关于计算类学士学位论文范文 跟凝汽器换热管振动计算程序开发方面论文如何写

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凝汽器换热管振动计算程序开发

摘 要:凝汽器是汽轮机装置的重要组成部分,为了避免其内部设置的换热管因腐蚀或振动而损坏导致设备机组停运等严重后果,以确保设备的安全可靠运行,根据振动机理对凝汽器管束编制可视化计算程序进行振动相关计算,为凝汽器管束设计提供理论依据,并以某600 MW工程凝汽器管束为例进行振动计算,结果显示,该管系设计参数均满足防止管束振动的要求,指出该计算方法可直接用于工程设计中,对振动判断更加方便准确,可提高设计效率,有效防止管束振动破坏.

关键词:汽轮机;凝汽器;换热管;管束振动

中图分类号:TK264.1+1 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2017.07.096

凝汽器将凝汽式汽轮机的排汽凝结成水,以保持所要求的真空,其稳定性直接影响着电厂运行的可靠性.凝汽器是用于冷热流体交换热量的设备,内部设置有一定数量的换热管,结构复杂.换热管的破坏形式除了腐蚀以外,主要由管束振动引起,管束振动会造成换热管损坏、设备机组停运等严重后果.因此,管束振动的分析计算尤为重要.对凝汽器管束振动的计算方法进行研究总结,编制可视化计算程序进行振动相关计算方法,可为凝汽器管束的工程设计提供必要的数据支撑,为凝汽器换热管的设计提供参考.

1 管束振动机理

凝汽器管束振动一般可分为由汽轮机等机械干扰力引起的共振响应和由高速排汽流冲击管束引起的激振[1].

1.1 振动导致管子磨损和破坏

当壳程流体沿垂直于管子轴线方向流过管束时将诱发管束振动或声振动,严重时可导致以下几种结果:一是相邻管子之间发生相互碰撞,使管子受到磨损而开裂;二是管子因不断撞击支撑板孔而被折断;三是管子与管板连接处发生泄流;四是使管子疲劳破坏;五是造成声压级高达150 dB(A)的噪音污染;六是造成壳程流体的压力降增大.

1.2 机械共振

当管子固有频率与机械干扰激振频率相接近时,发生振动响应,管子会迅速损坏;凝汽器管束为两端固定,中间简支,其固有频率的大小可根据GB/T 151—2014 热交换器或TEMA相关参数公式进行计算.

1.3 流体诱发振动

高速排汽流冲击管束引起激振的基本机制主要是卡门漩涡脱落共振、紊流抖振、声学共振和流体弹性失稳4种.

1)卡门漩涡脱落共振.当流体掠过凝汽器换热管时,如果雷诺数达到一定程度,将使边界层发生分离,在换热管两侧形成成对、交错排列、旋转方向相反的对称漩涡,这种对称漩涡产生的力导致气体动力学不稳定,引起压力分布发生变化,导致作用在换热管上流体压力的大小和方向发生变化,引起换热管振动.

2)紊流抖振.卡门漩涡脱落共振现象一般只发生在管束的最外几排管子上,在密排的管束中,因没有足够的空间让形成的卡门漩涡脱落,规律性的卡门漩涡将被宽频带的脉动紊流漩涡代替[2];在气流横向流过换热管束时,管束局部区域会产生紊流,对换热管束产生冲击,从而引起压力波动,这种压力波动有着较宽的频率范围和随机性,就是紊流抖振.在设计凝汽器换热管束时,通常会提高蒸汽在换热管束中的流速,以达到紊流流动,强化传热;但较高的流速会使换热管束形成激振,引起紊流抖振.

3)声学共振.蒸汽进入凝汽器壳程后,在与流动方向和换热管轴线都垂直的方向上形成声学驻波,当声学驻波频率和卡门漩涡频率或紊流抖振主频率一致时[3],出现一种耦合现象,流体流动的动能被转换成谐振的压力波,产生声学共振.顺排管束和错排管束都有可能发生声学共振.

4)流体弹性失稳.当流体的横向流动速度达到临界值以后,流体弹性力对管束所做的功将大于管束阻尼作用消耗的功,从而使管子产生大振幅振动[2],称为流体弹性激振.发生流体弹性激振时换热管处于不稳定状态,即使流速增量很小,换热管的振幅也会随着流速的增加而急剧增大,使相邻的换热管发生碰撞而导致损坏.

2 振动判断

2.1 管束机械共振

当凝汽器换热管固有频率fn(一阶、二阶)与汽轮机产生的激振源频率(3 000 r/min汽轮机的激振源频率为50 Hz)的避开率小于 20%时,可能发生共振.

2.2 管束振动判断

GB/T 151—2014 热交换器中引入TEMA的卡门漩涡激振振幅和紊流抖振振幅作为振动判断条件之一,当出现下列条件中的任意条件之一时,可能出现管束振动和破坏.

1)卡门漩涡频率fv与换热管固有频率f1之比大于0.5.

2)紊流抖振频率ft与换热管固有频率f1之比大于0.5.

3)换热管最大振幅Max(yv,yt)>0.02do.

4)横流速度v大于临界横流速度vC.

其中,yv为壳程流体在换热管第一振形时,中部管跨的最大振幅,m;yt为换热管紊流抖振最大振幅,m;do为换热管外径,m.

2.3 声振动判断

无因次声共振参数的表达式主要有陈延年表达式、Fitzpatrick表达式、Ziada表达式;实验数据表明当壳程流体为蒸汽时,顺排管束采用Fitzpatrick表达式计算,而错排管束采用Ziada表达式判断声振动的准确率比较高[4].当出现下列条件之中的任意条件之一时,可能发生声振动.

1)对于凝汽器,一阶与二阶振形的声频在下列范围内:0.8 fv<fa<1.2 fv或0.8 ft<fa<1.2 ft;

2)对顺排管束,计算无因次声共振参数ψ1在下列范围内

8 200(do/l)-3 000<ψ1<8 200(do/l)-700.(1)

ψ1 等于 .(2)

式中:Re为雷诺数,无因次Re 等于 vdo /υ,其中,υ为蒸汽运动黏度,m2/s;M为马赫数,无因次M 等于 v/c,其中,c为声速,m/s;St为斯特罗哈数;l为纵向换热管中心距,m;k为横向换热管中心距,m.

3)对错排管束,计算无因次声共振参数ψ2,在下列范围内时,查ψ2—(l/h)图,确定是否可能出现振动(见图1).

ψ2 等于 Re1/2.(3)

h 等于(k - do)/2 g>(k - do)/2,

g

g<(k - do)/2 . (4)

式中:h为管束中蒸汽喷射的最小宽度,m;g为管间隙,m.

3 凝汽器振动计算程序设计

1)计算程序的编制.根据上述凝汽器管束振动的机理及各种参数的计算方法,编制计算程序,程序中集成了凝汽器常用不锈钢及钛材料(TP304,TP316,TP317,TA0,TA1,TA2等)的密度和在不同温度下的弹性模量;拟合计算中用到的曲线、图表数据;调用IFC97模块对管外蒸汽流体进行比容、定压比热、定容比热、运动黏度等参数的计算.程序具有操作界面简单友好,集成参数全面,自动对振动作出判断的优点.计算时仅需要输入结构参数即可,计算结果可输出TXT文件供留底存档.第98页图2为程序流程框图.

2)校核计算.以某600 MW工程凝汽器管束为例进行振动计算,参数及计算结果的程序界面见第98页图3.

根据计算结果,该管系设计参数均满足固有频率、卡门漩涡振幅、紊流抖振振幅、声频、横流速度、无因次声振参数在防止振动上的要求,不会产生振动破坏,可进一步进行结构设计.

4 结束语

基于凝汽器管束振动的机理,对管束振动方法进行研究总结,建立了一套管束振动计算程序.通过实际工程的应用,证明该设计可方便准确地判断冷凝器的管束振动,能有效防止管束振动的破坏.

(责任编辑 石俊仙)

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