автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Динамические нагрузки и вибрационные характеристики трубных систем энергетических теплообменных аппаратов

УРАЛЬСКИМ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. С.М.КИРОВА

На правах рукописи

Брезгин Виталий Иванович

УДК 624.07:534.1 621.175

ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ И ВИБРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРУБНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

05.23.17. - Строительная механика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Свердловск 1990

Работа выполнена в Уральском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. С.М.Кирова

Научный руководитель. - кандидат технических наук, доцент Рогалевич Б.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Казак С.А.; ^ кандидат технических наук , Кантор С.Л.

Ведущее предприятие СверДНШХиммаш

Защита диссертации состоится " 28 " декабря 1990 г. в 15 ч в аудитории^ьЗ^на заседании специализированного совета К.063.14.05 при Уральском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им.С.М.Кирова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 19Э0 г.

Отзыв по автореферату, заверенный печатью, просим .направлять по адресу: 620002, г.Свердловск, УШ им.С.М.Кирова, ученому секретарю совета института. ■

Ученый секретарь специализированного совета - кандидат технических наук,

доцент 1

Б.В.Рогалевич

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы . В энергетике, химической и других отраслях промышленности широко, используются теплообмвнные аппараты- (ТА). Повышение единичной мощности теплообменников, связанный с этим рост скоростей теплоносителей, а также, повышение требований к надежности и безопасности эксплуатации оборудования ставят проблему вибрации трубных пучков ТА в ряд наиболее актуальных проблем. Опыт эксплуатации показывает, что вибрация существенно снижает надежность теплообменников, а в ряде случаев приводит к их аварийному останову и дополни- * тельшм затратам на ремонт оборудования. Поэтому при проектировании и оценке технико-экономических показателей разрабатываемых ТА важно уметь определить возможный уровень вибрации' трубных пучков, знать причины их появления. Известные методы расчета трубных систем не учитывают ряда факторов, существенно влияющих на процесс колебаний труб. В настоящее время в ТА начинают применяться профильные витые трубы (ПВТ), повышающие эффективность работы данного оборудования. Необходимые сведения о вибрационных характеристиках пучков таких труб, о механизмах возбуждения колебаний, об аэродинамических силах, действующих на эти трубы со стороны потока теплоносителя в научно-технической литературе отсутствует. ' -

Диссертационная работа являлась частью комплексной теш по повышению надежности турбоустановок ГЭС и АЭС, выполняемой рядом организаций по координационным планам Госкомитета по науке и технике при СМ СССР (целевая программа • ОЦ 002, подпрограмма 0.01.01.Ц, задание 09-Н5), Академии наук СССР (комплексная программа "Теплофизика и теплоэнергетика", шифр 1.9.1 ), Министерства высшего и среднего специального образования РСФСР (программа "Энергетика", подпрограмма "Турбина", п.01, подпрограмма "Энергосистема", п.Об) и решениям Г7 и V научно-технических конференций по Свердловску и Свердловской области.

Целью диссертации является уточнение методики вибрационного расчета трубных систем энергетических ТА путем включения в нее экспериментальных данных, полученных при исследовании характеристик демпфирования - натурных ТА и динамических нагрузок, дейстЕуицих на пучки гладких и ШТ при обтекании поперечным потоком теплоносителя.

Научная новизна. Исследованы особенности возбуждения вибрации поперечно обтекаемых пучков гладких и ПВТ. Впервые получены значения коэффициентов нестационарных сил, действующих на пучок ПВТ в условиях поперечного натекания потока воздуха. Впервые исследовано влияние наличия пленки жидкости на поверхности труб на нестационарные аэродинамические силы и вибрационные характеристики трубных пучков. Проведены исследования конструкционного демпфирования натурных ТА и получены данные о влиянии смещения промежуточных перегородок от соосного с трубой положения на логарифмический декремент.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные о параметрах вибрации и аэродинамических силах, действующих на,гладкие и ПВТ, а также о величине конструкционного демпфирования позволили уточнить методику динамического расчета трубных систем ТА и тем самым повысить надежность вновь проектируемых теплообменников.

Реализация "работы. • Результаты работы внедрены и используются, отделом теплообменного оборудования ТЭС и АЭС НПО "Центральный котло-турбганый институт им.И.И.Ползунова" при расчете и проектировании ТА турбоустановок большой единичной мощности и включены в новое издание руководящих документов (РД 24.271.01-88) по расчету и проектированию поверхностных подогревателей низкого давления и сетевой воды, в ПО "Уральский турбомоторный завод", на электростанциях ПОЭ и Э Свердлов-энерго и Пермьэнерго при оценке надежности работы трубных пучков ТА. Годовой экономический эффект от использования результатов диссертационной работы составил около 100 тыс.рублей.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на I Всесоюзной конференции'"Долговечность энергетического оборудования и динамика гидроупругих систем", Миас'с , 1986 г; на II Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики", Новосибирск, 1987 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Научные проблемы современного энергетического машиностроения", Ленинград, 1987 г.; на II Всесоюзной научно-технической конференции "Вибрация и вибродиагностика", Горький, 1988 г.; на Всесоюзной научно -технической конференции "Аэроупругость элементов машин и сооружений", Севастополь, .1990 г.: на II Всесоюзной научно-технической конференции "Гидроупругость и долговечность конструкций энергетического, оборудования", Каунас, 1990 г.; на научно-технических семинарах "Динамика гидроупругих систем" в Институте машиноведения им. А.А.Благон-равова АН СССР, Москва, 1982-1989 гг.; на научно- технических конференциях "Актуальные проблемы атомной науки и техники", • Свердловск, 1985, 1986 гг.; на научно-технических конференциях "Некоторые актуальные проблемы создания и эксплуатации турбинного оборудования", Свердловск, 1986. 1988 гг. . -

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 12 работах.

Структура и объем работы. Диссёртационная' работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 108 наименований и приложений. Объем работы: ИЗ страниц текста, 61 рисунок. Приложение I содержит текст црограмш ввода и обработки экспериментальных данных, полученных на аэродинамическом стенде, приложение 2 -документы об использовании и внедрении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ¡3o введении обосновывается актуальность .теш, формулируется цель и дается краткий обзор содержания дисс^ртшип, •• -;

В первой главе зо опубликованной научно-технической информации

сделан обзор работ» посвященных вибрации трубных пучков ТА. Рассмотрены механизмы возбуждения колебаний труб, основными из которых являются кинематическое возбуждение и различные кризисные аэродинамические явления, возникающие при обтекании пучка труб потоком теплоносителя. Большой вклад в изучение вибраций труб пучков внесли М.И.Длямовский, С.И.Девнин, С.М.Каплунов, В.И.Катинас, Р.Блевинс, Г.Коннорс, И.Чжень и др. Показано, что данных для определения аэрогидродинамических сил, вызывающих колебания труб ТА в потоке пара, недостаточно.

Приведен обзор работ, связанных с исследованием демпфирования труб при колебаниях в потоках теплоносителей. Рассмотрены работы Н.А.Махутова, С.М.Каплунова, М.И.Алямовского, В.Ф.Синявского, Р.Блевинса, Б.Сопера, С.Чена и..др. Показано,•• что влияние амплитуды колебаний на величину логарифмического декремента труб ТА до конца не изучено. Отмечается, что остается открытым - вопрос о влиянии . на характеристик! ■ демпфирования ■ различных условий отирания труб, в промежуточных перегородках, неизбежно встречающихся в реальных ТА.

Известные методики динамического расчета трубных систем базируются на фундаментальных разработках, по линейным и нелинейным колебаниям стержневых систем, наиболее полно представленных в работах А.Н.Крылова, С.П.Тимошенко,- В.В.Болотина, Я.Г.Пановко, Г.С.Писаренко и ряда других ученых, внесших" значительный вклад в решение прикладных задач линейной и нелинейной механики.- Сравниваются методики расчета трубных систем ТА, разработанные в; ИФТПЭ Литовской АН, НПО ЦКТИ им.И.И.Ползун'ова и в УПИ им.С.М.Кирова. Показано, что эти методики имеют ряд ограничений, которые не позволяют достаточно точно оценить уровень вибрации, в конденсирующих .энергетических ТА. Отмечается, что расчет колебаний пучков теплообменников, набранных из ПВТ, которые рассматриваются в "настоящее время в качестве 'перспективных поверхностей теплообмена, не может быть" выполнен из-за отсутствия данных об

аэродинамических силах, действующих на такие трубы.

На основе проведенного анализа сделаны выводы и намечены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе обоснованы параметры и намечены пути экспериментального исследования, описаны экспериментальные установки, разработанные методики проведения опытов, обработки результатов и оценки погрешности экспериментов.

Исследования вибрации труб в потоке воздуха в • диапазоне Ле от 2 • 104, до 1 • 105 проводились на специально созданном аэродинамическом стенде, рабочая часть которого представлена на рис. I. Рабочая часть 2 размещалась на массивном основании 10, изолированном и от конструкций здания,и от аэродинамической трубы I. Канал рабочей части имел размеры , 100x110x600 мм. Боковые стенки канала были выполнены из оргстекла, что позволяло проводить визуальные наблюдения. В,рабочей части может быть установлен либо пятирядный пучок труб нарушым диаметром 19. мм с разбивкой

,Рис.1.Схема экспериментального участ-ПО равностороннему _ Ка пля исследования вибрации поперечно

обтекаемых пучков труб

треугольнику с продольным

шагом 21,7 мм и поперечным - 25 мм • /(1=1,31 б и 32Л1=1,142), либо одиночная труба. В случае исследования пучка труб все измерения проводились на одной трубе 3, которая имела большую (590 мм) длину, чем остальные трубы пучка 7 и могла располагаться в любом ряду пучка. Большая длина исследуемой трубы, позволяла проводить измерения вибра-

ции трубы бесконтактными вихретоковыми датчиками 5, не загромождая ими рабочий канал. Трубы пучка и исследуемая труба крепились к трубным доскам с помощью. упруго-податливых опор-сифонов 6.- Частота собственных колебаний труб во. всех опытах составляла 24,5 Гц. Так как верхний и.нижний сильфоны трубы обладали равной во всех направлениях упругостью, то движение трубы под действием потока воздуха носило плоскопараллельннй характер, что проверялось и подтверждено специальной серией опытов. Кольцевой ороситель струйного типа 4 (рис. I), расположенный в верхней части исследуемой трубы, обеспечивал создание на поверхности трубы пленки воды толщиной и,i...О,2 ми, что соответствует значению пленочного числа Рейнольдса Re =50. ..ПО. Пленка воды

iwi

на поверхности труб, создаваемая с целью моделирования пленки конденсата, имеющейся на поверхности труб реальных конденсационных ТА, собиралась в конденсатосборник 9. Пучок ПВТ набирался из труб с геометрией профилирования, .рекомендованной, из соображений тепловой эффективности для широкого внедрения в вертикальных ТА турбоустановок ТЭС. Глубина канавки h. трехзаходных ПВТ была, равна 0,61 мм. Расстояние между соседними канавками S равно 8,3 мм.

Конструкционное демпфирование труб ТА исследовалось на втором стенде, который представлял, собой прямоугольную раму 3,5x1,3 м, сваренную из двутавра JM2. Конструкция основания позволяла установить раму в вертикальное или горизонтальное положение. Специальные крепления . обеспечивали ей необходимую жесткость. На раме -была закреплена трехпролэтная труба наружным диаметром 16 мм. Концы трубы были закреплены ц клёммных зажимах, моделирующих защемление труб в трубных досках. Модули, промежуточных перегородок моделировали реальные промежуточные перегородки. Толщина перегородки составляла 16 мм, диаметр отверстия - 16,1 мм. Промежуточные перегородки устанавливались таким образом, что длины всех трех пролетов были равны между собой и сос-таеляли 0.883 м. Конструкция модуля промежуточной перегородки позво-

ляла устанавливать перегородку соооно трубе, а также осуществлять смещение перегородки относительно отцентрованного положения. При проведении опытов с вертикальным положением трубы тлелась возможность подачи вода в зазор между трубой и перегородкой.

Исследования характеристик демпфирования труб натурных ТА проводились на пучках двух натурных теплообменников: ПСВ-500-14-23 (прямые' трубы) и ПН-200-16-7-1 (U-образные трубы).

Изучение аэродинамически возбуждаемой вибрации труб на экспериментальном стенде проводилось с помощью разработанного' и созданного автором измерительно-вычислительного комплекса . (ИВК) на базе микро-ЭВМ "Электроника ДЗ-28". ИВК обеспечивал ввод информации с двух вихретоковых датчиков и ее обработку в реальном времени. Исследования демпфирования труб на лабораторном стенде и на натурных ТА осуществлялось с помощью специально созданной системы измерений, основным элементом которой являлся спроектированный и изготовленный • автором малогабаритный вихретоковый датчик. Запись виброграмм свободных колебаний производилась на магнитограф и обрабатывалась на ИВК -2 в составе управляющей ЭВМ СМ-4 и крейта КАМАК с использованием методики, разработанной в ИМАШ АН СССР. Окончательная обработка всех результатов проводилась на ПЭВМ IBM PC/AT. Расчет погрешности измерений показал , что разработанные экспериментальные стенды и схемы измерений позволяли проводить исследования с высокой степенью точности.

В третьей главе приведены результаты экспериментов , дан их анализ и обобщение.

Исследования вибрации одиночной трубы показали, что колебания возбуадаются за счет срыва вихрей (вихревой резонанс у сухой трубы наступал при значении числа Струхаля Sh=0,173) и благодаря турбулентным пульсациям давления потока воздуха. Опыты на одиночной' трубе подтвердили работоспособность экспериментального стенда, системы измерений и методики проведения опытов. Было получено хорошее совпаде-

ние результатов определения стационарной силы лобового сопротивления и коэффициентов нестационарных аэродинамических сил (подъемной и силы сопротивления) с данными, имеющимися в литературе. Наличие плешей кидкости на поверхности трубы оказывало влияние на амплитуду колебаний последней и на силы, действующие на трубу. Пленка воды приводила к увеличению логарифмического декремента трубы, являясь распределенным вязким демпфером и при отсутствии регулярного срыва с поверхности трубы (до скорости невозмущенного потока воздуха.14 м/с) снижала амплитуду колебаний. Регулярный срыв пленки, начинавшийся при скорости воздуха 14 м/с, приводил к резкому увеличению колебаний трубы из-за дополнительного усилия, оказываемого на трубу каплями срывающейся кидкости. Частота колебаний как сухой' трубы , так и с пленкой воды на поверхности ("орошаемой") во всем, исследованном диапазоне скоростей потока воздуха оставалась близка собственной (с точностью 335). Опыты на одиночной трубе позволили получить новые результаты, связанные с влиянием пленки воды на вибрацию и демпфирование одиночной трубы.

Исследования вибрации пучка труб выявили ряд отличий в поведении труб по сравнению с одиночным цилиндром. При скорости потока, соответствующей совпадению частоты отрыва вихрей с частотой собственных колебаний (11=0,7 м/с для Б11=0,67), не обнаружен амплитудный максимум, обусловленный вихревым возбуждением. Поскольку трубы находятся в потоке воздуха, плотность которого не велика, энергия потока при скорости, соответствующей вихревому резонансу, оказывается недостаточной для возбувдения колебаний со сколь-нибудь значительными амплитудами. Второй причиной отсутствия вихревого резонанса является плотная компоновка пучка (относительный поперечный шаг Б.,/<1=1,316). Распределение плотности вероятности амплитуд колебаний происходило по нормальному закону, что также свидетельствует об отсутствии ярко выраженной периодичности возбувдения труб. Амплитуда исследуемой трубы в направлении по потоку возрастала с ростом скорости достаточно монотонно без

ярко выраженных максимумов во всем исследуемом диапазоне чисел Рей-нольдса. При этом наибольшие амплитуды наблюдались во втором ряду. Амплитуда вибрации труб, расположенных дальше третьего ряда, небольшая и не может вызывать опасений.

Коэффициенты нестационарных сил - силы сопротивления и подъемной силы определялись путем решения дифференциального уравнения движения трубы. Во всех экспериментах было обнаружено, что исследуемая труба колеблется только по первой форме. Поэтому колебательное движение трубы можно описать уравнением одномассовой системы с использованием приведенных параметров:

d^x dx

ш--5- + Сл- + k'X = F(t), (1)

dt2 0 dt

где га - расчетная масса на единицу длины трубы; ' Cg - коэффициент , демпфирования; к - коэффициент жесткости; х - смещение трубы; F(t) -аэродинамическая сила возбуждения; t - время.

При определении F(t) решалась обратная задача: по известной левой часть уравнения (I) определялся массив мгновенных значений возбуждающей силы. Нестационарная аэродинамическая сила пропорциональна динамическому давлению и меняется по срусоидальному закону

F(t) = 0,5 • С'd-1 ф-и^ • sln(o)t), .(2)

где С - искомый коэффициент нестационарной силы; d и 1 - соответственно, диаметр и длина обтекаемого участка трубы; р - плотность воздуха; U - максимальная скорость воздуха в узком сечении; ш - круговая частота пульсации аэродинамической силы.

На рис. 2 представлены зависимости С2 и Су от числа Рейнольдса .для первых трех рядов сухого пучка гладких труб. Средние величины Сх и Су растут по мере продвижения в глубину пучка. Величины коэффициентов нестационарных сил хорошо согласуются с данными ряда работ.

Наличие пленки жидкости (воды) на поверхности труб гладкого пучка приводит к существенным отличиям поведения "орошаемых" труб по сравнению с сухими. Амплитуда колебаний трубы в первых трех рядах

в. Re-fO~+

Рис.2. Срепнеквацратичные значения коэффициентов нестацио-нармих сил, пеяствуиших не трубы,в зависимости от скорости потока воздуха: О в 1-м ряцу, • -во 2-м ряпу, О -в 3-м ряпу

пучка существешо выше, чем в остальных. Однако в отличие от сухих труб максимальная амплитуда была зафиксирована в третьем ряду , а не во втором. Это объясняется дополнительным силовым воздействием, которое оказывают на трубу капли жидкости, срывающиеся с первых двух рядов. В целом.среднее значение амплитуд колебаний "орошаемых" труб на «30% ниже, чем сухих. Это объясняется увеличением демпфирования. В .отличие от одиночной трубы, не'было однозначно зафиксировано начала срыва пленки с поверхности труб. Капли начинали срываться-практически при минимальной скорости воздуха. Не было также зафиксировано и какой -либо периодичности в срыве капель. Процесс срыва пленки является случайным - процессом. Средние значения коэффициентов нестационарных сил, полученные в опытах с "орошаемыми" трубами, превышают величины С и Су для сухих труб. Объясняется это дополнительным силовым воздействием на, тру бы со стороны' срывающихся капель воды. Несмотря на рост величины силы, действувдей на "орошаемые" трубы, амшштуда колебаний труб уменьшилась, что связано с увеличением демпфирования за счет пленки воды.

Обтекание потоком воздуха пучка ÜBT проводилось при тех же условиях, что и гладкотрубного пучка. В отличие от гладких труб, амплиту-

да колебаний сухих ГОТ в первом и втором рядах практически одинаковы, а в третьем ряду - существенно ниже. Как в случае сухих, так и в случае "орошаемых" труб , амплитуда колебаний уменьшалась от первого ряда к пятому, причем на "орошаемых" трубах более значительно. Это связано с особенностями формы ГОТ. Пленка воды, находящаяся в канавке ПВТ, частично закрыта выступом от действия потока воздуха. Это приводит к тому, что срыв пленки с поверхности таких труб затруднен по сравнению с гладкими. Следовательно, на -поверхности ПВТ в единицу времени находится больше жидкости. Это усиливает стабилизирующее действие пленки воды, на ПВТ, проявляющееся в увеличении демпфирования. Уменьшение амплитуды колебаний по мере продвижения в глубину пучка ПВТ объясняется появлением составляющей скорости воздуха, направленной вдоль оси трубы, из-за наличия канавок на поверхности ПВТ. Кроме того, часть воздуха, движущаяся под углом к оси рабочего канала, достигая его стенки и отражаясь от нее, вызывает дополнительную турбулизацию потока воздуха в межтрубном пространстве, что также способствует уменьшению амплитуды. В среднем, амплитуда колебаний ПВТ в первых трех рядах пучка на «30% ниже , чем гладких труб.

Коэфф:щиентн нестационарных сил, получегаше в опытах на пучке ПВТ, также отличаются по величине от значений Сх и Су для гладких труб (рис.3). Если в первом ряду значение коэффициентов нестационарных сил, действующих на ПВТ, близки по величине с£л и С™1, то во втором

норных си/1, реиствумших не профильные витые трубы, в зависимости от скорости потоке воздуха: О-в 1-м ряду?©^во2-м риду^О - в 3-м ряду

и особенно в третьем.ряду величины и С™т существенно меньше. Это связано с появлением составляющей скорости потока, а соответственно, и силы, направленной вдоль оси трубы. Кроме того, развитие турбулентного режима течения потока воздуха, который интенсифицируется как из-за вертикальной составляющей скорости потока, так и из-за формы обтекаемых тел (труб), также способствует уменьшению коэффициентов нестационарных сил. Таким образом, ШТ в целом менее подвержены вибрации, индуцированной поперечным потоком теплоносителя и , следовательно, ТА с ПЗТ имеет большую вибрационную надежность по сравнению с гладкотрубным аппаратом.

Для вибрационных расчетов ТА с ШТ по результатам экспериментальных исследований рекомендовано использовать значения =0,07 и С^^О,!. Эти значения соответствуют средним величинам коэффициентов нестационарных сил, полученным в опытах, когда исследуемая труба находилась в первом ряду. Значения коэффициентов нестационарных сил во втором и третьем рядах ниже, поэтому использование значений С™т и полученных в , первом ряду. • позволит иметь некоторый запас при расчете вибрации, трубных систем ТА. ...

Необходимость уточнения величины логарифмического декремента труб реальных ТА- послужила 'основанием для проведения исследований по влиянию условий контакта трубы с.промежут9чными перегородками. Опыты, проведенные со смещением промежуточных перегородок относительно отцентрованного положения показали, что смещение.оказывает, существенное влияние на уровень демпфирования трубной системы. При этом проявляется зависимость'декремента от амплитуды колебаний. На рис..4 показано изменение логарифмического декремента в зависимости от относительного смещения. Увеличение смещения приводит к снижению уровня демпфирования, при этом весь диапазон изменения можно разбить на три области . В первой (I, рис.4) при смешении перегородок до величины д/с^о.ое происходит значительное уменьшение декремента. Во второй ( при изме-

нении ¿/Од от 0,06 до 0,15В -рис. 4,11) логарифмический декремент практически не менялся. Наконец, в третьей области ( Д/й^ОИ 56 - область III, рис.4) опять наблюдается значительное уменьшение декремента. Объяснение такому изменению демпфирова-

величину логарифмического декременте:

НИЯ мохет быть следующим. . ---А-1,50 мм,---- А-0,25 мм

При отцентрованном положении перегородок основное рассеяние энергии :роисходит за счет виброударных процессов, т.е. наблюдается виброудэр-ное демпфирование. При малых смещениях реализуется децентрованное• положение перегородок как ограничителей колебаний, которое приводит к изменению режима виброударных процессов: смещение увеличивает контактное усилие в перегородках, за счет чего частота контактирования трубы с перегородками уменьшается и, как следствие, уменьшается уровень демпфирования. При дальнейшем увеличении смещения (область II) происходит смешение двух механизмов демпфирования - виброударного и фрикционного. При этом в области II с увеличением смещения перегородок происходит перераспределение доли этих составляющих, т.е. с увеличением смещения увеличивается доля фрикционного демпфирования. В области III (область относительно больших смещений) практически превалирует фрикционное демпфирование.При этом больший уровень смещения перегородок приводит к достаточно большим контактным усилиям прижатия перегородок к трубе, за счет чего уменьшается подвижность трубы в зоне опирания, а это в свою очередь приводит к снижению Потерь на трение и существенному снижению логарифмического декремента. Таким образом, децентрованное положение перегородок приводит к схеме опирания трубы в перегородках как в шарнирах с малым трением.

ч

\ \

I Н III \Ч \

\

0,05 OJO О/3" Q20 ¿fd„

Рис.4,Влияние смешения перегоропок но

Наличие жидкости в зазорах между трубой и перегородками приво; к существенному снижению демпфирования. Увеличение демпфирования ростом амплитуды колебаний свидетельствовало о случае вязк< трения. Уменьшение величины логарифмического декремента по сравненш трубой с "сухими" зазорами связано с тем, что вода препятств; возникновению виброударного процесса типа "дребезга".

Исследование демпфирования труб натурных ТА также показало I щественную свяЗь величины логарифмического декремента с амшшту; колебаний. В условиях электростанции были обследованы два ТА : се1 вой подогреватель ПСВ-500-14-23 и подогреватель низкого давле] ПН-200-16-7-1.' Пучок первого состоит из 1928 прямых труб, имеет те сегментных промежуточных перегородок. Пучок второго состоит из 903 образных труб и имеет три. сегментные перегородки. Условия контакт вания труб в промежуточных перегородках имеют случайный неконтроли емый характер: часть труб касается промежуточных перегородок, ча проходит через отверстия в последних с зазором. Этим.объясняется з: чительЕый разброс.' значения логарифмического декремента и част собственных колебаний труб, полученный в опытах. Разброс частот с тавляет 20...30%. Величины логарифмического декремента отличаются несколько раз для различных труб одного и того же аппарата. Ана скелетных кривых (зависимости амплитуды колебаний от частоты) поз лил для описания колебаний принять модель частотно-независимого т ния. В результате цифровой фильтрации, нелинейного сглаживания и реднения данных по всем виброграммам для каждой трубы были получ достаточно гладкие декремэнтные кривые (зависимости логарифмическ де!фемента от амплитуды). Модель частотно-независимого трения опре ляется зависимостью ■

; б = а-А(п~1К (3

где б - логарифмический декремент; А - амплитуда колебаний, мм; а : - коэффициенты.

Зависимостью вида (3) удалось описать функцию декремента от р

литуды для всех исследованных труб со средней погрешностью 8,6 %. Максимальная погрешность составила 15$. ■ .

Труба, имеющая минимальное демпфирование, быстрее всех остальных труб может разрушиться из-за вибрации.с большой амплитудой. Выход из' строя одной трубы ведет к останову ТА и связанным с этим экономическим потерям. Поэтому при вибрационном расчете ТА лучше ориентироваться на наихудший вариант. Для расчета ТА указанных типов рекомендована зависимость вида (3) со следующими значениями коэффициентов: для ПСЕ500-14-23 - а=0,096, п=1.207, для ПН-200-16-7-1 а=0,2б1, п=1,905.

В четвертой главе вкратце описана методика вибрационного расчета трубных систем ТА, разработанная совместно УПИ и НПО ЦКТИ.

Для расчета вибрации однородных труб ТА используется дифференциальное уравнение в виде

<Э4у 32у Зу

El--т + m--=-■ + С--- P(x,t) , (4)

dz4 dt2 0t ■

где EI - изгибная жесткость; ш - расчетная масса трубы на единицу трубы; С - коэффициент, учитывающий демпфирование трубы; F(x,t) - возбуждающая гидродинамическая сила.

В исходной методике коэффициент С принимается пропорциональным скорости движения трубы и зависящим от материала труб, количества промежуточных, перегородок и конфигурации- пучка. Возбуждающая гидродинамическая сила имеет разный вид в зависимости от вида возбуждения. В случае вихревого возбуждения она имеет вид

F(t) = cyd-p.(U2/2).8ln to t,- (5)

где Су - коэффициент подъемной' силы; d - диаметр трубы; р - плотность теплоносителя; U ~ средняя скорость в наименьшем проходном сечении пучка; ыр - круговая частота отрыва вихрей.

В случае расчета вибрации., возбуждаемой турбулентностью потока, для описания используют статистические методы. В этом случае силу выражают через спектр пульсации местной скорости.

Для определения границы возникновения гидроупругой неустойчивое-

та (наиболее опасный вид возбуждения колебаний труй) используется зависимость

51 у--' •

и^ = (0,8 + 1,7-5-)-/т-а/р -1.

Далее в четвертой главе описывается, в чем заключалось уточнение указанной методики. Основные уточнения касались определения логарифмического декремента и коэффициентов нестационарных сил. В уточненной методике вначале логарифмический декремент определяется в зависимости от материала трубы, количества промежуточных перегородок, конфигурации пучка и скорости потока теплоносителя. Затем определяется амплитуда колебаний и по формуле вида (3) уточняется значение логарифмического декремента. После этого определяется новое значение амплитуды колебаний и вновь уточняется величина логарифмического декремента. Итерационный цикл заканчивается-, когда отклонение величины логарифмического декремента не превышает 1%. При. расчетах- вибрации пучков ПВТ используются значения коэффициентов нестационарных сил, полученные в'экспериментах.

Сопоставление результатов расчета подогревателя ПСВ-500-14-23 по методике УШ-ЦКТИ и по уточненной методике показало,- что расчет по уточненной методике дает .меньшие величины амплитуды колебаний, что связано с учетом амплитудно-зависимого демпфирования. Расчет экспериментального пучка по уточненной методике' дал удовлетворительное совпадение результатов расчета с экспериментальными данными (см.рис.5), в

то время как расчет по исходной методике дает существенно отличные от эксперимента результаты. Некоторое завышение расчетных данных г. области Не<Ь'10ч связано с тем, что расчет ведетсч и& првлподажегая о возбуждении колебаний одновременно за счет срыва вихрей к 'турбулентных пульсаций давления, в то время как эксперименты показали, что возбуждение за счет отрыва вихрей отсутствует или оно незначительно.

ОСНОВНЫЕ-РЕЗУЛЬТАТЫ-И ВЫВОДЫ . -

1. В результате проведенных исследований подтверждены данные ряда авторов об основных механизмах'возбуждения колебания труб ТА в поперечном потоке.газа. Показано, что-вибрация возникает: в результате отрыва вихрей • с поверхности труб , за счет турбулентных пульсаций

давления потока, а,,также в результате взаимодействия- труб пучка между

. • . ■ ' - 'г-' ■ ■ -•-."-

собой; последнийМеханизм возбуждения колебаний труб возможен только в

пучках. . -

2. Установлено, что: при всех механизмах возбуждения и во всем исследованном диапазоне изменения скорости набегающего потока воздуха частота колебаний поперечно обтекаемых 'труб практически равна частоте собственных колебаний.

'3. Впервые исследовано влияние наличия плешей вода на поверхности труб, обтекаемых потоком газа на характеристики демпфирования труо. на величину не стационарах аэродинамических сил и на амплитуду колебаний труб. Установлено, что пленка вызывает увеличении демп^тро-вакия трубы, являясь распределенным вязким демпфором. При отсутстнии регулярного срыва пленки с поверхности труок в большей степени- прояв-ляется стабилизирующее действие пленки, в то время как регулярный срыв ее оказывает дестабилизирующее -действие' на трубу, увеличивая нестационарные 'силы и амплитуду колебаний.. Дестабилизирующее действие пленки ь больней степени проявляется на одиночной труое. .

4. Показано, что профильные витые трубы удорггвавт на своей поверхности большее 1соллчество жидкости, что проявляется в более знача-

тельном стабилизирующем действии пленки , чем на гладких трубах, что объясняется особыми аэродинамическими свойствами ШТ.

5. При поперечном обтекании потоком воздуха пучка ПВТ появляется составляющая скорости потока, направленная вдоль оси трубы. Это уменьшает силовое воздействие потока на ПВТ, что приводит к снижению амплитуды колебаний. '■-■.-

6. Впервые получены значения коэффициентов нестационарных сил для пучков ПВТ. Установлено, что коэффициенты нестационарных сил мало изменяются в исследованном диапазоне" скоростей потока газа. Коэффициент подъемной силы по значению всегда больше, чем коэффициент силы ■сопротивления. Для практических расчетов на вибрацию ТА с ПВТ рекомендуются значения коэффициентов: С™т=0,07, С™т =0,1.

л ¿г

7. Изучено конструкционное демпфирование трубных пучкоБ натурных ТА типа ПСВ-500-14-23 и ПН-200-16-7-1. Установлено, что процесс рассеяния энергии колебаний труб ТА, проходящих с зазором через отверстия в промежуточных перегородках, подтверждает гипотезу частотно -независимого демпфирования. Обнаружено влияние амплитуды колебаний на логарифмический декремент. Установлено, что декремент нелинейно зависит от амплитуды. Смещение промежуточных перегородок от соосного с трубой положения приводит к уменьшению конструкционного демпфирования трубы и опирание трубы в перегородке приближается к шарнирному. Наличие жидкости, (вода) в -зазоре мевду трубой и перегородкой также реализует опираниеблизкое к шарнирному.

. 8. Показано, что значение частот собственных колебаний и логарифмических декрементов труб натурных ТА имеют значительный разброс, вызванный различным. неконтролируемым характером опирания труб в отверстиях промежуточных перегородок.

9. На основе обобщения всего комплекса исследований уточнена методика вибрационного расчета труб энергетических ТА. Показано, что согласование, опытных и расчетных (по уточненной методике) данных вполне удовлетворительное.

10. По результатам проведэнного исследования сформулирован ряд практических рекомендаций , которые используются как при проектировании новых, так и при модернизации действующих энергетических ТА. '

Основное содержание диссертации опубликовано, в работах:

1. Аэродинамический стенд для исследования колебаний труб тепло-обменных аппаратов в поперечном потоке газа/Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Плотников П.Н., Блинков-JI.H. / Урал.политехи,ин-т. Свердловск, 1983. Деп. в НШЭинформэнергомаш, 1984,- Л190эм-Д83. 10 с.

2. Брезгин В.И., Охртин С.Е. Аэродинамическое сопротивление поперечно обтекаемой трубы, орошаемой пленкой жидкости//Тезисы докладов II Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные вопросы теплофизики". Новосибирск, 1987.

3. Повышение вибрационной надежности теплообменных аппаратов в условиях эксплуатации / Плотников П.Н.. Купцов В.К., Брезгин В.И., Краснова Г.И.//Информэнерго, Энергетика и электрификация. Сер. "Монтаж оборудования ТЭС", экспресс-информация, 1983. Вып.6.

4. Вибронадежность конденсирующих теплообменных аппаратов низкого давления с пучками из профильных труб /Плотников.П.Н., Бродов D.M., Брезгин В.'И., Пермяков В.А.//Труды ЦКТИ. Я 220. 1985.

■ 5. Гидродинамика пленки конденсата на поверхности вертикальных гладких и профильных витых труб теплообменников в потоке газа / Бродов Ю.М., Брезгин В.И., Аронсон К.Э., Рябчиков А.Ю., Берг Б.В. / Урал, политехи, ин-т. Свердловск, 1985. Деп. в ШШЭинформэнергомаш, 1985, Л 282-эм. 12 с. •

6. Плотников ' П.Н., Бродов Ю.М., Брезгин B.Ii. Исследование проницаемости промежуточных перегородок вертикальных теплообменных аппара-тов//Известия вузов. Энергетика'. 1988. №2. С.75-79.

7. Брезгин B.W., Бродов Ю.М., Климанов В.И. Измерительно-вычислительный комплекс для автоматизированного экспериментального

- гг -г

исследования динамических систем / Урал, политехи, ин-т. Свердловск 1989. Деп. в ВИНИТИ. 1989, 6645-В89, 16 с.

8. Брезгин В.И. Аэродинамическое возбуждение колебаний труб имеющих на поверхности пленку жидкости' // Тезисы Всесоюзной науч но-технический конференции "Аэроупругость элементов машин и сооруже ний", Севастополь, 1990. С.21.

9. Савельев Р.З., Плотников П.Н., Брезгин В.И. Расчет аэроупру гих колебаний трубных систем конденсирующих теплообменников // Тезис Всесоюзной научно-технической кок^реншта "Аэроупругость злементо матан и сооружений".. Севастополь, 1ЛХ). С.69.

10. Брезгин Е;.И., Плотников ПЛ.. Савельев Р.З. Динамически нагрузки и расчет трубных систем теплообменных аппаратов // Тезисы I Всесоюзной научно-технической конференции "Гидроупругость и долговеч ность конструкций энергетического оборудования". Каунас, 1990.

11. Плотников П.Н., Купцов В.К., Брезгин В.И. Конструкционно демпфирование трубных систем теплообменных аппаратов//Тезисы II Всесо юзной научно-технической конференции "Гидроупругость и долговечност конструкций энергетического оборудования". Каунас, 1990.

12. Поперечная направляющая. перегородка кожухотрубного .теплооб манника/ Купцов'В.К.,:Плотников П.Н., Брезгин В.И.//Положительное ре шение по заявке на изобретение № 4681932/24-06(057860).

Подписано в печать ¿2.11.90 Формат 60x84 1/10

Бумага "пиочая Плоская печать- Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.л. 1,СС 'Тираж ЮС Заказ 984 .Бесплатно

Редакционно-издательскиЙ отдел ЭТИ игл.0.1,1.Кирова 6ХСС2, Свердловск, УШ1, 8-Л учебный корпус Ротапринт УПИ. б^ССС^, Свердловск, У1М, 8-Л учебнттЛ корпус