Оптимальный выбор конструкционных параметров прямотрубных теплообменных аппаратов повышенной вибропрочности

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 взаимодействия 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 комбинаций) 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 2008 г. 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 2008 г., 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 2009 г. 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 2009 г.;

• 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 2010 г., 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 — echanger 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.

1.А., Каплунов С. М., Прусс J1.B. Вибрация и долговечность судового энергетического оборудования. — JL: Судостроение, 1985. — 382 с.

2. Девнин С. И. Гидроупругость конструкций при отрывном обтекании. JL: Судостроение, 1975. — 287 с.

3. Blevins R.D. Flow-induced vibration. N.-Y.: Van Nastrand Reinhold, 1977. -512 p.

4. Chen S.S. Flow induced vibration of circular cylindrical structures. -Washington, New York, London: Hemishere publishing corporation, 1987. 438P.

5. Connors H.J., Jr. Fluid elastic vibrations of tube arrays excited by cross flow // ASME Winter Annual Meeting: Proceedings of the Symposium on Flow-Induced Vibrations in Heat Exchangers Dec. 1, 1970. New York, 1970. — P. 173 -187.

6. Tanaka H., Takahara S. Fluid elastic vibration of tube array in cross flow // Journal Sound & Vibration. 1981. — № 77. — P. 19 — 37.

7. Аксиса Ф., Антунеш Дж., Виллар Б. Обзор методов расчета гидродинамически возбуждаемых вибраций //Тр. амер. общ. инж.-мех. Теоретические основы инженерных расчетов. № 4. 1988. с. 109−123.

8. Смирнов Л. Ф., Овчинников В. Ф. Колебания элементов конструкции ЯЭУ, вызванные потоком теплоносителя. Обзор. Часть 2 // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Динамика атомных энергетических установок. М., 1976.-Вып. 1 (9).-С.З -24.

9. Жукаускас А. А., Улинскас Р. В., Катинас В. И. Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб. Вильнюс: Мокслас, 1984. — 384 с.

10. Heinecke Е.Р., Mohr K.N. Investigation of fluid borne forces in heat exchangers with tubes in cross flow // Proceedings of the 3rd International Conference on Vibration in Nuclear Plant. Keswick, U.K. 1982. — Pap. № 36.

11. Чжен Ю. Н. Отрывные течения.-«Мир», 1972 г.

12. Morkovih M.V. Flow around circular cylinder a Koleidoskope of challenging fluid phenomena. — «Fluids engineering division conference», ASME, 1964.

13. H. Kerner Smith. Vibration in Nuclear Reactor Heat Exchangers One Manufacturer’s Veiwpoint in Proc. of the Winter Annual Meeting of the ASME on Flow Induced Vibration in Heat Exchangers, New York, 1970.

14. Жукаускас А. А., Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. 472 с.

15. Вольмир А. С. Оболочки в потоке жидкости и газа: Задачи гидроупругости, — м.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. —320 с.

16. Чжень Ю. Н. Колебания подъемной силы обусловленные вихревыми дорожками Кармена за одиночными круговыми цилиндрами и в пучках труб. // Тр. амер. общ. инж.-мех. Конструирование и технология машиностроения. 1972. № 2 с. 111−139.

17. Федоров В .Г. Частоты колебаний труб теплообменников. «Наука», 1978 г.

18. Гусаров А. А., Федоров В. Г. Частоты колебаний трубных пучков в потоке теплоносителя. «Наука» 1977 г.

19. РТМ 108.302.03−86. Парогенераторы АЭС. Расчет вибраций теплообмен-ных труб. НПО ЦКТИ. 1987.

20. H.JI. Голего, А .Я. Алябьев, В. В. Шевеля. Фреттинг-коррозия металлов. Киев. Техника. 1974.

21. Трение изнашивание и смазка. Справочник в 2-х кн. М. Машиностроение. 1979.

22. G.F. Archard, W. Hirst. The Wear of Vetals under Unlubricated conditions. Proc. Roy. Soc. of London, Ser. A. 1956. № 236.

23. H.H. Uhlig. Mechanism of Fretting-Corrosion. J. Appl. Mech. 1954, № 21.

24. P. Degli Espinosa, G. belli, G. Possa. Fuel string Dynamics and Pressure Tube Fretting-Corrosion in the CIRENE Power Channel. In Proc. of the Intern. Conf. «Vibration in Nuclear Plant». UK, Keswick, 1978.

25. A.E. Collinson, LP. Warneford. Vibration Test of Single Heat Exchanger Tubes in Air and Static Water. In Proc. of the Intern. Conf. «Vibration in Nuclear Plant». UK, Keswick, 1978.

26. MJ. Pettigrew, C.E. Taylor, N.J. Fisher, M. Yetisir, B.A.W. Smith. Flow-Induced Vibration: Recent Findings and Open Questions. Trans, of the 14th Int. Conf. on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 14), Lyon, France, 1997.

27. Блевинс Р. Д., Фреттинг-износ трубок теплообменников. Часть 2. Модели. Энергетические машины и установки, 1979 г.

28. Блевинс Р. Д. Фреттинг-износ трубок теплообменников. Часть 1. Эксперименты. Энергетические машины и установки, 1979 г.

29. Фесенко С. С. Определение силовых параметров взаимодействия трубки с ограничителем. «ВИНИТИ, № 4712−82 Деп.

30. Chen S.S. Flow induced instability of an elastic tube. — «Nucl. Engng. and Des.», 1972.

31. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7−002−86) / ГосатомэнергонадзорСССР М.: Энергоатомиздат, 1989.

32. ASME. Boiler and Pressure Vessel Code, Rules for Constraction of Nuclear Power Plants Components, Sec. Ill, Div. I: Appendices, 1995.

33. Вальес Н. Г., Гусаров А. А., Каплунов C.M. Расчет отрывного обтекания цилиндра методом численного эксперимента. «Наукова думка», 1980.

34. Chen S.S. A mathematical model for cross-flow-induced vibration of tube rows. Trans ASME J. of Engng. for industry. Vol.99. № 2. 1977 — p.415−425.

35. Блевинс P.Д. Гидроупругие вихревые колебания одиночных рядов и пучков труб // Теоретические основы инженерных расчетов. Сер. Д. М., 1977. Т. 99. № 3. — С. 109- 115.

36. Blevins R.D. Fluid elastic whirling of a tube row. Journal of pressure technology. — Trans ASME , — Ser. J, 1974.

37. Chen S.S. Cross Flow — induced vibration of heat exchangers tube banks. -" Nucl. Engng. and Des.", 1978.

38. Ландау Л. Д., Лифшиц E.M. Механика сплошных сред. «ОГИЗ, гос. из-д.техн.», 1974 г.

39. Милн-Томсон Л. М. Теоретическая гидродинамика. «Мир», 1964 г.

40. Чен С. С. Колебания решетки круговых цилиндров в жидкости: Пер. с англ. // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1975. -Т. 97.-№ 4. — С. 244−326.

41. Чен С. С. (Chen S.S.) Колебания решетки круговых цилиндров в жидкости.- «Конструкция и технологическое машиностроение. Тр.Ам. Общ.Инж. Мех.№ 3 1977 г.

42. Определение матрицы присоединенных масс, численное исследование собственных и вынужденных колебаний пучка цилиндра в неподвижнойжидкости. Отчет к гос. рег. Х32 869 №Г78 000, 1979 г.

43. Chen S.S. Vibration of nuclear fuel bundles. «Nucl. Engng. and Des., 35», 1975. p.399−422.

44. Bathe К J., Wilson E.L. Numerical methods in finite element analysis. N.Y.: Prenitice-Holl. 1976. 522 p.

45. Tanaka H., Takahara S., Kagawa K., Ota K. Stady on fluidelastic vibration of tube arrays using modal analysis technique // Mitsubishi Heavy Industries Texnical Review. 1980. Vol/17, — № 2. — P.97 -107.

46. Chen S.S. Guidelines for the instability flow velocity of tube arrays in cross flow. //J. Sound and Vibr. Vol.93. № 3. 1984 -p.419−433.

47. Каплунов C.M., Фесенко Т. Н., Шитова Л. И., Шумилов Б. А. Динамические характеристики регулярных трубных систем теплообменных аппаратов в поперечном однофазном потоке теплоносителя. //Теплоэнергетика. М.: Энергоатомиздат. № 4. 1991. с.46−51.

48. Chen S.S., Zhu S., and Jendrzejczyk J.A. Fluid damping and fluid stiffness of a tube row in crossflow // ASME: Flow-Induced Vibration. 1994. — PVP — Vol. 273.-P. 15−31.

49. Chen S.S., Jendrzejczyk J.A., Wambsganss M.W. Dynamics of Tubes in Fluid With Tube-baffle interaction.// ASME: Journal of pressure vessel technology. 1985. Vol. 107/7.-P. 7−17.

50. S. Granger, R. Campistron, J. Lebert. An Experimental Analysis of the Mechanisms Underlying Fluid-Elastic Coupling in a Square In-line Tube Bundle Subject to Water Cross-Flow. In Proc. of the Intern. Conf. «Flow-Induced Vibration» .UK, Brighton, 1991.

51. Крагельский И. В., Алисин B.B. Трение, изнашивание и смазка: Справочник в 2-х книгах.- М.: Машиностроение, 1978. 340 с.

52. Статников И. Н., Фирсов Г. И. ПЛП-поиск эвристический метод решения прикладных задач оптимизации // Практика применения научного обеспечения в образовании и научных исследованиях. — Санкт-Петербург: СПбГУ, 2003. — С. 54 — 57.

53. Каплунов С. М., Кобринский A.A., Статников И. Н. К анализу двухмерных виброударных колебаний для многопролетных труб теплообменных аппаратов // Нелинейные колебания механических систем № 4. Горький: Изд. ГГу, 1987, с. 91−93.

54. Статников И. Н. О структурировании пространства исследуемых параметров в задачах проектирования машин и механизмов // Проблемы машиностроения и надежности машин. № 5, М, «Наука» ., 2000, с. 11 — 17.

55. Статников И. Н., Андреенков Е. В. ПЛП-поиск эвристический метод решения задач математического программирования. М: Изд. МГУДТ, 2006 -с.140.

56. Соболь И. М. Многомерные квадратурные формулы и функции Хаара. -М.: НаукаГлавн. ред. физ-мат. лит., 1969. 288 с.

57. Статников И. Н., Фирсов Г. И. Методика аппроксимации результатов вычислительного эксперимента в задачах исследования динамики механических систем // Необратимые процессы в природе и технике. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. — С. 201−203.

58. Статников И. Н. О планировании поиска оптимальных решений в задачах проектирования машин на основе ЛП-сеток. // Механика машин. № 52. -М, «Наука» ., 1977, с. 116 — 123.

59. Митрапольский А. К. Техника статических вычислений.- //ФИЗМАТЛИТ. -М.:Наука,, 1971. 576с.