Вибрационная прочность гладких и профильных трубных систем теплообменных аппаратов

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 1980 г. 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 параб) исследование параметров колебаний трубных систем различных теплообменных аппаратов в условиях эксплуатации и всестороннее исследование демпфирующих свойств таких системв) разработка методики динамического расчета С/- и П-образ-ных трубных систем теплообменных аппаратов.