Бродов Ю.М. Савельев Р.З. Конденсационные установки паровых турбин

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 3.S. Значения частотного коэффициента для равнопролетных трубных систем

171

Для неравнопролетных трубных систем конденсатора зна-

чения могут быть рассчитаны только с использованием

численных методов решения на ЭВМ. Необходимо отметить,

что частоты собственных колебаний трубок конденсатора долж-

ны быть определены как для случая трубок, заполненных

водой, так и для случая опорожненных трубок (последнее

важно для конденсаторов теплофикационных турбин).

Для надежной отстройки полученные значения собствен-

ных частот должны отличаться от частоты кинематического

возбуждения как минимум на +25%. Необходимая отстройка

достигается обычно изменением длин пролетов или числа

промежуточных перегородок [24].

При аэродинамическом возбуждении наиболее опасные

колебания трубок, инициируемые потоком пара в межтруб-

ном пространстве, происходят при поперечном и косом обте-

кании трубок, что в большей степени характерно для конден-

саторов паровых турбин. При этом колебания трубок могут

вызываться в результате действия трех механизмов возбужде-

ния: в результате срыва вихрей, за счет турбулентных пульса-

ций потока и при возникновении аэрогидроупругой неус-

тойчивости трубок в пучке.

Возбуждение трубок в результате срыва вихрей определяет-

ся периодическими аэродинамическими силами, возникаю-

щими в процессе формирования и отрыва вихрей с образую-

щей трубки. При поперечном отрыве вихрей то с одной, то с

другой стороны трубки ее обтекание становится асимметрич-

ным. На трубку начинает действовать периодическая аэроди-

намическая сила, способная раскачать упруго установленную

трубку поперек потока.

Для сравнения разных ситуаций, в которых происходит

срыв вихрей, используется безразмерный критерий — число

Струхаля (sh), зависящий от шага между трубками (в направ-

лении, перпендикулярном направлению движения пара) и

способа разбивки. В пучках трубок с относительным попере-

чным шагом- (см. рис. 3.1) вихревое возбуждение

проявляется только в первых рядах трубок.

Максимальная амплитуда вынужденных колебаний трубок

[51] в середине пролета

172

где — коэффициент аэродинамической силы (с =0,6 для

первого ряда трубок пучка, =0,4 для последующих рядов);

— плотность пара, кг/м

; — скорость

пара в узком сечении пучка, м/с; — скорость пара перед

входом в пучок, м/с; — частота срыва вихрей,

Гц; при для пучка с треугольной

разбивкой и при

— полная масса единицы трубки , с учетом

присоединенной массы теплоносителя снаружи трубки и

присоединенной массы теплоносителя снаружи трубки

— коэффициент присоединения

массы (для пучков с можно принимать

— декремент колебаний; —

частота собственных колебаний трубки по первой форме, Гц.

Демпфирование колебаний вызвано потерями энергии

колебаний в элементах конструкции трубного пучка (кон-

струкционное демпфирование ) и в окружающей трубу

среде (аэрогидродинамическое демпфирование ). Декремент

колебаний может быть рассчитан [51] по формуле

173

Конструкционное демпфирование при колебаниях трубки

определяется рассеянием энергии в материале трубки, от тре-

ния трубки в промежуточных перегородках и от ударов ко-

леблющейся трубки о промежуточные перегородки из-за имею-

щихся в них зазоров. Декремент колебаний зависит от мате-

риала трубки, системы расстановки промежуточных перего-

родок и их конструкции.

На рис. 3.30 показано изменение для трубок из различ-

ных материалов в зависимости от числа пролетов (при к > 8

определяется экстраполяцией).

Расчет декремента колебаний , вызванного аэрогидроди-

намическим демпфированием, производится [51] по формуле

Для пучков с коэффициент аэрогидродинами-

ческого демпфирования рассчитывается по формуле

Рис. 3.30. Зависимость для оценки дек-

ремента колебаний

1—трубки из латуни, медно-никеле-

вых сплавов и мельхиора; 2—трубки из

нержавеющей стали

174

коэффициент аэрогидродинамического демпфирования при

колебаниях одиночной трубки в неограниченном объеме теп-

лоносителя

В последней формуле — коэффициенты динами-

ческой вязкости, кг/см, кинематической вязкости, м

/с, и

скорость теплоносителя м/с соответственно; — коэффици-

ент гидравлического сопротивления пучка трубок (рис. 3.31).

Возбуждение трубок турбулентными пульсациями потока

происходит за счет возникновения пульсирующего давления

на поверхности трубок. Такое давление на поверхности тру-

бок является случайным, и его спектр распределен в широкой

полосе частот. Трубки от потока получают энергию для под-

держания колебаний с частотами, близкими к собственным

частотам трубных систем. При этом амплитуда колебаний

трубок плавно увеличивается с ростом скорости потока, по-

скольку энергия турбулентных пульсаций возрастает с увели-

чением скорости.

Максимальная амплитуда вибраций середины пролета трубки

при возбуждении турбулентными пульсациями потока может

быть рассчитана [51] по формуле

Рис. 3.31. Коэффициент гидравлического сопротивления пучка трубок [32]

175

(3.15)

где c

— коэффициент силы лобового сопротивления, зависит

от геометрии пучка и числа Рейнольдса; при общепринятых

ного нормированного спектра [51], определяется в зависимос-

ти от безразмерной частоты по графику на

рис. 3.32. Остальные обозначения см. выше.

Механизм возбуждения турбулентными пульсациями прак-

тически всегда накладывается на механизм вихревого возбуж-

дения труб. В этом случае максимальная амплитуда вибраций

с вероятностью 0,997 может быть оценена [51] по следующей

формуле:

Рис 3 32 Нормативный энергети-

ческий спектр пульсаций скорости

Аэрогидроупругая неустойчи-

вость трубок в пучке обычно про-

является при больших скоростях

потока и вызывает существенное

увеличение амплитуды колебаний

трубок. Происходит это следую-

щим образом. Когда трубный пу-

чок подвергается действию высо-

коскоростного поперечного пото-

ка, то теплоноситель внутри зазо-

ров между трубками ускоряется.

Средняя аэрогидродинамическая

сила на трубках является в значи-

тельной степени функцией этих

зазоров в пучке. Если трубка сдви-

гается от своего нормального рав-

новесного положения, то будут из-

176

меняться размеры зазоров между ней и смежными трубками,

и поэтому будут изменяться аэрогидродинамические силы не

только на изменившей свое положение трубке, но и на смеж-

ных трубках. Если трубка движется как поперек потока, так и

вдоль потока совместно со смежными трубками, то тогда для

трубки возможно получение энергии от потока. Если эта

энергия превышает энергию, расходуемую на демпфирование

при движении трубки, то амплитуда вибрации значительно

возрастает и трубки становятся неустойчивыми, при этом

частота колебаний трубок соответствует частоте собственных

колебаний.

Достаточно надежным способом предохранения трубного

пучка от аэрогидроупругой неустойчивости является исклю-

чение таких режимов работы конденсатора, при которых ско-

рость потока в межтрубном пространстве равна или превы-

шает критическую скорость потока и* для данного пучка, т. е.

(3.17)

После выполнения расчетов по формулам (2.14)—(3.17) не-

обходимо проверить отсутствие соударений труб между собой

в серединах пролетов по формуле

и рассчитать возникновение в материале трубок напряжения

при известных перемещениях При этом если амплитуда

колебаний определялась в крайнем пролете, то максимальные

напряжения возникнут в месте защемления трубки

а если амплитуда колебаний определялась в одном из средних

пролетов, то максимальные напряжения возникнут в середи-

не пролета трубки

177

где Е — модуль упругости материала трубок, Па; J — осевой

момент инерции поперечного сечения трубки, м

; W — осе¬

вой момент сопротивления поперечного сечения трубки, м

В качестве допускаемых напряжений в данном случае можно

принимать предел усталостной прочности для материала тру¬

бок.

Более подробно с методикой расчета трубок конденсаторов

на вибрацию можно ознакомиться в [51].

3.10. Системы автоматизированного проектирования

конденсаторов

Автоматизация проектных работ — это комплексная про¬

блема, требующая взаимосвязанных средств методического

программного, информационного, технического и организа¬

ционного обеспечения.

При автоматизации проектирования приходится решать

следующие основные задачи:

ввод, хранение и изменение разнообразной информации о

проектируемом объекте, оборудовании, нормах и т. п. с воз¬

можностью прямого доступа к базе данных со стороны как

поставщиков, так и потребителей информации;

выполнение многовариантных расчетов, включая оптими¬

зацию проектных решений;

формирование в ЭВМ проектной документации в виде таб¬

лиц, графиков или чертежей и их выдача на алфавитно-циф¬

ровые или чертежно-графические устройства.

Из-за своей сложности САПР не может быть создана сразу

вся целиком, а создается как развивающаяся, адаптируемая

система. САПР требуют, наряду с наличием пакета приклад¬

ных программ, позволяющих проводить различные виды рас¬

четов оборудования, и развитых баз данных, средств, дающих

возможность осуществить моделирование, геометрическое

проектирование, отображение информации в виде чертежей,

графиков, текстовой документации.

Опыт применения САПР опровергает распространенное

мнение о том, что конструирование с помощью САПР позво¬

ляет получить более совершенную конструкцию, чем при

обычном проектировании.

Основное преимущество использования САПР — эффек¬

тивное выполнение чертежных работ, при этом производи-

178

тельность труда конструктора повышается в 2—10 раз. При

традиционном конструировании внесение изменений в чер¬

тежи сопряжено с трудностями, даже если изделие не нахо¬

дится в производстве, а с помощью САПР коррективы вно¬

сятся достаточно быстро и надежно.

В перспективе САПР должны быть взаимосвязаны с систе¬

мами автоматизации производства (САП), включающими в

себя промышленные работы, станки с числовым программ¬

ным управлением, автоматизированные системы управления

технологическими процессами.

Эффективность САПР/САП в меньшей степени определя¬

ется показателями прямой экономии, связанными с результа¬

тами автоматизации производства (снижением затрат на оп¬

лату труда, электроэнергии, топлива и т. д.). Более значитель¬

ной оказывается экономия косвенная, связанная с ускорени¬

ем производственного цикла и его гибкости, снижением уровня

незавершенного производства и складских запасов, повыше¬

нием эффективности проектирования и других видов инже¬

нерной деятельности.

В настоящее время на турбостроительных заводах, изготав¬

ливающих конденсаторы, разработано большое количество

программ, позволяющих проводить тепловые, гидродинами¬

ческие и прочностные расчеты аппаратов. Результаты расче¬

тов, как правило, оформляются в виде расчетно-пояснитель-

ной записки, в которой представляются в виде графиков или

таблиц и необходимого текста.

В настоящее время в ряде организаций ведутся работы по

созданию САПР элементов конденсатора.

НПО ЦКТИ, например, разрабатывается система, позво¬

ляющая проводить автоматизированное проектирование труб¬

ных досок и промежуточных перегородок конденсатора.

На первом этапе с помощью программного комплекса, ре¬

ализующего одномерный теплогидравлический расчет кон¬

денсатора, проводится сравнительная оценка различных ва¬

риантов компоновки трубного пучка с исследованием влия¬

ния различных факторов на эффективность работы конденса¬

ционной установки. Проектировщик может воспользоваться

вариантами компоновок, хранящихся в базе данных, вводя в

них необходимые изменения, либо создать на экране дисплея

новую компоновку.

В процессе расчета проводится учет изменения основных

179

параметров паровоздушной смеси и условий теплообмена по

пути ее движения в трубном пучке и влияние воздухоудаляю-

щего устройства на работу конденсатора. У проектировщика

есть возможность оценить новые конструктивные решения,

например применение наклонного или вертикального распо¬

ложения трубок, профилированных трубок, новых материа¬

лов.

На основе вариантных расчетов может быть сделан выбор

периметра первого ряда трубного пучка и ширины ленты

(числа рядов трубок по ходу пара). Определяется также тепло¬

вое состояние трубок, которое необходимо знать для расчетов

прочности трубок и трубных досок при различных режимах

работы конденсатора.

На основе одномерного детального теплового расчета задача

проектирования и совершенствования конструкции конден¬

сатора формулируется как задача оптимизации основных пара¬

метров трубного пучка. В этом случае число трубок на входе

и число рядов трубок по ходу пара в различных зонах, на

которые функционально делится поверхность конденсатора,

могут быть выбраны в качестве оптимизируемых параметров.

В качестве критерия оптимизации используется поверх¬

ность охлаждения при заданных давлении на входе в конден¬

сатор и объемной производительности воздухоотсасывающе-

го устройства.

После окончания вариантных расчетов чертеж трубной до¬

ски с разбивкой отверстий под трубки можно получить на

графопостроителе. Предусмотрено также получение ленты

числового управления для станка, на котором будет выпол¬

няться сверление отверстий в трубных досках.

Разработкой элементов САПР конденсаторов паровых тур¬

бин, кроме НПО ЦКТИ, в настоящее время занимаются МЭИ,

ИПМ АН Украины, УПИ.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте основные принципы и рекомендации, обеспечивающие вы¬

сокую эффективность конденсаторов.

2. Назовите способы разбивки трубок в трубном пучке. Чем они характеризу¬

ются?

3. Укажите параметры, характеризующие величины заполнения и использова¬

ния трубной доски конденсатора. Как они связаны между собой?

4. Перечислите типы компоновки трубных пучков конденсаторов в зависимос¬

ти от направления движения парового потока. Сопоставьте их между собой.

180