МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБНЫХ СИСТЕМ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ СЕТЕВОЙ ВОДЫ

РД 24.271.01—88

МИНИСТЕРСТВО ТЯЖЕЛОГО, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ СССР

Москва

1990

© Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования нм. И. И. Ползунова (НПО ЦКТИ), 1990.

РД 24.271.01—88 С. 9

В вертикальных ПНД и ПСВ трубные пучки с U-образными или прямыми трубами, как правило, устанавливаются консольно: основная трубная доска, в которой закреплены концы труб, закрепляется по периферии между фланцами корпуса и водяной камеры или непосредственно вваривается в корпус.

Нижняя (или верхняя при нижнем расположении основной водяной камеры) часть трубного пучка при этом располагается в корпусе свободно, что обеспечивает возможность термического расширения трубной системы относительно корпуса.

2.11. При разработке данного РД были использованы источники, перечень которых приведен в приложении 6. Они могут быть также использованы в качестве дополнительной справочной литературы при выполнении вибрационных расчетов различных вариантов конструктивных схем трубных пучков. Ряд полезных для конструктора сведений можно найти, например, в РТМ 108.302.03—86.

3. ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ТРУБНЫХ СИСТЕМАХ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

3.1.    Существуют две основные причины возбуждения колебаний трубных систем подогревателей: первая — это механическая энергия колебаний, передаваемая на трубный пучок от несбалансированных вращающихся узлов турбоагрегата и других механизмов машинного зала (кинематическое возбуждение); вторая — это аэрогидродинамические явления, возникающие при обтекании трубных пучков потоком теплоносителя (аэродинамическое возбуждение).

3.2.    Кинематическое воздействие передается через опорные конструкции и трубопроводы, которыми подогреватель связан непосредственно с турбиной и насосами. Частотный спектр кинематического возбуждения обычно известен. Наибольшей интенсивностью при кинематическом возбуждении обладают колебания с частотой, равной частоте вращения ротора турбины (50 Гц при п = 3000 мин^-1 и 25 Гц при п=1500 мин^-1). Отстройка частот собственных колебаний трубных систем подогревателей от частоты кинематического возбуждения является достаточной и надежной защитой трубного пучка от вибрационных повреждений, при этом более предпочтительной является отстройка вверх, т. е. когда частота собственных колебаний выше вынужденной частоты.

3.3.    Наиболее опасные колебания трубных систем подогревателей, инициируемые потоком теплоносителя в межтрубном пространстве, происходят при поперечном и косом обтекании труб (аэродинамическое возбуждение).

При этом действуют три основные механизма возбуждения колебаний труб:

срыв вихрей (в дальнейшем — вихревое возбуждение);

турбулентные пульсации потока;

аэрогидроупругая неустойчивость труб в пучке (в дальнейшем — гидроупругая неустойчивость).

3.3.1.    Вихревое возбуждение труб определяется периодическими аэродинамическими силами (пульсирующая подъемная сила и сила лобового сопротивления), возникающими в процессе формирования и отрыва вихрей с образующей трубы. В кормовой части поверхности поперечно обтекаемой трубы или трубы, обтекаемой под некоторым углом, ввиду наличия положительного градиента давления появляется обратное течение и формируются вихри. При поперечном отрыве вихрей то с одной, то с другой стороны трубы ее обтекание становится асимметричным. На трубу начинает действовать периодическая аэродинамическая сила, способная раскачать упруго установленную трубу. Аэродинамическая сила, возникающая вследствие отрыва вихрей, изменяется по синусоидальному закону.

Для сравнения разных ситуаций, в которых происходит срыв вихрей, используется безразмерный критерий — число Струхаля Sh. Число Струхаля для трубных пучков существенно зависит от шага между трубами и способа разбивки.

Трубы подогревателей как упругие системы обладают собственной частотой колебаний. При приближении частоты отрыва вихрей к собственной частоте колебаний труб амплитуда колебаний возрастает. Знание частоты отрыва вихрей и собственной частоты колебаний трубной системы позволяет при проектировании теплообменников предотвратить это явление методом отстройки частот.

3.3.2.    Энергия турбулентных пульсаций скорости потока в трубном пучке теплообменника переходит в пульсирующее давление на поверхности труб. Такие давления на поверхности труб являются случайными, так как энергетический спектр пульсаций распределен в широкой полосе частот i амплитуды пульсирующего давления на поверхности труб непрерывно изменяются. При этом турбулентные пульсации действуют во всем диапазоне параметров теплоносителя и силы, которые создают турбулентные пульсации, не зависят от незначительных перемещений труб. Трубы получают от потока энергию для поддержания колебаний с частотами, близкими к собственным частотам трубны> систем. Амплитуда возбуждаемых турбулентностью вибраций плавно увеличивается с ростом скорост! потока, поскольку энергия турбулентных пульсаций возрастает с увеличением скорости. Этот вид возбуждения практически опасен только при течении теплоносителя в теплообменнике с большой скоростью, так как энергия турбулентных пульсаций при малых скоростях недостаточна для созданиг больших вибраций. Необходимо отметить, что механизм возбуждения турбулентными пульсациям! практически всегда накладывается на механизм вихревого возбуждения труб.

3.3.3.    Гидроупругая неустойчивость труб в пучке проявляется при больших скоростях потока i вызывает существенное увеличение амплитуды колебаний труб. Этот механизм возбуждения возни

С. 10 РД 24.271.01—88

кает следующим образом. Когда трубный пучок подвергается действию высокоскоростного поперечного потока, происходит ускорение течения жидкости в зазорах между трубами. Средняя гидродинамическая сила на трубах является в значительной степени функцией этих зазоров в пучке. Когда труба сдвинется от своего нормального равновесного положения, то изменятся размеры зазоров между ней и смежными трубами, и поэтому будет изменяться гидродинамическая сила не только на изменившей свое положение трубе, но и на смежных трубах. Если труба движется как поперек, так и вдоль потока совместно со смежными трубами, то тогда для трубы возможно получение энергии от потока. В случае, когда эта энергия превышает энергию, расходуемую на демпфирование при движении трубы, то амплитуда вибрации значительно возрастает и трубы становятся неустойчивыми.

При скоростях ниже критической вибрация труб первоначально вызывается турбулентностью или срывом вихрей. При превышении критической скорости амплитуда труб увеличивается очень резко, при этом частота колебаний труб соответствует частоте собственных колебаний.

Достаточно надежным способом предохранения трубного пучка от гидроупругой неустойчивости является исключение таких режимов работы теплообменника, при которых скорость потока в межтрубном пространстве равна критической скорости потока для данного пучка или превышает ее.

4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБНЫХ СИСТЕМ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

4.1.    Общие положения

4.1.1.    В условиях эксплуатации турбоустановок имеет место вибрация трубных пучков теплообменных аппаратов. Причинами возникновения вибрации являются: кризисные гидродинамические явления в трубных пучках аппаратов, пульсация теплоносителей, наложение вибрации от турбин и других расположенных вблизи механизмов. Трубы в теплообменных аппаратах колеблются в режиме автоколебаний с частотой, практически равной или близкой к частоте собственных колебаний; амплитуда колебаний пропорциональна скорости набегающего потока теплоносителя (см. п. 3.1).

Вибрация трубных систем приводит к нарушению плотности соединений труб с трубными досками, к истиранию труб в местах прохода их через промежуточные перегородки, а в пролетах с большими длинами — к соударениям и обрыву труб вблизи трубных досок.

Для предотвращения опасной вибрации труб конструирование теплообменных аппаратов производится таким образом, чтобы низшая (первая) частота их собственных колебаний отличалась от частоты возмущающей силы (резонансной частоты) на 25%• Величина отстройки для высоких частот устанавливается при конструировании.

Частота собственных колебаний трубных систем в основном определяется системой расстановки и конструкцией промежуточных перегородок.

4.1.2.    Расчет вибрационных характеристик трубных систем производится как поверочный. Исходной схемой для расчета служит система расстановки промежуточных перегородок, выбранная на основе данных теплового и гидравлического расчетов и предварительной конструктивной проработки аппаратов. Расчет осуществляется по заданным поверхностям теплообмена, известным конструктивным размерам, параметрам теплоносителей и условиям работы аппарата. Примеры оформления исходных данных для таких поверочных расчетов приведены на черт. 2—5.

В настоящем РД при расчете трубных систем определяются частота собственных колебаний, амплитуда и напряжения от изгибных колебаний.

4.1.3.    Исходными данными для проведения расчета являются:

предварительная конструктивная схема трубного пучка (см. черт. 2—5);

геометрические характеристики труб и трубного пучка;

физические и механические свойства материала труб;

условия закрепления труб в трубных досках, промежуточных перегородках;

наличие дистанционирующих элементов;

частота вынужденных колебаний;

параметры теплоносителя, обтекающего трубный пучок (скорость, давление, температура, фазовое состояние).

4.1.4.    При расчете частоты собственных колебаний колебания различных труб в аппарате считаются независимыми. Расчет частоты собственных колебаний пучков из прямых труб, опирающихся на различное число промежуточных перегородок (трубы, расположенные в центральной или периферийной части пучка), проводится для всех характерных случаев опирания.

При расчете трубных систем с пучками из труб с U-образными и П-образными гибами обязательному расчету частоты собственных колебаний подвергаются трубы с минимальным и максимальным радиусами гибов (R& и R_M) или соответственно с минимальным и максимальным размерами горизонтального участка на трубах с П-образными гибами (Егор), а также три-четыре типоразмера труб с промежуточными значениями этих размеров. Расчет величин амплитуд колебаний теплообменных труб производится для каждого пролета трубной системы.

4.1.5.    Эксплуатация подогревателей на режимах, при которых возникают условия гидроупругой неустойчивости теплообменных труб, параметрический резонанс, а также происходит совпадение соб-

РД 24.271.01—88 С. 11

ственной частоты колебаний труб с частотой возмущающей гидродинамической силы, возможна только после дополнительного обоснования; в противном случае она недопустима.

4.1.6.    При анализе системы расстановки перегородок необходимо выполнение следующих условий:

частота собственных колебаний трубы не должна совпадать с частотами вынужденных колебаний здания (/вын~Ю Гц), турбины (f_sын = 50 Гц при числе оборотов « = 3000 мин-' и /вын=25 Гц при п = 1500 мин^-1);

частота собственных колебаний не должна совпадать с частотой срыва вихрей парового потока, определяемой по формуле

х Shffi)_K

где Sh — число Струхаля (для развитого турбулентного режима течения Sh = 0,2);

w_H — скорость пара;

d_H — наружный диаметр трубы.

Проверка этого условия должна проводиться на основе данных теплового расчета для значений минимальной и максимальной скорости потока пара, набегающего на трубный пучок или его участки.

Величина возникающих напряжений не должна превышать предела выносливости (усталостной прочности) применяемых материалов.

4.1.7.    Расчеты частоты собственных колебаний должны проводиться для двух режимов работы аппаратов:

трубный пучок заполнен водой;

трубный пучок без воды.

4.1.8.    Если расчетные значения частоты собственных колебаний или напряжения от изгибных колебаний отличаются от допустимых, необходимо изменить систему расстановки перегородок и провести повторный расчет, включая и теплогидравлический. Уменьшение длин пролетов приводит к повышению частоты собственных колебаний труб и уменьшению напряжений.

4.1.9.    Для снижения износа труб вследствие вибрации в местах прохода их через промежуточные перегородки диаметральный зазор между отверстием в перегородке и трубой по верхнему предельному размеру ее диаметра должен составлять не более 0,2 мм. Чистота обработки отверстий не должна быть ниже Rz = 40.

С целью повышения долговечности трубных систем рекомендуется выполнять скругление кромок радиусом 1—2 мм с обеих сторон отверстий в промежуточных перегородках и с внутренней стороны (ориентированной к пучку) трубных досок.

Промежуточные перегородки рекомендуется выполнять толщиной 15—25 мм.

4.1.10.    Оценка вибрационных характеристик производится в следующей последовательности:

определяются частоты собственных колебаний;

определяются декременты колебаний;

определяются условия обтекания потоком теплоносителя различных участков теплообменных труб;

определяются возможные механизмы возбуждения вибраций;

рассчитываются вибрации труб.

Программа расчета вибрационных характеристик, разработанная НПО ЦКТИ и УПИ для ЭВМ типа ЕС, находится в НПО ЦКТИ и может быть использована всеми заинтересованными организациями.

4.2. Расчет частот собственных колебаний

4.2.1.    Определение частот собственных колебаний производится только для поперечных (изгибных) колебаний, причем влияние поперечных сдвигов и инерции вращения поперечных сечений не учитывается. Вычисление собственных частот может проводиться методом начальных параметров, изложенным в-данном РД, а при усложнении расчетных схем — например, методом конечных элементов.

4.2.2.    Расчет частот собственных колебаний проводится для низшей, т. е. основной или первой формы колебаний.

4.2.3.    Трубка подогревателя представляется в виде статически неопределимой балки постоянного сечения с равномерно распределенной массой.

Принимается, что трубка жестко закреплена на концах (развальцована или приварена в трубных досках). Опирание труб в промежуточных перегородках (при величине диаметрального зазора между трубой и промежуточной перегородкой не более 0,2 мм и наличии пленки жидкости в зазоре) принято шарнирным. Наличие связки на горизонтальном участке труб с П-образными гибами учитывается как шарнирное опирание.

Предполагается, что опирание труб в отверстиях промежуточной перегородки осуществляется с небольшим зазором так, что обеспечивается свободное кручение трубы вокруг ее оси.

РД 24.271.01—88 С. 13

Решение этого уравнения, все величины которого зависят от f, можно получить методом линейных приближений, задавая последовательно значения f и вычисляя значения tp_N. Те значения f, при которых удовлетворяется уравнение, и представляют собой частоту собственных колебаний трубной системы.

Число высших частот собственных колебаний, превышающее число пролетов рассчитываемой трубы, определять нецелесообразно.

4.4. Определение частоты собственных колебаний труб с U-образными гибами

Расчет частоты собственных колебаний труб с U-образными гибами производится для колебаний из плоскости кривизны. Уравнение колебаний составляется на основе метода перемещений в виде определителя. При колебаниях из плоскости происходят деформации изгиба и кручения, поэтому в точке сопряжения криволинейного участка с прямолинейным накладываются две условные шарнирные связи. Расчетная схема и нумерация узлов приведены на черт. 7, б.

Характеристическое уравнение для этой системы имеет вид [13]:

¹ ~ У El ’    “    V GF

=    — dty —площадь поперечного сечения

трубы; расчет т и / — см. п. 4.2.4.

Коэффициенты жесткости: для криволинейного участка /i₄=100/?~^l; для прямолинейных участков i_jh—100l ~¹.

Здесь / = 3, 4,. . .,/г; k = 5, б, ...,п+2; i3=100L~^!; л — число наложенных связей; l_ik — длина прямолинейных участков; L — длина всего прямолинейного участка (см. черт. 7,6).

В зависимости от величины иц дальнейший расчет проводится по трем различным вариантам.

Вариант 1. Если и\₄ < 1,338, то корни характеристического уравнения (3) будут Ц, и Ц. По ним вычисляются:

'■-и = + 1    ^42    =    +    У    Ц^Л43 — Н~ Т Ц •

Вариант 2. Если 1,338<ыj₄<22,■458, то корни уравнения (3) будут 'i-l = ai + ia2', ^ = 04— ia?.

По ним находятся:

hi = + УЦ:    г,    =    у/’а]    +    a]    sin    (±-    arctg    -    J);

Яг = V«? + °-l cos (4~ arctg

Вариант 3. Если м₁₄>22,458, то по корням уравнения (3) /.f, и Щ находятся:

^}-01 = + У Ц; ^62 = + УЦ,; '-оз=+УЦ ■

Дальнейшая последовательность составления определителя приведена в приложении 3.

4.5. Определение частоты собственных колебаний труб с П-образными гибами

4.5.1. Расчет частоты собственных колебаний труб с П-образными гибами производится для колебаний из плоскости кривизны. Уравнение колебаний составляется на основе метода перемещении в виде определителя. Расчетная схема и нумерация узлов приведены на черт. 8. При колебаниях из плоскости рамы в отдельных ее элементах кроме изгиба возникает деформация кручения, поэтому в узлах 3 и 6 (см. черт. 8) накладываются условные дополнительные связи, устраняющие как линейные смещения, так и кручение.

Коэффициенты жесткости прямолинейных участков:

*/* = 100#.

С. 14 РД 24.271.01—88

Обозначения т, I, F — см. пп. 4.2.4 и 4.2.6. Значение и_}ь = 1_}к<ы вычисляется для каждого пролета трубы, например:

“зв — ^звР,! ^v3,n+i^==ve,_n+'. = ^L$f

Поправочные коэффициенты реакций от единичных смещений трубы находятся по уравнениям:

_{/ ч} «/* ch Ujk sin и-}/, — sh uj_k cos «/*

Ф² \^uJk) "4    1 — ch ujk cos Uj_k    *

^_ ujk sh uj_k—sin u_Jk

\з \Mjk) 2 l — ch Ujk cos Ujk *

<    \—    ^sh    Ujk - Sin u_jk '

\ 5 (^ajk) 6    1 — ch «/ft COS «/ft ’

,    ,    _    “/ft    chu/ft—cos И/ft _

Tfl \^u]k) — б 1 - ch Ujk cos «/* ’

_{# x} u³Jk ch Ujk sin Ujk + sh Ujk cos u_jk Ф'» (“/*) = "To    1 - ch Ujk cos Ujk ’

^ _x и?* sh «/* + sin Ujk 'b* V^u/ft) — —\o~ 1 -ch «/* cos Uj_k *

Реакции в связях от единичных смещений трубы определяются по уравнениям:

7*11 = 12 --ⁱ- 'i,₀ («₂₄) *f- 12 ~f²" Фю (^м3б)    “23    ,2    1ЛЛ •

'24    ‘35    ‘23

Г_]2 = Г₂| =6 “-'^(«24);    ^,3    =Гз1=⁶-^'Ы«Зй);

*24

т*н = r_u = 6 -g±- ’Ь_в [Uu)r_I5 = r„ = 6 -g- ^ (a₈₅);

Г22    4/2з']*‘>^Цзз) "I*" ⁴7₂₄'-Ji2,,(«24)> 7*23 ^=s‘ 7*32 27₂зФз (“зз)*

7*₂4 = Г₄₂ = 2l₃₃’l»₃ (K₃₅);    Г₄₄    —    4i,₄'b₂    («24) + Чб Ф₂ («4б):

7*86 — T"₅₃ = 2'|»₃ («3j) i 35l    7"₃₃    —    4f    оз'^о («2з) ~Ь 4г_з5ф₂ («зь) 1

r_4e = 7*64 = 2/₄₀фз (ю«); Ги = 4%^ («зо) + 4i»7 -fc («_ь?);

^Гл-2,л-2 =4-4, „-п'Ь (“«-4, л-*) + 4-2,»Ф² (“л-2, _я) !

7*ii—2, я—4 ⁼⁼ Т"п—4, н-2 ⁼ 4-4, л-2 Ф² (“л-4. л-2.)'

Т*_л_2, « = 7*_Я( л-2 = 4-2, _я Фз (“я-2, я)!

7*я —2, л-2 =    2,    д—4 фа (“п-2, л-4) *Ф“ ⁴я—2, л 7*² (“п-2, я)>

7*л —1, л-1 = ⁴л-3, л-1 Ф² (^Кл-3, п—l) “Ь 4i-i, п+1 Ф² (“л-1, л-и)»

7*д_з, и-1 = 7*л-1, л-3    4-3,    л-1 Ф³ (“л-3, л—1 )•

7*я.л = 4-2, л Ф2 (“л-2, л) + 4 . л+2 Ф2 (“я, п+2)* Определитель, являющийся уравнением колебаний для данного случая, имеет следующий вид:

7*1, Г а т*1з Г14 0 7*16 Г17 0 0 0 0 • 0 0 0 0 0 0 7*21 У з*) 0 0 7*2 о 0 7*27 0 0 0 0 • 0 0 0 0 0 0 7*31 0 т-зз F 34 0 7*36 0 0 0 0 0 • 0 0 0 0 0 0 7*4. 0 га 7-44 7-40 7*46 0 7*48 0 0 0 ■ 0 0 0 0 0 0 0 7-52 0 Гы 7*55 0 0 7*68 0 0 0 • 0 0 0 0 0 0 7*6, 0 Г 63 г 04 0 7*66 0 0 0 0 0 • 0 0 0 0 0 0 7*7, Г72 0 0 0 0 7*77 0 7*79 0 0 ■ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7-84 7*85 0 0 т* 88 0 7*810 0 • 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7*97 0 7* 99 0 7*9,1 * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 • 7*л—3, л-50 7*л-3, л.-30 г я—3, я— 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 • 0 7*л—2, л-4 0 7*„ -2, л-2° г п - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 • 0 0 Гп-х, Л-3° 7*л-1, л— 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 • 0 0 0 7*л—2, 0 п 7* я

РД 24.271.01—88 С. 15

Задавая последовательно ряд значений частоты собственных колебаний /, вычисляем значения определителя. Частота собственных колебаний находится по интервалу частот, в котором определитель меняет знак. В приложении 4 приводится алгоритм расчета при наличии связки на горизонтальном участке П-образных труб.

4.5.2. При колебании пучка труб в жидкости имеет место взаимодействие между отдельными трубами. При колебаниях пучка из труб собственная частота трубы превращается в спектр частот, лежащий в диапазоне (0,8-М,1)/.

Отклонение собственной частоты от расчетной величины, обусловленное разбросом технологических параметров при изготовлении и сборке теплообменной поверхности, может составлять ±10%.

4.6. Расчет логарифмического декремента колебаний

Демпфирование колебаний обусловлено потерями энергии в конструкции трубного пучка (конструкционное демпфирование) и в окружающей трубу среде (гидродинамическое демпфирование). Логарифмический декремент колебаний определяется

где т_и т — см. п. 4.2.4;

6_К — конструкционное демпфирование; б_г — гидродинамическое демпфирование.

Конструкционное демпфирование при колебаниях труб обусловлено рассеянием энергии в материале трубы от трения трубы в промежуточных перегородках, от ударов колеблющейся трубы о промежуточные перегородки вследствие имеющихся в них зазоров, от утечки энергии через опоры и трубные доски на корпус аппарата и дальше на фундамент. Величина логарифмического декремента колебаний определяется материалом труб, системой расстановки промежуточных перегородок и их характеристикой (количество, толщина перегородки, величина зазора, расстояние между перегородками и т. д.). На черт. 9 показано изменение 6_К труб из различных материалов в зависимости от числа пролетов.

В настоящее время отсутствуют надежные данные для определения конструкционного демпфирования труб при условиях, отличных от приведенных на черт. 9.

Расчет логарифмического декремента колебаний б_г, обусловленного гидродинамическим демпфированием, производится по формуле

Для пучков с S]fd_B>l,2 коэффициент гидродинамического демпфирования рассчитывается по формуле

г=Ц1-(^]-г,

где А ■— см. п. 4.2.4;

!о — коэффициент гидродинамического демпфирования при колебаниях одиночной трубы в неограниченном объеме жидкости:

j; _ ll,14(irf_H 1 + exp (—28,4 l/vZ/Cw)

° Y'if~¹    1 — exp (—28,4 Y'/fllw) ‘

Здесь p, — коэффициент динамической вязкости, кг/(с-м); v — коэффициент кинематической вязкости, м²/с; w — скорость среды, обтекающей трубы снаружи, м/с;

£ — коэффициент гидравлического сопротивления.

4.7. Условия обтекания труб потоком теплоносителя и возможные механизмы возбуждения вибраций

4.7.1. Для анализа возможных причин возникновения вибраций необходимо определить условия обтекания труб потоком теплоносителя и его параметры. В подогревателях низкого давления и в сетевых подогревателях протекающая внутри труб вода нагревается конденсирующимся на наружной поверхности труб паром. В соответствии с условиями работы вся поверхность аппарата может быть разделена на три зоны (участка): ОП — охлаждения пара, КП — конденсации пара и ОК — охлаждения конденсата (дренажа). На участке ОП трубы обтекаются однофазным потоком перегретого пара. Конденсация на этом участке не происходит. На участке ОК трубы обтекаются однофазным

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Справочное

ПРИМЕР ВИБРАЦИОННОГО РАСЧЕТА ВЕРТИКАЛЬНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ПН-400-26-8-У

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Принимаются следующие исходные значения параметров и коэффициентов (см. черт. 2—5; 7,6):

материал труб — латунь Л68 (£=10,8-10² Па (1,1 -10² кгс/м²), р_т = 8600 кг/м³, v_n = 0,3);

максимальная длина прямолинейного пролета /=1,05 м;

наружный и внутренний диаметры трубы: d_n= 0,016 м, d_B = 0,014 м;

шаги разбивки труб в пучке: Si = 21 мм, 5₂= 18,2 мм;

коэффициент аэродинамического сопротивления пучка £ = 0,41;

параметры среды в межтрубном пространстве: р_н = 0,226 МПа (2,31 кгс/см²), /_Н=124°С, р_н= = 1,26 кг/м³, р,_н = 1,32-10~⁶ кг/(с• м), v_H=l,03-10-⁵ м²/с, п = 21,8 м/с, R_e = 3,4-10⁴;

параметры среды внутри труб: р_в = 2,548 МПа (26 кгс/см²), /_В=145°С,    р_в=10³    кг/м³,    ц_в=

= 193,483• 10^_6 кг/(с-м), ш„=1,86 м/с.

2. РАСЧЕТ ВИБРАЦИИ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ

2.1.    Расчет амплитуд колебаний

2.1.1.    Первая низшая частота собственных колебаний / = 18 Гц.

2.1.2.    Расчет погонной массы труб (п. 4.2.4):

т = пц + т, + т₃ = -- (£- - о£) р_т + —    +    -J-    dfcX,

УДК 621.184.4 ДОКУМЕНТ П О РУКОВОДЯЩИЙ

Группа Е29 СТАНДАРТИЗАЦИИ

---

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК    РД

ТРУБНЫХ СИСТЕМ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ СЕТЕВОЙ ВОДЫ    24.271.01-88

ОКСТУ 3103

Настоящие методические указания устанавливают методы оценки вибрационных характеристик трубных систем поверхностных теплообменных аппаратов — подогревателей низкого давления (ПНД) и подогревателей сетевой воды (ПСВ и ПСГ), применяемых соответственно в системах регенеративного подогрева питательной воды турбоустановок электростанций и централизованного теплоснабжения. Указания рекомендуется применять при проектировании этого оборудования в организациях и на предприятиях (объединениях) Минтяжмаша СССР.

В РД рассмотрены основные конструктивные схемы трубных систем ПНД, ПСВ и ПСГ, дана методика расчета их вибрационных характеристик.

Расчет вибрационных характеристик трубных систем выполняется как поверочный. Его результаты позволяют провести отстройку частот собственных колебаний трубных систем подогревателей от частоты колебаний, передаваемых на трубный пучок от различных вращающихся узлов турбоустановки (в основном с частотой вращения ротора турбины 50 Гц при « = 3000 мин^-1 и 25 Гц при п=1500 мин^-1), а также возникающих при обтекании трубных пучков потоком теплоносителя в межтрубном пространстве. Исходными данными для расчета конструктивной схемы трубного пучка являются принятые на основе технического задания, теплового и гидравлического расчетов подогревателей параметры теплоносителей, схема их движения в пучке, геометрические размеры труб в нем, тип их гибов, тип направляющих дистанционирующих перегородок, материал труб и перегородок. Расчеты должны выполняться для режима максимальной тепловой нагрузки подогревателей.

В приложениях 1, 2 и 5 даны примеры расчетов вибрационных характеристик подогревателя низкого давления типа ПН-400-2б-8-У и ПН-3200-30-16-IA (вертикальное исполнение) и подогревателя сетевой воды типа ПСГ-1300-3-8-1 (горизонтальное исполнение).

1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В РД приняты следующие обозначения: d_n—наружный диаметр трубы, м; d_B — внутренний диаметр трубы, м;

N—число пролетов;

т — масса трубы, присоединенной жидкости и т. д., кг/м; р_т — плотность материала трубы, кг/м³; р_в — плотность среды внутри труб, кг/м³; р„ — плотность среды, кг/м³;

®_н, и — скорость теплоносителя, м/с;

Е — модуль упругости, Н/м²;

— коэффициент Пуассона; h — глубина канавки профильной трубы, м;

S — расстояние между соседними канавками профильной трубы, м;

5,—расстояние между осями труб в пучке в направлении, перпендикулярном движению потока, м;

Sп — расстояние между осями труб в пучке по потоку, м;

G — модуль упругости при сдвиге, Н/м²;

3 — логарифмический декремент колебаний;

Ь — толщина промежуточной перегородки, м;

Н—расстояние между промежуточными перегородками в пучке, м;

L —длина трубы, участка и т. д., м;

D—диаметр отверстия в промежуточной перегородке, м;

I — момент инерции труб, мм⁴;

Тц — осевое усилие, обусловленное температурными деформациями труб, Н; р_п — давление сред, Па; t — температура сред, °С;

X — коэффициент присоединенной массы;

£— коэффициент аэродинамического сопротивления пучка; р— коэффициент динамической вязкости, кг/(с-м); у — коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Индексы

в — внутренний; н — наружный.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРУБНЫХ СИСТЕМ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

2.1.    По давлению греющего пара в корпусе ПНД, ПСВ и ПСГ делятся на работающие под

вакуумом (р_п<0,1 МПа) и при избыточном давлении (р_п>0,1 МПа).

2.2.    По характеру движения парового потока относительно поверхности теплообмена трубные системы ПНД, ПСВ и ПСГ можно разделить на пучки (или их участки):

с течением пара, параллельным продольной оси труб;

с течением пара, поперечным (или близким к нему) по отношению к продольной оси труб;

с течением пара под острым углом по отношению к продольной оси труб.

2.3.    Схемы основных вариантов применяемых в ПНД, ПСВ и ПСГ компоновок трубных систем приведены на черт. 1. На схемах стрелками показано основное направление движения парового потока через зоны трубных пучков.

На черт. 2—5 приведены образцы оформления заданий на выполнение расчетов вибрационных характеристик нескольких вариантов трубных пучков с указанием необходимых геометрических размеров элементов и участков пучков, .а также параметров потоков, получаемых из теплового и гидравлического расчетов и предварительной конструктивной проработки подогревателей.

При необходимости в предварительно принятую конструктивную схему трубного пучка по результатам вибрационного расчета вносятся изменения, например, в расстановку промежуточных направляющих перегородок и соответственно в длины незакрепленных участков труб между ними. С учетом этих изменений вносятся соответствующие уточнения в ранее выполненные тепловой и гидравлический расчеты.

2.4 В ПНД всех типов для поверхности нагрева применяются трубы унифицированного диаметра 16X1 (16X1,2) мм, при этом диаметр отверстий в трубных решетках под этот диаметр труб принимается 1б,2⁺⁰-²⁴ мм. Как правило, расположение отверстий в трубной решетке в вершинах равностороннего треугольника выбирается с шагом 21 ±0,2 или 22±0,2 мм.

Минимальный радиус гиба труб (по осям) составляет R_N^d_a для стальных труб и R_u^2d_u для труб из цветных металлов и их сплавов.

В трубных системах ПСВ и ПСГ по условиям чистки от загрязнений применяются только прямые трубки преимущественно диаметром 19x1 (19x1,2) мм и реже 16X1,0 (16x1,2) мм. В обоих случаях сохраняется расположение труб в вершинах равностороннего треугольника, при этом для труб диаметром 19x1 мм принимается шаг 25± 0,2 мм. В трубных системах ПСГ применяются прямые трубы диаметром 24x1; 25X 1; 25x1,2 мм, располагаемые с шагом 30±0,5; 31 ±0,5 и 32±0,5 мм.

2.5.    Концы труб в трубных решетках ПНД, ПСВ и ПСГ закрепляются с помощью вальцовки или комбинированным способом: вальцовкой с последующей приваркой концов труб к трубной решетке. В зависимости от условий работы и параметров теплообменивающихся сред трубы вальцуются на всю толщину трубной решетки или на часть ее.

2.6.    Подробное описание конструкций ПНД, ПСВ и ПСГ, их основных узлов, рекомендации по выбору скоростей теплообменивающихся сред и по выбору материалов труб для поверхности теплообмена даны в РТМ 108.271.23—84, ОСТ 108.271.17—76, ОСТ 108.271.28—81 и ОСТ 108.271.101—76.

2.7.    На основе данных технического задания, а также теплового и гидравлического расчетов предварительную оценку расстояний между промежуточными перегородками Н (в м), раскрепляющими трубки в пучке, рекомендуется производить по следующей зависимости:

Н — 0,4 у

Е — модуль упругости материала труб, Н/м²; d_n — наружный диаметр трубы, мм; р„—плотность пара, кг/м³;

w_n — скорость пара на входе в периферийные ряды трубного пучка, м/с; /—момент инерции труб, мм⁴.

РД 24.271.01—88 С. Л

Модуль упругости стальных труб и другие их механические свойства рекомендуется принимать по ОСТ 108.031.02—75 и ОСТ 108.031.08—85-г-ОСТ 108.031.10—85.

Для исключения возможного истирания наружных поверхностей труб диаметром 16X1,0 (16x1,2) мм от соприкосновения друг с другом при вибрации, возникающей от воздействия поперечно набегающего парового потока, расстояние между промежуточными перегородками в трубном пучке рекомендуется выбирать в пределах 400—600 мм, для труб диаметром 19X1 (19x1,2) мм — в пределах 800—1000 мм, для труб диаметром 24X1; 25x3; 25x1,2 мм — в пределах до 1500 мм.

При проектировании подогревателей следует исходить из условий обеспечения вибрационной стойкости трубного пучка и стремиться к сокращению расстояния между перегородками до предела, допустимого по величине заданного парового сопротивления трубного пучка и подогревателя в целом. Окончательный выбор расстояния между перегородками производится на основе данных вибрационного расчета, методика которого изложена ниже.

В случаях, когда для обеспечения допустимой скорости пара в трубном пучке требуется большее расстояние между перегородками, следует предусматривать установку дополнительных (между промежуточными перегородками) поддерживающих устройств (проницаемых перегородок, хомутов, ди-станционирующих планок и т. д.). Рекомендации по такого рода устройствам даны в РТМ 108.271.23—84.

2.8.    В трубных системах ПНД и ПСВ для поверхностей теплообмена могут применяться следующие виды труб:

прямые гладкие, концы которых закреплены в трубных решетках; гладкие с U-образным гибом, с концами, закрепленными в трубных решетках; гладкие с П-образным гибом, с концами, закрепленными в трубных решетках; профильные (профильно-витые или с кольцевой накаткой) прямые с закреплением гладких концов в трубных решетках; схемы таких труб показаны на черт. 6; оребренные с закреплением гладких концов в трубных решетках.

2.9.    Для определения вибрационных характеристик трубных пучков необходимы следующие геометрические характеристики гладких и профильно-витых труб, применяемых для интенсификации теплообмена:

для гладких труб:

d_n — наружный диаметр;

d„ — внутренний диаметр;

для профильных и профильно-витых труб:

А, — наружный обсадной диаметр трубы;

—внутренний диаметр накатки; d_n — внутренний диаметр трубы; h — глубина накатки;

5 — шаг накатки.

Для рассматриваемых теплообменных аппаратов рекомендуются профильные и профильно-витые трубы со следующими геометрическими параметрами профилирования (с учетом технологических допусков) :

5 = (8~т~ 10) + 2 мм; h = 0,6 + 0,1 мм.

2.10.    К геометрическим характеристикам пучка относятся (см. черт. 1): поперечный 5] и продольный S₂ шаги труб в пучке;

полная длина труб в пучке L_nол;

расстояние между соседними промежуточными перегородками — длина свободного пролета трубы /д;

максимальные Re и минимальные 7?_м радиусы гибов труб в пучке; число промежуточных перегородок п_пер в пучке;

длины прямых участков труб (L, L_rop — см. черт. 2—5) в пучках труб с U-образными и П-об-разными гибами;

тип (конструкция) промежуточных перегородок в пучке (сегмент, диск, кольцо и т. д.).

В трубных пучках ПНД и ПСВ вертикального типа направляющие перегородки используются для выполнения следующих функций:

обеспечения заданного направления движения пара через пучок или его зону; сбора стекающего по поверхности труб конденсата греющего пара из соответствующих отсеков (зон) трубного пучка и последующего отвода его в нижнюю часть корпуса: это предохраняет от заливания данным конденсатом поверхности теплообмена, расположенной в нижней части рассматриваемых отсеков, и способствует улучшению условий теплообмена в зонах трубного пучка ниже соответствующих перегородок;

сокращения свободных (незакрепленных) участков труб (между промежуточными перегородками) и обеспечения необходимой жесткости отдельных труб и пучка в целом в условиях возникающей при эксплуатации вибрации как подогревателя в целом, так и его трубного пучка.