Диссертация (Повышение вибропрочности трубных пучков теплообменных аппаратов при гидроупругом возбуждении колебаний)

ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ ИМ. А. А. БЛАГОНРАВОВАРОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУКНа правах рукописиСамолысов Алексей ВитальевичПОВЫШЕНИЕ ВИБРОПРОЧНОСТИТРУБНЫХ ПУЧКОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПРИГИДРОУПРУГОМ ВОЗБУЖДЕНИИ КОЛЕБАНИЙДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наук01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование,эксплуатацию и вывод из эксплуатацииНаучный руководительдоктор технических наукКаплунов С. М.Москва-20162СодержаниеСтр.Введение ……………………………………………………………………........4Глава 1.

Аэрогидродинамические нагрузки на конструкции в потокесреды …………………………………………………….....................131.1.Обтекание потоком одиночных тел ……………………………….131.2.Поведение потока при обтекании конструкции теплообменногооборудования ………..…………………………………………..…1.3.20Поток при взаимодействии с многокомпонентнымиконструкциями трубных пучков ………………….……………….21Глава 2. Анализ механизмов возбуждения колебаний трубных пучковв поперечном потоке жидкости ………………………………...…...232.1.Общие сведения о конструкциях теплообменных аппаратов …...232.2.Турбулентный бафтинг ……………………………………….……272.3.Периодический вихревой отрыв …………………………….….…282.4.Гидроупругое возбуждение …………………………………..……312.5.Выводы о природе и характере нагрузок от потока наконструкцию для приведенных механизмов возбуждения ……...43Глава 3. Математическая модель гидроупругого механизмавозбуждения колебаний системы плохообтекаемых тел впоперечном потоке жидкости ……………………………….……..3.1.45Основные характеристики моделируемого механизмавозбуждения ..............................…………………………………..… 453.2.Методы решения граничной задачи и определение действующихна многокомпонентные конструкции гидродинамическихнагрузок …………………………………………………….……….473.2.1.

Метод отражения ………………………….…………………493.2.2. Метод конформного отображения ……………….…………523.2.3. Метод коллокаций ………………………………….………..533Стр.3.3.Описание математической модели гидроупругого механизмавозбуждения колебаний системы плохообтекаемых тел впоперечном потоке жидкости …………………………….………..3.4.56Методология определения критической скорости течения. Схемачисленного эксперимента для определения матриц влияния ……623.5.Алгоритм проведения численного эксперимента………………….

653.6.Особенности применения модели гидроупругого механизмавозбуждения колебаний для многокомпонентных конструкций впоперечном потоке среды ……………………………………….....Глава 4.Основныерезультатыпоопределению66устойчивостимногокомпонентных трубных систем ……………….…………694.1.Определение устойчивости ряда из трех труб ……….…………..694.2.Методика восстановления матрицы линейнойгидродинамической связи …………………………………..……..714.2.1 Алгоритм определения устойчивости для ряда из пятитрубок …………………………………………………………….…754.3.Расчет обтекания фрагмента трубного пучка ……………….……784.4.Анализ динамических характеристик больших трубных пучков81Заключение ………………………………………………………….…………..83Основные результаты и выводы диссертационной работы ……………....85Список литературы …………………...………………………………….…….87Приложение ……………....………………………………………………….…. 1004ВведениеНа современном этапе развития атомной энергетики во всем мире однойиз главных задач является повышение мощности реакторных блоков приодновременном обеспечении требуемого уровня их безопасности.

Однако приэтоместьрядпричин,которыемогутпрепятствоватьдостижениюпоставленной задачи. Приведем основные из них:- ресурс действующих ядерных энергетических установок исчерпанпримерно на 60%, что следует из анализа многочисленных работ, проведенныхв ИМАШ РАН под руководством Н. А. Махутова, и многие страны планируютпродлить эксплуатацию своих реакторов сверх первоначально установленногоресурса.

Это приводит к более значительному исчерпанию ресурса наиболееважных элементов реакторных установок и увеличивает вероятность серьезныхаварий. В тоже время, сам механизм исчерпания ресурса реакторовнедостаточно изучен и сложно прогнозировать интенсивность его проявления;- у всех действующих реакторов есть серьезные недостатки в областибезопасности, которые нельзяустранить путем модернизацииуровнязащищенности;- крупная авария на водо-водяном реакторе типа ВВЭР (самыйраспространенныйтипядерныхреакторов)можетпривестиккрупномасштабной катастрофе;- ведущие предприятия атомной промышленности модернизируют своиядерные энергетические установки путем повышения рабочих характеристик(давление, температура, скорость теплоносителя), что, в свою очередь,повышает удельную теплоэнергонапряженность агрегатов, т.е.

ускоряетпроцесс выработки ресурса и снижает долговечность оборудования. При этомстандарты для этих предприятий не всегда в полном объеме учитывают этиновые условия работы.Проблема обеспечения безопасности ВВЭР в штатных и нештатныхситуациях является жизненно важной в ближайшие десятилетия в России из-заисчерпаниясрокаслужбыбольшогочислаблоковАЭСсВВЭР,5необходимости их полной замены или модернизации с существеннымиинтеллектуальными и финансовыми затратами [78].Согласно данным статистики, приведенным в [54, 64], до 30% остановокэнергетических блоков происходит вследствие выхода из строя теплообменныхаппаратов, что обусловлено интенсивными вибрациями теплообменныхтрубных пучков, как одних из наиболее нагруженных элементов данныхконструкций. В связи с этим актуальной становится задача созданияматематических моделей, позволяющих производить оценку и анализгидродинамически возбуждаемых вибраций трубных пучков.Численное моделирование позволяет в значительной мере избежатьдлительных,трудоемких,чрезвычайнодорогихполнообъемныхэкспериментальных исследований на натурных объектах, особенно таких, какмощные современные стационарные энергетические установки АЭС, ГРЭС,ГЭС, энергетические установкив судостроении, а такжеразличныемногокомпонентные конструкции.Необходимоотметитьтакже,чтоприсозданиисовременныхматематических моделей должны учитываться накопленные за многие годыисследований экспериментальные данные и опыт их анализа, представленные влитературе авторами М.

И. Алямовским, С. И. Девниным (Ленинград, ЦНИИ45 им. А. Н. Крылова), Р. Д. Блевинсом (США, Исследовательский Центр СанДиего,), С. С. Ченом (Аргоннская лаборатория, США), С. М. Каплуновым, Н.А. Махутовым, Л. Я. Банах (ИМАШ РАН, Москва), К. К. Федяевским, Г. М.Фоминым (ЦАГИ), Л. В. Смирновым и Н. Я. Николаевым (ННГУ, НИИ Мех,Нижний Новгород), В. С. Федотовским и Т. Н. Верещагиной (ФЭИ, Обнинск),Х.

Танакой (Мицубиси-центр, Япония), Д. Уивероми М. Пайдуссисом(Канада).Теоретическийподходиразработанныевпоследниегодыматематические модели позволяют свести к минимуму, но не позволяютполностью обойтись без экспериментальных данных. Поэтому экспериментостается важным методом познания и исследования, при помощи которого6проверяется справедливость гипотез, моделей, и устанавливаются границы ихприменимости.Окончательный вывод о пригодности предлагаемых математическихмоделей расчета колебаний пучков труб и их адекватности для реальныхконструкций может проводиться исключительно на основе сравнения срезультатамиэкспериментальныхисследованийнанатурныхполномасштабных объектах или на их крупномасштабных или фрагментарныхмоделях.В связи с этим, при проектировании теплообменных аппаратоввозникают задачи определения областей параметров, в которых возможнывызванные потоком теплоносителя интенсивные колебания труб с большимиамплитудами.Спомощьюфизическихэкспериментовдоказано,чтовозможность проявления гидроупругого механизма возбуждения труб являетсянедопустимой для рабочих диапазонов энергетического оборудования.Таким образом, исходя из приведенной выше классификации исовременных тенденций развития атомной энергетики, можно утверждать, чтонаиболее возможным в целях экономии средств и снижения затрат дляувеличения мощности реактора будет увеличение скорости теплоносителя.Важно отметить, что перед тем как увеличивать мощность посредствомувеличения скоростей потока теплоносителя в реакторных установках стоитоценитьвероятностьвозникновенияповышенногоизноса,которыйвзначительной степени происходит из – за повышения амплитуд вибрацийтрубок в пучке.К примеру, в 2012 г.

на АЭС «Сан Онофре» (США) после заменыпарогенератора в 2010 г. с увеличенными значениями скоростей теплоносителяна различных режимах работы было обнаружено, что на трубах парогенератораимеется около 900 индексаций износа, которые свидетельствуют обинтенсивном виброизносе труб. При этом 129 трубок было подвергнутоиспытаниям, в восьми из них были выявлены течи. После этого былоофициально заявлено, что механизмом повреждения труб явился их7виброизнос, наиболее интенсивно протекающий в местах контактов труб сперегородками или между собой, что определяет наличие гидроупругогомеханизма возбуждения.

Реакторная установка была остановлена, а наличиеповышенного виброизноса было объяснено природой гидродинамическихмеханизмов возбуждения.Цели и задачи исследования. Цель исследования – разработкаметодикиповышениявибропрочностипрямотрубныхтеплообменныхаппаратов на основе результатов исследования механизмов возбужденияколебаний трубных пучков и определения границ потери их устойчивости.В работе рассматриваются вибрации пучков труб теплообменников,вызванные наличием гидродинамических механизмов возбуждения при ихобтекании поперечным потоком теплоносителя.

Гидродинамические нагрузки,действующиенатеплообменныепучкитруб,объясняютсяналичиемнестационарного отрывного течения в межтрубном пространстве, а такжесложнымипроцессами,происходящимивгустомпучкесбольшимколичеством труб. Математическая интерпретация описываемых явленийтребуетразработкидовольнотрудоемкихмоделей. Наиболееполныематематические модели были получены С. С. Ченом и М. И. Алямовским наоснове проведения дорогостоящих физических экспериментов.Задачидиссертационногоисследования:получениекомплексакритериев подобия для гидроупругого возбуждения колебаний труб; созданиематематической модели гидроупругого механизма возбуждения колебанийтруб теплообменников; определение нестационарных гидродинамических сил,действующих на трубки в пучках с регулярной компоновкой поперечногосечения, состоящих из большого числа трубок путем расчета сил длянебольшого фрагмента пучка; построение алгоритма численного определенияматриц влияния в системе «жидкость – труба» с заданными конструктивнымипараметрами.Предложеннаямодельчисленногоэкспериментадолжнабытьиспользована для полного воспроизведения всех основных механизмов8возбуждения колебаний трубных пучков, а именно: периодического вихревогоотрыва и гидроупругого возбуждения.Объектамиприложениярезультатовисследованийявляютсяответственные комплексы теплообменного оборудования, теплообменныеаппараты различного назначения, двигательные установки в энергетическом,атомном и газонефтехимическом машиностроении, а также в судостроении.Таким образом, основной целью данной работы является созданиематематической модели гидроупругого механизма возбуждения колебанийтрубного пучка, на основе использования которой проводится численноемоделирование и анализ устойчивости рассматриваемой многокомпонентнойсистемы с верификацией полученных данных.Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит извведения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.Основное содержание работы изложено на 116 листах, включая 32 рисунка и15 таблиц. Список литературы включает 126 источников.Во введении обоснована актуальность выбранной темы, указаныосновные направления исследований и сформулированы цель и задачи работы.Перваяглава рассматривает гидродинамические процессы припоперечном обтекании трубных систем, зависимости гидродинамических силот числа Re и угла срыва вихрей как для одиночной трубы так и для трубныхпучков различной густоты.