Вибрационная прочность гладких и профильных трубных систем теплообменных аппаратов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР РАБОТ ПО ВИБРАЦИИ ТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

1.1. Конструкция теплообменного аппарата и характерные вибрационные разрушения теплообменных труб.

1.2. Причины вибрации труб теплообменных аппаратов.

1.3. Экспериментальные исследования вибрации труб теплообменных аппаратов.

1.4. Теоретические методы исследования колебаний труб теплообменных аппаратов.

1.5. Задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВИБРАЦИЙ ТРУБНЫХ СИСТЕМ.

2.1. Выбор параметров исследований.

2.2. Описание экспериментальных стендов.

2.2.1. Описание однопролетного стенда и системы измерений.

2.2.2. Описание двухпролетного стенда.

2.2.3. Система измерений и приборы.

2.2.4. Вихретоковый датчик.

2.2.5. Экспериментальные установки для исследования изгибной жесткости труб и усталостной прочности вальцовочных соединений.

2.3. Методика проведения опытов по вибрации трубных систем.

2.4. Обработка результатов и оценка погрешности экспериментальных данных.

2;5. Выводы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРУБНЫХ

СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

3.1. Колебания трубных систем теплообменных аппаратов в условиях эксплуатации.

3.2. Влияние геометрии профильных витых труб на статические и динамические характеристики.

3.2.1. Статические характеристики профильных витых труб.

3.2.2. Характеристики демпфирования и усталостной прочности профильных витых труб.

3.3. Влияние геометрических размеров промежуточной перегородки на вибрационные характеристики трубных систем.

3.3.1. Одноцролетная гладкотрубная система.

3.3.2. Двухпролетная гладкотрубная система.

3.3.3. Двухпролетная система с профильной витой трубой.

3.4. Выводы.

4. ВИБРАЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННЫХ

АППАРАТОВ.,.

4.1. Выбор расчетной схемы. Расчет упругожесткостных характеристик промежуточной опоры.

4.2. Определение амплитуд перемещений трубной системы в резонансной зоне.

4.3. Выводы.

Развитие современного энергетического машиностроения идет по пути увеличения единичной мощности турбоагрегатов с одновременной интенсификацией технологических процессов, связанных с выработкой электрической и тепловой энергии. В связи с этим при эксплуатации турбоустановок происходит существенное увеличение напряжений, возникающих в отдельных узлах и элементах энергооборудования. При этом требования к надежности длительного функционирования всей турбоустановки в целом и отдельных ее элементов постоянно растут.

Известные в настоящее время результаты исследований по вопросам повышения надежности энергетического оборудования посвящены основному оборудованию (реакторам, парогенераторам, турбинам) /X/ и мало затрагивают вспомогательное оборудование, например, теплообменные аппараты (ТА) турбоустановок /2/. Однако, анализ повреждений ТА паротурбинных установок показывает /3,4/, что около 25% повреждений теплообменников связано с вибрацией трубных пучков, а для вертикальных сетевых подогревателей эта цифра достигает 70% /3/. 5 связи с этим несомненна актуальность исследований, направленных на изучение вибрационного состояния трубных систем ТА. В докладе академика И.Ф.Образцова на Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике в мае 1980г. в Алма-Ате отмечалось, что повышенные требования к надежности и безопасности эксплуатации электрических станций ставят проблему изучения динамических процессов, в частности, вибраций трубных пучков ТА, в ряд наиболее актуальных проблем /б/.

Данная работа посвящена исследованию вибрационных характеристик теплообменной трубы, представляющей собой наиболее общий случай многопролетной балки с равномерно распределенной массой, защемленной по концам и имеющей несколько промежуточных опор с зазором. В качестве объекта исследования рассматриваются как гладкотрубные системы, так и системы с профильными витыми трубами, применение которых в ТА является весьма перспективным с позиции их тепловой эффективности /6/. Актуальность данной работы определяется необходимостью получения обоснованных данных для проведения вибрационных расчетов трубных систем ТА с учетом всех реально влияющих факторов. Народнохозяйственное значение подобных исследований заключается в возможности применения полученных результатов при разработке усовершенствованных конструкций аппаратов с высокой вибрационной надежностью.

Данная работа является частью исследований, проводимых кафедрами турбиностроения и строительной механики Уральского политехнического института им. С.М.Кирова, направленных на повышение надежности и эффективности работы ТА турбоустановок. Целью работы является проведение исследований, связанных с изучением характера взаимодействия гладких и профильных витых труб с промежуточными перегородками ТА в условиях, приближающихся к реальным. На основе экспериментальных исследований предполагается разработать методику вибрационных расчетов трубных систем ТА с гладкими и профильными трубами.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.

В первой главе дается краткий обзор работ, связанных с исследованием природа механизма возбуждения колебаний труб теплообменников в потоке теплоносителя. Приводится обзор экспериментальных и теоретических исследований по изучению вибрационных характеристик труб теплообменнивов с учетом факторов, реально влияющих на эти характеристики. Формулируются задачи исследования.

Во второй главе приводится описание стендов, на которых выполнялись экспериментальные исследования, описываются методики проведения лабораторных испытаний, дается оценка погрешности измерений.

Третья глава посвящена обработке и анализу полученных экспериментальных данных. На основании анализа опытных данных дается ряд практических рекомендаций, направленных на повышение надежности и долговечности трубных систем теплообменных аппаратов*

В четвертой главе, на основе экспериментальных данных, полученных при колебаниях труб с зазорами в опорах, предлагается методика вибрационного расчета трубных систем ТА с гладкими и профильными витыми трубами.

В заключение даются основные выводы по работе и приводятся данные по проектированию трубных систем современных ТА.

Работа проводилась на кафедрах турбиностроения и строительной механики Уральского ордена рудового Красного Знамени политехнического института им. С.М.Кирова под руководством научного руководителя,заведующего кафедрой строительной механики, профессора, д.т.н. Б.И.Климанова и научного консультанта, доцента, к.т.н. Ю.М.Е5родова, которым автор выражает свою признательность за постоянное внимание и ценные советы.

Разработка системы измерений для экспериментального стенда, а также исследование параметров вибрации трубных систем в условиях эксплуатации осуществлялись совместно с инженером В.К.Купцовым. При разработке методики динамического расчета большую помощь оказал доцент, к.т.н. Л.Г.Лопатышкин. Этим товарищам автор выражает глубокую благодарность.

Диссертационная работа является частью комплексной темы, выполняемой кафедрами турбиностроения и строительной механики УПИ по координационному плану 0.01.01.06 Н13 Госкомитета по науке и технике при СМ СССР и в соответствии с план-заказом 14.0786.00 Министерства энергетического машиностроения (этап 52.4 "Исследование влияния вибрации на теплообмен и показатели надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок ТЭС и АЭС и разработка рекомендаций по расчету вибрационных характеристик их трубных систем").

I. ОБЗОР РАБОТ ПО ВИБРАЦИИ ТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

9. Результаты работы использованы (см. приложение 2):

- отделом теплообменного оборудования ТЭС и АЭС НПО ЩСШ им. И.И.Ползунова при расчете и проектировании конденсирующих теплообменных аппаратов (регенеративных подогревателей низкого давления и подогревателей сетевой воды) турбоустановок большой единичной мощности и включены в новое издание руководящих технических материалов по расчету и проектированию поверхностных подогревателей низкого и высокого давления (РТМ24.271.23-84);

- на Ленинградском, Уральском и Калужском турбинных заводах;

- районными энергетическими управлениями систем Свердловэнер-го и Саратовэнерго при оценке надежности работы трубных пучков прямотрубных теплообменников;

- кафедрой турбиностроения УПИ им. С.М.Кирова при чтении курса лекций "Теплообменные аппараты".

В заключение необходимо отметить, что проведенная работа позволяет определить задачи дальнейших исследований вибрационного состояния современных теплообменных аппаратов турбоустановок: а) исследование уровней аэродинамического возбуждения трубных систем теплообменных аппаратов, вызываемого потоком пара; б) исследование параметров колебаний трубных систем различных теплообменных аппаратов в условиях эксплуатации и всестороннее исследование демпфирующих свойств таких систем; в) разработка методики динамического расчета С/- и П-образ-ных трубных систем теплообменных аппаратов.

1. Махутов H.A., Каплунов С.М., Стекольников В.В., Прусс Л.В., Малышев В.М., Вибронадежность элементов оборудования в энергомашиностроении. Машиноведение, 1982: № 2, с. 68-77.

2. Трояновский Б.М. Паровые турбины. Успехи, нерешенные проблемы. -Теплоэнергетика, № I, 1983, с. 6-10.

3. Бродов Ю.М., Резникова P.C., Краснова Г.И., Чайка А.И. Анализ показателей надежности теплообменных аппаратов турбоустановок ТЭС. Энергомашиностроение, 1982, № II, с. 35-36, 39.

4. Бродов Ю.М., Пермяков В.А., Савельев В.К. Влияние вибрациина работу конденсирующих теплообменных аппаратов турбоустановок. НИИЭинформэнергомаш, 1977, № 1-77-43, 25 с.

5. Образцов И.Ф. О проблемах статики и динамики современных инженерных конструкций. Состояние вопроса, новые проблемы и перспективы. Проблемы прочности, 1982, № II, с. 3-II.

6. Seêaêcf J. Г.,A/oêâes WD. Contzoâ of taße vôfoaûon Ln stearr) suzface conc/ense-z. -Pzoc. Ametican Powe г Con f., 1-962, VoZWV. p. 630-643.

7. MozettL P/f. Cv>¿>ú¿caé? levíew of -¿fie ¿¿-¿evotuze and teseazcft on ¿nс/исес/ Y¿>é>zú¿¿on3en fiectt excfíúngezs. -AÜCfiE Sy/wp. Sez., 4974, ?0, /V/3S; р. Ж-/Ш

8. Тереник Л.В., Федотовский B.C., Синявский B.C., Барышникова Е.А.- 153

9. О механизмах возбуждения вибрации при поперечном обтекании пучков стержней потоком жидкости. Обнинск, ФЭИ, Препринт,1981, № ОБ-123, 38^

10. Ермолов В.Ф., Пермяков В.А., Ефимочкин Г.И., Вербицкий В.Л. Смещивающие подогреватели паровых турбин. М.: Энергоиздат,1982, 208 с.

11. UpmaéUs A. fiofizfoiïcfie //? /?оАziïnde¿?-Wazmeiaus-cfie'z/7 sùnd -Z.U vez/r?elden.-Mac/iïi/let?/7?cï'z$-6s Ш2, ¿X A/35, S. 702-704.

12. Фукс С.H. Поломки охлаждающих трубок в конденсаторах: паровых турбин. Электрические станции, i960, № 7, с. 20-25.

13. Косяк П.А. 0 влиянии вибрации на работоспособность соединений трубок с трубными досками судовых теплообменных аппаратов.

14. Николаевского кораблестроительного института, 1968, вып.26, с. 80-85.

15. CfienoweiP) J.M.,Kisteex/?.S. Тиве vcSzotionssp)e£ê-ond-tu^e fieat excAangezs. АС/СЛЕ S утр. Sez/978, 74, Л//74, p.6-i4.

16. Bëevùnsfî.D. Ffow-csjduced vôSzo-écons ¿n писвеоъ zeoctozs: & zeview. Ptog. Mscg Enezcfô, /474> M/j p- 25-49.

17. Грищук И.К. Вибрация конденсаторных трубок. Электрические станции, 1953, № 12, с. 25-29.

18. Поспелов Д.Н., Якушин Е.К., Моспан Ю.М. Повышение надежности подогревателей низкого давления турбины К-300-240 ХТГЗ. -Электрические станции, 1976, № 2, с. 25-27.

19. Nofz Ж; Kaxc/ovfß., Wesseemern Я- Таве vi Stationsand tfieLz effects ¿л taâe Sandte Seat exchangers. - Get. CAe/л. Eng., 197P, Л/1} p. 4-5.

20. Scfiwazz G.D. PzeventLng viêza/ion ¿п sfte££- and-tuée fi eat exchangers £Яе/г?.Еп#.,49Рб,л/Р?р.434-440.

21. Fzûn&âin Я. E., SoperЗ.НИ., WAùttâe /?Л Avoidingvôêzatcon ¿пс/с/сес/ tuSe faifuzes ¿r? sße£t? and tafe Seat exchangers. -„Vtér. A/a с g. Péant Prec. ünt. Conf.P Keswtcß, Voâ.l, Sess. 4-4 . L onc/on, 19?$; p. 2.%?-295.

22. Batting ton E.A* Acoustic viêzaétons ¿n ¿авиёа t exchangers. CS em. Eng. ßvog., /973, Vce. 69; А/Р, p. 62- 63.- 155

23. BPevLns R.D. Buffeting of Aeat excfiongev tuée avtoys ¿s? a cvoss f£ow. -ty¿&z. М/с?, peont Pzoc. £7n¿. Con f., Jfes wùc/l, VoâJ, SessJ-í* London, fâP^p.32?-JJO.

24. Катинас В.И., Маркявичус A.A., Жукаускас A.A. Вибрация поперечно обтекаемых пучков труб в потоках вязких теплоносителей.-Машиноведение, 1982, № 4, с. 21-25.

25. Катинас В.И., Жукаускас A.A. Гидродинамические силы и вибрации трубок поперечно-обтекаемых пучков, возбуждаемые потоком жидкости. В кн. Динамические характеристики и колебания элементов энергетического оборудования. М.: Наука, 1980, с. 184194.

26. Алямовский М.И. Характеристики гидродинамических сил, действующих при автоколебаниях труб теплообменных аппаратов. -Энергомашиностроение, 1974, № 7, с. 33-36.

27. Алямовский М.И. Расчет автоколебаний труб теплообменных аппаратов. Энергомашиностроение, 1975, № 3, с. 33-35.

28. ОСТ 5.4133-75. Аппараты теплообменные судовые. Методика расчета автоколебаний трубных пучков. M.: И9~с.

29. Ооппоъз H. J. F£u¿c/eác?stíc ^ъсгббол of tuée Qtzays ex citecf fy cross fâow. C/n: ASME Winter Annual fleet ing : Pzoc. Sy/r?/?. on f£ow - ¿spcfacec/ V¿Szot¿o/7 ¿s? Heat EJxcfioxjgezS; Afew Yovfi, Dec.f, iVFO, p.42-56.

30. CoeëônsonAE., Wavnefovc/y.P. J~/¿£w¿¿*n tests of single fieaí excfionyet tc/ée ¿n о1ъ алс/ stotûc vsate-c. /Vue в. Pfûn t Ръос. ¿fot. вол f., Keswícti, /SPS, V*e¿, Sess.f-4 '¡ Lonc/on,

31. Ко P.Ljßogezs&j; Ar?o^t¿co6 ospcf еуйеъс/юелёоё

32. Studies of tuée /suppozt ¿ntem action ¿л mué?ti span Seat excrfangez ta S es. - A/¿seg. En#. and Des., 19Я1, 65, /V3, р.399-4о&.

33. Lowez^ JZ. LyMovetiLP.M. Л/atwzoë frequencies and damping of éuées on muCtipCe suppo-zts.-ACJCfiE A/17ê,pJ~5.

34. Блевинс P.Д. Вибрация трубок с зазорами в опорах. Конструирование и технология машиностроения, 1975, № 4, с. 154-158.

35. Sfiin YSíp Sass D.E., Jendzzpc^fi J~9A. Vcéboin?pact responses of tuée étoffCe interaction. Con. Soc. Лес/?. Eng., S, p./5~23.43