда на действие поперечного потока состоит в определении этих силовых компонентов. Сила инерции, связанная с движением труб в жидкости, рассматривалась в работах различных авторов, в том числе Н.Г. Вальес , С.С. Чена, B.C. Федотовского. Следуя этим работам, силы инерции можно записать следующим образом:
(1
X/V
<-/ t ;= I С ( I
(4)
Pf-Tl к Л* и/ I
/Г=-М' I«
где М ' - масса жидкости, вытесненная трубой,
аЧ , ßij - коэффициенты присоединенной массы.
Как известно, подъемная сила, действующая на одиночную трубу, имеет вид:
/"=0,5 PqV2 dC ysmc)st , (5)
где Pq - плотность жидкости;
V — скорость набегающего потока; С, -коэффициент подъемной силы;
- круговая частота вихреобразования, описываемая следующим выражением: 2 я SA К
(6)
Число Струхаля Sh равно 0,2 для одиночной трубы или цилиндра. Многочисленные исследования показали, что для пучков труб величина Sh зависит от шага решетки. Подъемная сила, действующая на i -ую трубу, на основании работ авторов S.S. Chen, М.И. Алямовского и Ю.Н. Чжень:
f1=0,5peV2dCyM<o,t-y") , (7)
где ift" - фазовый угол (описывает фазовую зависимость для труб).
Сила лобового сопротивления имеет постоянную величину до появления вихревой неустойчивости, после чего она периодически или беспорядочно колеблется вокруг средней величины. Таким образом, сила лобового сопротивления, действующая на трубу, будет равна:
gf-Ofip^dC^+ßsmilaj + vf)] , (8)
где y/f - фазовый угол;
Сц - коэффициент лобового сопротивления (функция, зависящая от числа Рейнольдса и определяемая экспериментально); ßi - малая величина, в настоящей работе ее значение принято равным 0,05 (по работам Т.Н. Фесенко).
Смещение трубы из равновесного положения в трубном ряду изменяет поле скоростей жидкости, в результате чего индуцируются добавочные силы жидкости. Эти силы впервые определил М.И. Алямовский, а аналитически описал Р.Д. Блевинс. В общем виде их можно записать та-
ким образом (S.S. Chen):
g/=0.5pßV2 M\jU j+Zv'uWi
/'=0.5pe V IVfUj+Z^Wj
к к
к
где fij.M'ij, v'ij , v,y - коэффициенты гидроупругих сил, зависящие от взаимного располо-
В покоящейся жидкости демпфирование жидкости может быть введено с помощью членов, выражающих демпфирование в уравнениях (1) и (2). В текущей жидкости поток создает дополнительное гидродинамическое демпфирование. Исходя из потенциальной теории потока, гидродинамическое демпфирование, связанное с трубным рядом, подвергающимся действию поперечного потока, можно описать следующим образом (S.S. Chen):
где - дифференцирование по времени;
а '¡/ , "¡j . т '¡j ■ Tij -коэффициенты гидродинамического демпфирования.
Коэффициенты гидроупругой связи между трубами определялись аналитически из решения задачи об обтекании профилей цилиндров в идеальной и несжимаемой жидкости, используя подходы авторов: Н.Я. Николаева, J1.B. Смирнова, Н.Г. Вальес и Т. Н. Фесенко. Значения полученных коэффициентов подтверждаются данными экспериментов В.И. Катинаса, С.М. Каплунова и др.
Алгоритм решения задачи
В большинстве реальных конструкций теплообменников все трубы имеют одну и ту же длину и обладают одним и тем же типом граничных условий в X и Y направлениях, а значит имеют одни и те же формы собственных колебаний. Уравнения (1) и (2) после использования принципа Гамильтона-Остроградского можно записать как одно уравнение в матричном виде:
где [М], [С], [К] - матрицы масс, демпфирования и жесткости соответственно;
{5},{Н} — векторы смещения и внешней нагрузки.
Матрицы [М], [С], [К] имеют размерность 2к х 2к , к - количество трубок.
Для решения динамической задачи (11) использован метод пошагового интегрирования Вильсона. Этот метод может быть использован для произвольной структуры элементов с физическими и геометрическими нелинейностями. Метод Вильсона является неявным разностным методом, а поэтому его реализация допускает большую по сравнению с явными методами величину шага в расчете, с которым можно проводить расчет по времени.
Алгоритм расчета трубных пучков реализован в среде программирования Ма11аЬ.
Во второй главе проведены исследования и анализ динамического отклика на основе предложенной математической модели. Исследования проводились для фрагментов квадратных
жения труб.
(Ю)
[Af]{i| + [C]{i) + [JC]{i] = H.
(И)
трубных пучков (апробированных предварительным анализом), состоящих из 9 труб.
Линейная постановка задачи (однопролетные трубы) позволяет на первом этапе более наглядно исследовать действие различных механизмов возбуждения на трубный пучок и влияние параметров трубных пучков на его динамику. Кроме того, это позволяет провести качественное сравнение результатов, полученных в данной главе с данными экспериментов, проведенных рядом исследователей для пучков труб.
В качестве примера полученных результатов на рисунке 2 приведены траектории движения труб рассматриваемого фрагмента пучка.
Рисунок 2. Траектории движения труб (для показательности масштаб увеличен) фрагмента тесного пучка с относительным шагом 1.25 (с учетом гидроупругого и вихревого механизмов возбуждения) при скорости набегающего потока теплоносителя (слева), равной 2 м/с
На основании полученных результатов для исследуемых фрагментов пучков труб были получены значения критических скоростей потока, т.е. переход трубной системы в неустойчивое состояние. Зависимости относительных амплитуд колебаний вдоль и поперек потока зависят от скорости в межтрубном пространстве и (в узком сечении) и показаны на рисунках 3 и 4.
Проведено сравнение полученных значений критических скоростей потока, полученных исходя из предложенной математической модели, с их значениями, вычисленными согласно формулам, приведенным другими авторами (Г. Дж. Коннорс, М.К. Юнг, Д.К. Уивер, Н.Я. Николаев и др.). Значения критической скорости, вычисленные с использованием экстраполированных соотношений. приводимых различными авторами, существенно отличаются, что связано с различными способами определения коэффициентов (различные параметры скорости и демпфирования). Эти формулы можно использовать на начальном этапе проектирования теплообменных пучков. Качественно полученные результаты хорошо согласуются с данными, приведенными различными авторами (С.М. Каплунов.Н.Г. Вальес, Т.Н. Фесенко, B.C. Федотовский и др.).
V
Зависимость относительных амплитуд колебаний центральной трубы пу чка влоль X 1 о1 набегающего потока теплоносителя от его скорости вутком сечении
• 1 г»*«
в ч =2,5 = 1,63 =1.25
і —
1 \
1
* к /\ І
1
у V х 1 і I
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1), м/с
Рисунок 3.
Зависимость относительных амплиту д колебаний цекірлльной трубы пучка поперек
аосгаюіцс ГО "О гока тепло чосит СПЯ 0 его скорости в у жом селении
в в 4=15 о=!.63
-и =• 1.25
•
0
/
5.6 6.4 7.2
9.6 10.4 115 12 12.8 13.6 14.4 15.2 16 16.8 17.6
Рисунок 4.
Третья глава посвящена описанию математичекой модели вибрации трубных пучков с учетом их реального дистанционирования.
Расчетная схема с учетом промежуточных опор показана на рисунках 5 и 6. Вибрации такой системы с конструкционной нелинейностью имеют особенности по сравнению с линейной. На рисунках 5 и 6 введены обозначения: <5(( - зазор в I- опоре /-трубы; її- расстояние до 1-й опоры;
Сгжесткость /-ого ограничителя, принимаемая одинаковой в радиальном направлении (по всей окружности отверстия в перегородке - дистанционирующей плите). Элементы трубного ряда совершают орбитальные движения, и модель прямого удара для них неприемлема. При учете соударения труб с кольцевыми ограничителями принята модель косого удара с нормальной и тангенциальной составляющими силы реакции опор. При описании контактного взаимодействия в нормальном направлении диссипация энергии при ударе не учитывается и выражение для нормальных сил принимается в следующем виде (Т.Н. Фе-
сенко, Ж. Антунеш):
Ыа], (12)
где '",/(') - радиальное перемещение трубы в 1-й опоре, <5,7 - зазор в 1-Й опоре;
ч[г,71')—^д] - функция Хевисайда (в программе реализовано посредством условных операторов).
Для расчета тангенциальных сил косого удара использована гипотеза сухого трения, т.е. тангенциальная сила связана с нормальной силой и направлена против движения.
л;=/х, (П)
где /, - коэффициент трения, согласно работам С.С. Фесенко принимается равным 0,2 (в жидкости).
Полная реакция для /-трубы в /-й промежуточной опоре определяется геометрическим суммированием сил:
Л.( = /г£ + й? ■ (14)
С г жесткость ограничителей, в целях уменьшения времени счета, принимается равной величине, определенной в соответствии с формулой (Т.Н. Фесенко):
С,=0.1^, 05)
где г- толщина стенки, внешний диаметр трубы.
При численной реализации данной задачи интегрирование дифференциальных уравнений (11) проводится с учетом выражения (14). В методике расчета реализована автоматическая смена шага по времени, причем критерием необходимости такой процедуры служит слишком медленное или быстрое изменение ускорения от одного временного уровня к другому. При решении нелинейной задачи на каждом шаге по времени для удовлетворения равновесия введен итерационный цикл. Исследования проводились для фрагмента трубного пучка, состоящего из девяти труб с двумя равноудаленными промежуточными опорами (дистанционирующими решетками), расстояние до опор и 3 и 21-/3. Программа позволяет вести расчеты для произвольного числа труб и промежуточных опор и зазоров в них. В целях получения более наглядного сравнения результатов, полученных при реализации линейной и нелинейной постановок задачи, для исследования взяты те же три трубных пучка с относительными шагами ч, = 2,5; ц, = 1,63^,= 1,25. Относительно каждой трубы были введены 2 ограничителя с радиальным зазором ¿,=0,15 мм.
Проведено 463 численных эксперимента для трех исследуемых пучков с шагом по скорости 0,025 м/с на интервале скорости набегающего потока от 0,5 до 5,2 м/с. Результаты расчетов относительных амплитуд колебаний вдоль потока в зависимости от скорости в межтрубном пространстве и, показаны на рисунке 7. Необходимо отметить, что введение опор изменяет резонансную частоту колебаний трубы. Как видно из рисунков 3 и 7, проявление резонансных частот, в отличие от варианта без ограничителей, происходит раньше, и появляются новые экстремумы на более высоких скоростях потока, что говорит о существенном влиянии ограничителей. Можно сделать вывод о том, что расчеты преобладающих в отклике частот проводить по схеме с линейным опиранием при наличии ограничителей неправомерно.
(дистандионирующих решеток)
х/Т
«V
/////,
Рисунок 6. Расчетная схема с учетом промежуточных опор (здесь I- номер дистационирующей решетки, опоры) для /-ой трубы
Рисунок 7.
Из проведенных исследований и анализа полученных результатов следует, что задача проектирования теплообменных аппаратов является многопараметрической, причем существенно нелинейной по характеру функционирования объекта (наличие зазоров в перегородках).
В третьей главе были сформулированы основные параметры качества процесса исследуемого узла с точки зрения повышения вибропрочности. Ключевыми моментами в обеспечении целевого назначения данного узла являются конструкционные параметры:
- количество ДР (опор);
- расстановка ДР, расстояние между ними и до трубных досок;
- величина зазора в ДР, постоянное или переменное значение по всем ДР (определяется
конструкцией и технологией изготовления).
К основным параметрам оценки ресурса рассматриваемой конструкции, в первую очередь, относятся такие факторы, как виброизнос труб в промежуточных опорах, напряжения изгиба и частота их знакоизменения в процессе колебаний, исходя из чего были сформулированы параметры качества процесса для данных узлов.
Согласно зависимости И.В. Крагельского (ИМАШ РАН), объем материала, удаленного на пути трения , можно представить в виде:
(16)
где Кв - коэффициент виброизноса;
/> - нормальная сила контакта между трубой и опорой;
£ - путь трения.
При заданной форме получающегося дефекта (шрама) эквивалентная глубина виброизноса определяется выражением:
!1]= " " , (17)
8 ж (1ЬЭК
где - эквивалентная ширина дефекта, т.е. осредненная ширина опоры.
В данной работе значения контактной силы и путь, пройденный трубой при касании опоры в единицу времени определяются из численного эксперимента.
Для примера на рисунке 8 показаны траектории движения трубы исследуемого пучка в опоре при различных вариантах величины зазора и расстановки опор, но при постоянной скорости набегающего потока. Как видно из рисунка 8 взаимодействие трубы с опорой происходит как по нормали, так и с проскальзыванием по ограничителю.
Для одних и тех же пар трения при одних и тех же условиях (среда, температура и т.д.) условие оптимизации по виброизносу представлятся следующим образом:
р с
р - " "Р , (18)
"!Н ж <1
где 5тр - путь трения Ь в опоре за 1 секунду.
Минимизация этого параметра может позволить повысить ресурс конструкции. Кроме того, это условие практически полезно - зная значение коэффициента виброизноса и среднюю ширину опоры, можно найти эквивалентную глубину виброизноса за заданное время I, с:
а)
б)
Л», ■10"'
лу, -Ю-1
А^.-Ю"4
Ах,-Ю-4
Рисунок 8. Траектории движения трубы в промежуточной опоре
а) с трением; б) с ударным воздействием
Условие прочности или долговечности при наличии различных циклических нагрузок определяется из формулы:
где Ы, - число циклов 1-го типа за время эксплуатации;
к - общее число типов циклов;
[N0]/ - допускаемое число циклов 1-го типа;
а - накопленное усталостное повреждение, предельное значение которого [а.у] = 1.
Число допускаемых циклов в нашем случае зависит от амплитуды изгибных колебаний и частотных характеристик процесса. Как показали проведенные расчеты, колебательный процесс для данных нелинейных систем является сложным. Происходит наложение собственных частот колебаний и частот возбуждающих сил, при этом частотный состав в отклике зависит от величин зазоров в промежуточных опорах и их расстановки.
Исходя из вышесказанного, условием (параметром) оптимизации в расчете усталостной прочности принимаем максимальное значение амплитуды напряжений изгиба в процессе колебаний:
Следуя условиям оптимизации по виброизносу (18) и усталостной прочности (21) в качестве параметров качества процесса для данной конструкции выбираем:
° Ф1 - максимальный путь трения за одну секунду движения трубы , м/с; о Ф2 - максимальная нормальная (погонная) сила соударения в опоре Н/м; ° Фз - максимальное изгибное напряжение вдоль потока ах, Па.
(20)
(21)
0 Фд - максимальное изгибное напряжение поперек потока <ту, Па.
При решении вопроса оптимизации конструкции трубного пучка необходимо минимизировать значения выбранных параметров качества процесса.
В подтверждение значимости предложенных параметров качества процесса проведены исследования влияния зазора на рассматриваемые параметры для трубных пучков с одной промежуточной опорой, поставленной в центре, и скорости набегающего потока теплоносителя (диапазон варьирования скорости выбран из проведенного автором анализа). Для всех 9 труб фрагмента пучка величина зазора изменялась одинаково.
В качестве примера, на рисунке 9 приведены зависимости (для центральной трубы пучка) нормальной силы контакта от радиального зазора и скорости набегающего потока.
V, м/с
Рисунок 9. Зависимости нормальной силы контакта от радиального зазора и скорости набегающего потока теплоносителя для ряда с относительным шагом между трубами пучка равным 1.63. Результаты представлены для центральной трубы пучка.
Результаты численных экспериментов, приведенные на рисунке 9 и в диссертации, показывают, что величина радиального зазора оказывает существенное влияние на величины нормальной силы взаимодействия трубы с опорой (силы контакта), пути трения и изгибные напряжения в трубе, что подтверждается экспериментальными данными. Наблюдаемые изменения исследуемых параметров характеризуются наличием «не совпадающих» экстремумов при изменении скорости набегающего потока.
Анализ полученных результатов исследований показал, что при оптимизации одного из параметров качества процесса для данного класса конструкций преждевременно утверждать о повышении ресурса исследуемого узла (пучков труб), т.е. необходима многопараметрическая оптимизация. Причем, в результате данной многомерной оптимизации получим компромиссные многомерные области «приемлемых» значений конструкционных параметров ТА.
Четвертая глава посвящена выбору и использованию метода многомерной оптимизации для выбора оптимальных значений конструкционных параметров многоопорных трубных пучков (с учетом зазоров между промежуточными опорами и трубами), обтекаемых поперечным потоком теплоносителя, а также обобщенному анализу полученных результатов.
Эффективность использования современных информационных технологий в практике работы научных и проектно-конструкторских организаций определяется не только развитием компьютерных средств интерактивного общения проектировщика с ЭВМ, но и технологиями анализа многомерных систем в многопараметрической постановке. Одним из подобных методов, объединяющих стохастические модели, свойственные методу Монте-Карло, и планирование вычислительного эксперимента, является разработанный в ИМАШ РАН планируемый ЛП-поиск (ПЛП-поиск), который, благодаря одновременной реализации в нем идеи дискретного квазиравномерного по вероятности зондирования ]- мерного пространства варьируемых параметров а; (/ = 1, ...,7) и методологии планируемого математического эксперимента, позволяет, с одной стороны -осуществлять глобальный квазиравномерный просмотр заданной области варьируемых параметров, с другой стороны — эффективно применять многие формальные оценки из математической статистики.
Структура ПЛП-поиска включает следующие основные этапы:
1) определение существенных параметров ат (т < Т) в соответствии с их влиянием на значения каждого критерия Ч\ <г);
2) выделение областей концентрации С^а) наилучших решений по каждому критерию Ф, (о) при заданной метрике Р(Ф,(а),<РЦ, где - экстремальное значение к-го критерия качества (заранее известное или определяемое по ходу проведения вычислительных экспериментов);
3) построение на основе определенных существенных параметров и выделенных подобластей регрессионных зависимостей Ф, = Ч\(«г■■.<*„);
4) выделение в /¡-мерном пространстве критериев множества с высокой концентрацией точек Парето (или, если возможно, построение поверхности Парето), а в случае задания какой-либо схемы компромисса - выделение подобласти С,(ё)сС(в) _ содержащей наибольшую концентрацию требуемых компромиссных решений.
В реальных задачах не удается достичь одновременно экстремальных значений всех рассматриваемых критериев или параметров, поскольку эти экстремумы соответствуют различным точкам пространства независимых параметров (переменных, критериев и т. д.), варьируемых в процессе оптимизации. Следовательно, решение задачи многопараметрической (многокритериальной) оптимизации представляет собой некоторый компромисс между частными параметрами (критериями) оптимальности. Обоснование принципа этого компромисса и составляет один из основных концептуальных аспектов проблемы многопараметрической (многокритериальной) оптимизации.
Поскольку в настоящее время не существует общепринятой аналитической зависимости между износом и усталостью для данного узла, то поставленная задача решалась на основе проведения спланированных математических вычислительных экспериментов (ВЭ) на рассматриваемой математической модели динамического отклика трубного пучка из условия равнозначности выбранных параметров качества процесса.
Все параметры качества процесса Фк(а) требуется минимизировать. Аргументом этих критериев является вектор варьируемых конструкционных параметров а размерности 1x2л (п=1....,1 -количество перегородок), в который входят:
а„...,аI, i=l,2,...,l - расстояние от начала трубы до / - ой перегородки (опоры), м;
а^—Аш, j=l,2...../- радиальный зазор (8Г) в / - ой перегородке (опоре), м.
При двух промежуточных опорах (п=2) будет четыре варьируемых конструкционных параметра— эти параметры графически показаны на рисунке 10.
Для систематизации практического совместного применения предложенной математической модели и метода ПЛП - поиска при определении оптимальных конструкционных параметров ТА выявлена необходимость, и проведены вычислительные эксперименты (ВЭ) для теплообменника с основными характеристиками типоразмеров, выбранных в соответствии с ГОСТ 9929-82. В результате проведенных расчетов получены рекомендации по выбору значений конструкционных параметров при заданных параметрах обтекания. На рисунке 11 (в качестве примера) приведены в графическом виде результаты поиска компромиссных областей для фрагмента квадратного пучка из 9-ти труб с 5-ю дистанционирующими опорами при фиксированной скорости набегающего потока, равной V= 0.125 м/с. Графические результаты на рисунке 11 представляют собой заштрихованные прямоугольники, расположенные на осях изменения длины трубы L и величины радиального зазора между трубой и опорой 5„ при этом:
- прямоугольники светлого цвета — границы исходной области изменения конструкционных параметров (области поиска);
- прямоугольники темного цвета — представляют границы областей оптимальных значений исследуемых (варьируемых) конструкционных параметров (величин пролетов при расста- j новке промежуточных опор и зазоров в них) с точки зрения усталостной прочности и изнашивания труб.
Рисунок 10. Обозначения варьируемых конструкционных параметров при двух промежуточных опорах
- Области оптимизации
- Компромиссные области
i¡I¡
i i i i i
2 б гл г.в
Длина трубы, М
Рисунок 11 Компромиссные области для трубного пучка с 5-ю дистанционирующими
опорами
ВЫВОДЫ
1. Разработана модернизированная математическая модель колебаний трубных пучков под действием поперечного потока жидкости. Модель учитывает силу инерции, вызванную движением труб в жидкости, гидроупругую связь между ними, а также действие на них вихревого механизма возбуждения.
2. Разработана математическая модель колебаний трубных систем, которая позволяет исследовать динамику многокомпонентных гидроупругих систем в поперечном потоке жидкости с учетом их реального дистанционирования и его условий (опоры поставленные с зазорами).
3. Создана программа реализующая разработанный алгоритм расчета колебаний трубных пучков (линейный - по п.1, нелинейный - по п.2).
4. Предложенная математическая модель колебаний трубных пучков еще на этапе проектирования дает возможность:
определять наступление режима гидроупругой неустойчивости для пучков с заданными параметрами и оперативно получать рекомендации как по предотвращению этого критического режима так и по продлению ресурса проектируемой конструкции;
выявлять для исследуемых процессов и различных типов трубных систем (с различными количествами опор, величинами пролетов между ними, величинами зазоров и т.д.) важные для проектирования, эксплуатации и прогнозирования ресурса параметры (количество промежуточных опор, величины пролетов, величины зазоров и др.);
определять аналитические взаимосвязи между исследуемыми параметрами качества процесса для данного класса конструкций и варьируемыми параметрами по корреляционным зависимостям;
выявлять не только наилучшие компромиссные области значений конструкционных параметров (с точки зрения вибропрочности и виброизнашивания труб), но и определять наихудшие области, что важно при разработке технического задания на проектирование ТА;
реализовывать учет влияния технологического разброса конструкционных параметров на
динамические характеристики конструкции.
5. По результатам многомерной оптимизации получен вывод, что основное влияние на все предложенные параметры качества процесса оказывают величины зазоров в дистанционирующих решетках, что и соответствует физическим представлениям о роли зазоров для данного класса систем.
6. Предложенная методика оптимального выбора конструкционных параметров с требуемой вероятностью на стадии предварительных расчетов позволяет рекомендовать реализуемые и выбрать из них допустимые значения конструкционных параметров.
7. Установлено, что существует такое соотношение варьируемых конструкционных параметров (длина трубы, фиксированное количество опор), при котором возможно достижение динамического отклика с максимальной десинхронизацией фаз основных частотных составляющих собственных колебаний пучка труб, что существенно уменьшает вероятность возникновения резонансных режимов. При этом выявлено, что некоторое несимметричное расположение опор способствует повышению вибронадежности конструкции ТА.
Публикации
1. Каплунов С.М., Фесенко Т.Н., Вальес Н.Г., Шитова Л.И., Корецкий С.А. "Нелинейные колебания многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости". //Сборник докладов Международной конференции по теории механизмов и машин. Краснодар, 2006.
2. S.M. Kaplunov, T.N. Fesenko, S.A. Koreckiy. Calculation dynamic analysis of multisupported with clearances heat - echanger tubes under cross - flow. //The 12-th World Congress in Mechanism and Machine Science, June 17-21, Besancon, France, 2007.
3. Корецкий C.A., Каплунов C.M., Фесенко Т.Н. "Оптимизация конструкции трубных пучков с учетом их виброизноса в опорах". //Сборник аннотаций и докладов научно-технической конференции Трибология - Машиностроению. М.: ИМАШ РАН, 2008. С. 42.
4. Корецкий С.А. Методика расчета нелинейных колебаний многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости. //Рабочие материалы по докладам 5-й российской конференции: Методы и программное обеспечение расчетов на прочность. М.: ОАО «НИКИЭТ», 2008. С. 22.
5. Корецкий С.А. Методика расчета нелинейных колебаний многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости. //Сборник докладов 5-й российской конференции: Методы и программное обеспечение расчетов на прочность. М.: ОАО «НИКИЭТ», 2008. С. 129-135.
6. С.М. Каплунов, Т.Н. Фесенко, С.А Корецкий. «Вибрация трубных пучков под действием поперечного потока жидкости». //Проблемы машиностроения и надежности машин. М.: Наука, 2008, №6. С. 29-36.
7. Корецкий С.А., Фесенко Т.Н., Статников И.Н. Методика выбора рациональных значений параметров трубных пучков теплообменных аппаратов с учетом их реального дистанционирова-ния. //Проблемы машиностроения и надежности машин. М.: Наука, 2009, №2. С.93-98.
8. С.М. Каплунов, Т.Н. Фесенко, С.А Корецкий. Нелинейные колебания трубных пучков при поперечном потоке теплоносителя. //Проблемы машиностроения и надежности машин. М.: Наука, 2009, №5. С. 3-7.
9. С.М. Каплунов, Т.Н. Фесенко, С.А Корецкий. Оптимизация конструкции трубных пучков с учетом их виброизноса в опорах. // Трение и смазка в машинах и механизмах. М.: Машиностроение, 2010, №3. С. 35-40.
10. С.А. Корецкий. Методика расчета нелинейных колебаний многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Обеспечение безопасности АЭС». М.: ОАО «НИКИЭТ», 2010, №14. С. 91-96.
Подписано в печать:16.03.12
Объем: 1,5усл.п.л. Тираж: ЮОэкз. Заказ № 649 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Рождественка, 5/7,стр.1 (495)623-93-06; www.reglet.ru
61 12-5/2162
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ им. A.A. Благонравова РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
На правах рукописи
КОРЕЦКИЙ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ОПТИМАЛЬНЫЙ ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРЯМОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПОВЫШЕННОЙ ВИБРОПРОЧНОСТИ
01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель —доктор технических наук Каплунов С.М.
Москва 2012
Содержание
Введение...................................................................................................................4
1 Проблема вибрации трубных пучков в поперечном потоке жидкости.........13
1.1 Краткое описание конструкций и проблем, обусловленных колебаниями в потоке жидкости......................................................................13
1.2 Гидродинамические процессы при поперечном обтекании трубных пучков.................................................................................................................20
1.3 Анализ факторов, снижающих долговечность конструкций теплообменных аппаратов................................................................................30
1.4 Постановка задачи исследования...............................................................39
1.5 Выводы........................................................................................................39
2 Математическая модель динамики однопролетных трубных пучков в поперечном потоке жидкости..............................................................................41
2.1 Уравнения вынужденных колебаний трубных пучков............................41
2.2 Вычисление коэффициентов (взаимодействия) гидродинамической связи....................................................................................................................47
2.3 Алгоритм решения задачи..........................................................................58
2.4 Исследование вибрации ячейки трубных пучков в поперечном потоке жидкости и анализ полученных результатов..................................................66
2.5 Выводы.........................................................................................................84
3 Вибрация ячейки трубного пучка с учетом реального дистанционирования............................................................................................85
3.1 Нелинейная постановка задачи расчета колебаний пучков многопролетных трубных систем....................................................................85
3.2 Исследование вибраций трубных пучков с учетом промежуточных опор.....................................................................................................................90
3.3 Влияние конструкционных параметров на вибропрочность трубных пучков...............................................................................................................Ю5
3.4 Выводы.......................................................................................................П4
4 Методика выбора оптимальных параметров многоопорных с зазорами трубных пучков теплообменных аппаратов....................................................115
4.1 Метод ПЛП-поиска..................................................................................115
4.2 Применение метода ПЛП поиска для определения оптимальных значений параметров исследуемого трубного пучка с тремя пролетами .119
4.3 Выбор оптимальных значений конструкционных параметров теплообменного аппарата с числом пролетов больше трех и анализ
полученных результатов.................................................................................127
4.4 Выводы.......................................................................................................142
Выводы по работе................................................................................................144
Заключение...........................................................................................................146
ПРИЛОЖЕНИЕ А Зависимости для определение матрицы взаимного
расположения.......................................................................................................147
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты расчетов колебаний однопролетных пучков в
поперечном потоке жидкости к разделу 2........................................................154
ПРИЛОЖЕНИЕ В Результаты расчетов колебаний трубных пучков в поперечном потоке жидкости к разделу 3 ......................................................165
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Результаты к вычислительным экспериментам раздела
четыре...................................................................................................................190
Список литературы..............................................................................................202
Введение
Современное энергетическое оборудование с поперечным обтеканием пучков труб потоком жидкости или газа (например, потоком теплоносителя в парогенераторах (ПГ) и теплообменных 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 [1] 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 обтекания их, что в общем не позволяет получить точных данных 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 также наличие зазоров в дистанционирующих решетках (или трубных перегородках).
Экспериментальные исследования до сих пор оставались практически единственным способом изучения характеристик динамического отклика трубного пучка на воздействие потока теплоносителя. Но полномасштабные экспериментальные исследования достаточно трудоемки и дороги, требуют высокой квалификации исследователей, качественной измерительной аппаратуры, значительных затрат времени, и их постановка для каждого нового типа разрабатываемых парогенераторов приводит к значительным дополнительным расходам. Кроме того, непосредственное измерение гидродинамических сил является задачей особенно сложной и практически трудно реализуемой. Такие измерения проводились в экспериментах авторов - С.И. Девнин, В .И. Катинас, С.М. Каплунов, Н. Tanaka, S.S. Chen и др. В эксперименте, как правило, удается получить только характеристики отклика труб модели парогенератора: перемещения, скорости, ускорения, частоты колебаний.
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 [1,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и др.].
Следует отметить, что из-за отсутствия на сегодняшний день точных методов решения нелинейных задач, реализуется приближенный расчет рассматриваемых конструкций [1, 4, 6]. Также рассматриваемые ниже математические вибрационные модели являются приближенными. Это связано, с одной стороны, со сложностью и неоднозначностью механизмов взаимодей-
ствия упругих тел со сплошной средой, а с другой стороны - сложностью конструкции и невозможностью полного учета одновременно всех ее параметров. Окончательное суждение о пригодности предлагаемых математических моделей расчета колебаний и их адекватности для реальной конструкции может проводиться исключительно на основе сравнения с результатами экспериментальных исследований на натурных (физических) полномасштабных или фрагментарных моделях [10, 11].
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 нагружения отклика для исследуемой конструкции.
- Разработка основ методики нахождения и использования компромиссных областей при выборе оптимальных параметров (или их комби-
наций) конструкций ТА.
- Исследуемый диссертантом объект — прямотрубные пучки теплооб-менных 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 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 контактирования и т.д.);
• проводить анализ частотного спектра отклика трубного пучка;
• реализовать учет влияния технологического разброса на динамические характеристики конструкции.
Предложенная методика исследования позволяет найти некоторую компромиссную область конструкционных параметров в соответствии с частными параметрами оптимальности, 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:
1. Модернизация математической модели вынужденных колебаний трубного пучка в поперечном потоке теплоносителя с учетом динамического взаимодействия труб и дистанционирующих решеток (на основании проведенных в ИМАШ РАН теоретических и экспериментальных исследований).
2. Разработка программы для реализации алгоритма решения выбранной математической модели.
3. Анализ динамических и конструкционных параметров трубных пучков, существенно влияющих на их вибропрочность и износ в промежуточных опорах.
4. Определяющие параметры качества процесса для данного класса конструкций.
5. 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: - «Нелиней-
ные 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 2008г., 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 H.A. Доллежаля в номинации «Лучшая научно-исследовательская работа» за работу «Рациональный выбор конструкционных параметров прямотрубных теплообменных 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:
Каплунов С.М., Фесенко Т.Н., Вальес Н.Г., Шитова Л.И., Корецкий
С.А. "Нелинейные колебания многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости". //Сборник докладов Международной конференции по теории механизмов и машин. Краснодар, 2006.
S.M. Kaplunov, T.N. Fesenko, S.A. Koreckiy. Calculation dynamic analysis of multisupported with clearances heat - échanger tubes under cross - flow. //The 12-th World Congress in Mechanism and Machine Science, June 17 - 21, Besancon, France, 2007.
Корецкий C.A., Каплунов C.M., Фесенко Т.Н. "Оптимизация конструкции трубных пучков с учетом их виброизноса в опорах". //Сборник аннотаций и докладов научно-технической конференции Трибология - Машиностроению. М.:ИМАШРАН, 2008. С. 42.
Корецкий С.А. Методика расчета нелинейных колебаний многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости. //Рабочие материалы по докладам 5-й российской конференции: Методы и программное обеспечение расчетов на прочность. М.: ОАО «НИ-КИЭТ», 2008. С. 22.
Корецкий С.А. Методика расчета нелинейных колебаний многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости. //Сборник докладов 5-й российской конференции: Методы и программное обеспечение расчетов на прочность. М.: ОАО «НИКИЭТ», 2008. С. 129-135.
С.М. Каплунов, Т.Н. Фесенко, С.А Корецкий. «Вибрация трубных пучков под действием поперечного потока жидкости». //Проблемы машиностроения и надежности машин. М.: Наука, 2008, №6. С. 29-36.
Корецкий С.А., Фесенко Т.Н., Статников И.Н. Методика выбора рациональных значений параметров трубных пучков теплообменник аппаратов с учетом их реального дистанционирования. //Проблемы машиностроения и
надежности машин. М.: Наука, 2009, №2. С.93-98.
С.М. Каплунов, Т.Н. Фесенко, С.А Корецкий. Нелинейные колебания трубных пучков при поперечном потоке теплоносителя. //Проблемы машиностроения и надежности машин. М.: Наука, 2009, №5. С. 3-7.
С.М. Каплунов, Т.Н. Фесенко, С.А Корецкий. Оптимизация конструкции трубных пучков с учетом их виброизноса в опорах. // Трение и смазка в машинах и механизмах. М.: Машиностроение, 2010, №3. С. 35-40.
С.А. Корецкий. Методика расчета нелинейных колебаний многокомпонентных и многоопорных стержневых конструкций в поперечном потоке жидкости. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Обеспечение безопасности АЭС». М.: ОАО «НИКИЭТ», 2010, №14. С. 91-96.
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 100 листах, 102 рисунка и 12 таблиц. Список литературы включает 63 источника.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснова�
