Исследование влияния размеров промежуточных перегородок на параметры колебаний труб теплообменных аппаратов

Вибрация является одной из причин, снижающих надежность трубных пучков теплообменных аппаратов турбоустановок [1]. Методики вибрационного расчета труб теплообменных аппаратов, приведенные в литературе [2, 3], не учитывают ряд факторов, существенно влияющих на параметры их колебаний и общую надежность аппаратов. В частности, характер отпирания трубы в промежуточных перегородках принимается шарнирным. В реальном аппарате трубы проходят через ряд промежуточных перегородок с диаметром отверстия,
Бродов, инженеры П. Н. Плотников, В. К. Купцов превышающим наружный диаметр трубы на (0,2ч--т-0,5) 10-3 м, что не может не влиять на параметры колебаний трубы. Не изучено влияние на параметры колебаний труб толщины промежуточных перегородок, а также пленки жидкости, присутствующей в зазоре между трубой и перегородкой. Работ, выполненных в этом направлении, недостаточно. Практически к ним относится лишь работа [4], в которой предлагается методика расчета изгибных колебаний труб с учетом зазоров в промежуточных перегородках, но при этом не учитывается влияние толщины перегородки и наличие пленки жидкости в зазоре между трубой и перегородкой.
В статье приводятся результаты экспериментального исследования влияния конструктивных размеров промежуточных перегородок и наличия в зазоре пленки жидкости на параметры колебаний труб. Кроме того, проведена оценка демпфирующих свойств узла «труба — перегородка» х.
Исследование проводили на специально созданной установке. На одной стороне массивного основания 1 крепили трех-кулачковый само-центрирующий патрон 2, а на другой — сменный модуль 3, имитирующий промежуточную перегородку. Рабочую трубу 4, завальцованную с одного конца во втулку 5, зажимали в патрон 2 и пропускали через модуль 3, который специально выставляли для получения равномерного зазора между ним и трубой.
Циклическое нагружение трубы осуществляли электромагнитным вибратором 6, который питался от усилителя 8, управляемого звуковым генератором 7. Частоту выходного сигнала звукового генератора, равную частоте поперечных колебаний трубы, измеряли частотомером 10, и затем, преобразованная в пропорциональное частоте колебаний постоянное напряжение, она поступала на одну координату двух-координатного самопищущего потенциометра.
Амплитуду колебаний трубы измеряли при помощи токовихревого датчика, который запитывали несущим напряжением высокой частоты (свыше 500 кГц) от высокочастотного генератора. Сигнал датчика с помощью детектора и преобразователя воспринимался второй координатой потенциометра. Для контроля несущего напряжения высокочастотного генератора использовали частотомер и вольтметр. Контроль уровня подводимой к трубе энергии осуществляли измерителем мощности 9. Проведенная оценка погрешности измерения показала, что максимальная среднеквадратичная погрешность схемы измерений не превышала 10%.
Для подачи жидкости (конденсата) в зазор узла «труба — перегородка» предусмотрен термостат 18у поддерживающий температуру жидкости на уровне 25 °С. На установке были исследованы модули промежуточных перегородок толщиной б=(0,5н-6,0) 10~2 м с диаметральным зазором Д= (0,5—6,0) 10“4 м.
В основу методики проведения опытов положено исследование параметров колебаний трубы, определяемых по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), в зависимости от геометрических размеров перегородки и наличия в зазоре жидкости. АЧХ снимали в диапазоне частот от 20 до 200 Гц (рис. 2) по 3—5 раз с дальнейшим осреднением результатов.
На рис. 3 представлена зависимость амплитуды колебаний трубы от конструктивных размеров перегородки. При отсутствии жидкости в зазоре амплитуда колебаний существенно зависит от величины зазора в перегородке, а влияние толщины перегородки проявляется слабо, однако заметна тенденция к некоторому росту амплитуды с уменьшением толщины перегородки.
Введение жидкости в зазор существенно меняет динамические характеристики системы. Практически исчезают акустические шумы, вызываемые соударением трубы с перегородкой, что свидетельствует об отводе энергии от трубы за счет сил вязкого трения в пленке жидкости.
Влияние размеров перегородки в этих опытах проявляется неоднозначно. При увеличении толщины перегородки от 0,5-10— до 4,5-10-3 м происходит значительное увеличение резонансной амплитуды колебаний трубы; при дальнейшем увеличении толщины перегородки амплитуда несколько снижается. Это, по-видимому, связано с изменением характера отпирания трубы в перегородке. Кроме того, зарегистрировано смещение резонансных пиков в сторону уменьшения частот (с 155 до 110 Гц)„. Форма упругой линии трубы при малых толщинах перегородки [(0,5-Н 1,0) 10—2 м] соответствует второй форме колебаний консольно закрепленной балки (вблизи перегородки наблюдается узел).
Положение узла по длине трубы определяется размерами перегородки. С увеличением толщины перегородки происходит перемещение узла в зону отпирания, а форма упругой линии трубы при резонансных колебаниях приближается к первой форме колебаний балки с одним защемленным н другим шарнирным концами.
На рис. 4. представлена зависимость коэффициента ц [5], характеризующего закрепление концов балки, от конструктивных размеров перегородки. Влияние диаметрального зазора в перегородке в опытах без жидкости практически отсутствует (кривые 2); при этом влияние толщины перегородки проявляется сильнее. При увеличении толщины перегородки колебания трубы от второй формы консольной балки приближаются к первой форме балки с одним защемленным, другим шарнирным концами.            
При наличии пленки жидкости в зазоре промежуточную перегородку с большим основанием можно характеризовать как шарнирное закрепление трубы (кривые/). Кроме того, в этом случае влияние диаметрального зазора в перегородке на коэффициент н проявляется гораздо сильнее.      1
Проведена оценка демпфирующих свойств узла «труба — перегородка» в зависимости от размеров перегородки и наличия в зазоре пленки жидкости. Определение коэффициента демпфирования (Ад) как доли отводимой узлом «труба -т- перегородка» энергии проводилось по методике, описанной в литературе [6]. Результаты обработки, представленные на рис. 5, показывают наличие максимальных значений коэффициента демпфирования для перегородки толщиной 1,5-10~2 м практически при всех значениях зазоров. Увеличение толщины перегородки приводит к снижению демпфирующей способности.
Выводы
1. Установлено существенное влияние конструктивных размеров промежуточных перегородок и наличия в зазоре пленки жидкости на параметры колебаний труб и демпфирующие свойства узла «труба — перегородка».
2. При наличии жидкости в зазоре характер отпирания трубы в перегородках с толщиной (1,0-т-2,5) 10-2 м можно считать шарнирным.
3. Для вновь проектируемых трубчатых теплообменных аппаратов рекомендуется промежуточная перегородка толщиной 1,5-10—2 м с диаметральным зазором 0,2Х X 10-3 м.