Разработка модели гидроупругих колебаний трубных пучков парогенераторов реакторных установок в поперечном потоке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Столотнюк, Ярослава Донатовна

• Столотнюк, Ярослава Донатовна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Столотнюк, Ярослава Донатовна

СОДЕРЖАНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Механизмы возбуждения вибраций и методы описания динамического поведения пучков труб при поперечном обтекании потоком.

1.1. Использование трубных пучков в теплообменных аппаратах реакторных установок. Особенности геометрии пучков труб со встречной навивкой.

1.2. Обтекание труб поперечным потоком.

1.2.1. Гидродинамические силы при обтекании одиночного неподвижного цилиндра.

1.2.2. Особенности обтекания колеблющейся одиночной трубы.

1.2.3. Обтекание пучков труб.

1.3. Вибрации пучков труб.

1.4. Задачи экспериментальных исследований.

1.5. Математические модели вибраций пучка труб

1.6. Задачи математического моделирования.

1.7. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. Экспериментальная установка, методики измерений случайных сигналов и анализ погрешностей.

2.1. Циркуляционный контур и экспериментальные модели пучков труб.

2.2. Условия физического моделирования.

2.3. Трубы-зонды и измерительные зонды.

2.4. Первичные преобразователи для измерения вибраций труб- зондов.

2.5. Первичные преобразователи для измерения пульсаций давления.

2.6. Измерения виброперемещений тензорезистивными преобразователями.

2.7. Информационно-измерительная система.

2.8. Мгновенные значения пульсаций давления, виброускорений и виброперемещений.

2.9. Статистический анализ случайных сигналов.

2.10. Измерение гидродинамических нагрузок.

2.11. Анализ погрешностей экспериментов.

2.12. Программа экспериментов.

ГЛАВА 3. Расчет собственных частот и вынужденных колебаний динамической системы пучок труб — жидкость

3.1. Методика моделирования динамики системы труб в жидкости.

3.2. Конечно-элементные модели.

3.3. Расчет собственных частот системы пучок трубжидкость.

3.4. Расчеты вынужденных колебаний системы пучок труб-жидкость для неподвижной жидкости.

ГЛАВА 4. Течение и гидродинамические нагрузки в пучке труб модели.

4.1. Гидравлическое сопротивление трубного пучка.

4.2. Среднеквадратичные значения пульсаций давления на поверхности зондов.

4.3. Энергетические спектры пульсаций давления на поверхности зондов.

4.4. Пространственно-временная структура пульсаций давления на поверхности зондов.

4.5. Силовое воздействие жидкости на трубы пучка.

4.5.1. Среднеквадратичные значения гидродинамических сил в поперечном сечении трубы-зонда.

4.5.2. Спектральные характеристики гидродинамических сил.

4.5.3. Эффективная нагрузка на трубу-зонд, оснащенную тензорезисторами (контрольный эксперимент).

ГЛАВА 5. Верификация модели гидроупругих колебаний.

5.1. Задачи верификации.

5.2. Экспериментальные значения виброускорений и виброперемещений.

5.3. Численное моделирование виброускорений и виброперемещений.

5.4. Использование модели гидроупругих колебаний в поперечном потоке для выбора проектных решений парогенераторов со спиральными трубами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка модели гидроупругих колебаний трубных пучков парогенераторов реакторных установок в поперечном потоке»

Повышение надежности оборудования на этапе проектирования основано на использовании лишенных излишнего консерватизма методик расчета, в частности теплообмена, гидродинамических нагрузок, динамического поведения элементов конструкций, использовании прогрессивных конструкторских решений оборудования. Одним из широко распространенных элементов оборудования атомных и тепловых станций являются теплообменные аппараты, парогенераторы с поперечно обтекаемыми потоком жидкости (газа) трубными пучками, характеристики которых в значительной степени определяет надежность и экономичность энергоблоков.

В ряде реализованных и проектируемых теплообменных аппаратов и парогенераторов (реакторные установки «Суперфеникс» (Франция), MRX (Япония), ISIS (Италия), БРЕСТ-300 (Россия)) применены трубные пучки в форме спиральных змеевиков, имеющие в соседних рядах встречное или параллельное направление навивки змеевиков (углы наклона оси к горизонту (р составляют от 2°30' до 8°30'). Такое решение поверхности теплообмена позволяет улучшить перемешивание потока теплоносителя, повышает равномерность температурных распределений в теплообменных аппаратах.

Теплообменные аппараты предусматриваются как неотъемлемая часть для главных теплопередающих петель реакторных установок в виде промежуточных, высокотемпературных промежуточных теплообменников; и парогенераторов. Важная роль теплообменных аппаратов и парогенераторов в функционировании реакторной установки связана с безопасностью при-передаче тепла от реактора к промежуточному контуру (реакторы БН, ВТГР) или выработкой пара для турбогенератора (ВВЭР, БРЕСТ). Поэтому при проектировании теплообменных аппаратов АЭС необходимо удовлетворять жестким требованиям по надежности и ресурсу. Одним из основных критериев является недопустимость разгерметизации, приводящей к потере теплоносителя, нарушению теплоотвода, опасности превышения допустимых пределов повреждений твэлов.

Проблема обеспечения конструкционной прочности поперечно обтекаемых трубных пучков относится к одной из активно изучаемых на протяжении последних десятилетий [1, 2]. Тем не менее все ведущие конструкторские организации мира уделяют ей постоянное внимание, используют для обоснования проектов экспериментальные установки, модели, создают программные комплексы, обобщающие накопленную информацию.

С точки зрения механики колебаний пучок труб в плотной жидкости (воде, жидких металлах) является подсистемой сложной системы жидкость — конструкция, взаимодействие которых определяет собственные и вынужденные колебания трубного пучка. Роль жидкости состоит в увеличении эффективной массы труб, демпфировании колебаний, а также в формировании нагрузок, действующих на пучок. Последняя роль до сих пор для трубных пучков различной геометрии изучена недостаточно. Имеется крайне ограниченное число данных о величинах гидродинамических нагрузок в трубных пучках и апробации этих данных в рамках моделей расчета вибраций.

Настоящая работа призвана в определенной мере восполнить этот пробел в части трубных пучков с противоположной навивкой змеевиков в соседних радиальных рядах.

Работа инициирована потребностью в экспериментальном и расчетном обосновании уровня вибраций в парогенераторе РУ БРЕСТ ЗОО-ОД. Полученные данные могут быть использованы и для других теплоносителей с достаточно высокой плотностью.

Заключение диссертации по теме «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», Столотнюк, Ярослава Донатовна

Основные результаты и выводы

1. Предложена модель расчета собственных частот, форм колебаний трубных пучков в жидкости и модель расчета вынужденных колебаний трубного пучка в потоке жидкости, учитывающая эффекты гидроупругости в приближении линеаризованного уравнения движения жидкости и; гидродинамическое нагружение труб потоком, верифицированная с использованием полученных экспериментальных данных.

2. Исследовано течение и вибрации поперечно обтекаемого трубного пучка, имеющего различные углы наклона труб в соседних рядах к горизонту (±8°30'), моделирующего фрагмент трубной системы проекта парогенератора БРЕСТ-300 ОД, с использованием; модельной жидкости -воды нормальных параметров и имитаторов труб в условиях

• диапазон чисел Рейнольдса потока (1,3.3,9)-104;

• собственная частота труб модели в воздухе 33 Гц;

• начальная турбулентность потока ~ 10 %;

• вынужденной циркуляции воды в контуре.

3. Получены систематические экспериментальные данные о пульсационных характеристиках давления на поверхности неподвижных труб-зондов пучка и чехле модели, виброускорениях и виброперемещениях (контрольный эксперимент) труб, с использованием которых установлены

• области стабилизации течения в пучке (5.6 рядов), стабилизированного потока (7.12 ряды), выхода потока из пучка (13. 15 ряды), их связь с особенностями геометрии трубного пучка с различными углами наклона труб к горизонту;

• роль турбулентного течения, генерированного в трубном пучке и начальной турбулентности; акустических волн, генерированных в контуре стенда при работе оборудования, на структуру течения в модели, взаимодействие потока с трубами пучка;

• малая роль вихревого возбуждения в величинах колебаний труб модели, отмеченная только для первых рядов пучка.

4. Разработаны и реализованы методики определения гидродинамических нагрузок, действующих на трубы модели, по результатам измерений реализаций пульсаций давления в поперечном сечении и вдоль образующих неподвижных зондов. Получены реализации случайных нагрузок, их спектры. Среднеквадратичные значения случайных нагрузок обобщены зависимостью, учитывающей роль турбулентного течения, акустических волн и колебаний оборудования стенда. Установлена пропорциональность гидравлического сопротивления трубного пучка и среднеквадратичных значений случайных нагрузок.

5. Проведен анализ ожидаемой структуры течения свинцового теплоносителя и вибраций труб в трубном пучке парогенератора БРЕСТ-300 ОД.

Сформулированы рекомендации по использованию предложенной модели расчета для проектирования трубной поверхности парогенераторов с жидкометаллическим или некипящим водным теплоносителем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Столотнюк, Ярослава Донатовна, 2004 год

1. Вибрации элементов оборудования ЯЭУ / Е.Д. Федорович, Б.С. Фокин, А.Ф. Аксельрод и др. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 168 с.

2. Динамика конструкций гидроаэроупругих систем / К.В.Фролов, Н.А. Махутов, С.М. Каплунов и др. М.: Наука. - 2002. - 397 с.

3. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) / Госатомэнергонадзор СССР. М.: Энергоатомиздат, 1989,- 525 с. - (Правила и нормы в атомной энергетике).

4. РТМ 108.302.03-86. Парогенераторы АЭС: Расчет вибраций теплообменных труб. Л.: НПОЦКТИ, 1987. - 74 с.

5. Б.Ф.Кокорев, Фарафонов В.А. Парогенераторы ядерных энергетических установок с жидкометаллическим охлаждением. М.: Энергоатомиздат, 1990.-264 с.

6. К. Sako Advanced Marine Reactor MRX // Nucl. Eng. Intern. 1992. - V. 160, № 222. - P. 44-48.

7. M.G. Robin Careful attention to detail was necessary in developing the Super-Phenix steam generators// Nucl. Eng. Intern. 1977. - V. 22, № 257. - P. 34-43.

8. M. Ясуси: Элементы конструкции экспериментального высокотемпературного газоохлаждаемого реактора// Вести АН БССР. Сер. Физико-энергетические науки. 1983; - №1. — С. 20-31.

9. L. Cinotti, F.L. Rizzo The Inherently Safe Immersed System (ISIS) reactor //Nuclear Eng. Des. 1993. - V. 143, № 2. - P. 295-300.

10. Быстрый реактор естественной безопасности со свинцовым теплоносителем для крупномасштабной ядерной энергетики / В.Я.Абрамов, С.Н.Бозин, И.Х.Ганев и др.; Под ред. Е.О.Адамова, В.В.Орлова. М.: ГУП НИКИЭТ, 2002. - 277 с.

11. А.А. Жукаускас Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.-472 с.

12. А. Жукаускас, Р. Улинскас, В. Катинас Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб / Под редакцией проф. А.Жукаускаса. Вильнюс: Москлас, 1984.-310 с.

13. J.A. Jendrzejczk, S.S. Chen Fluid forses on two circular cylinders in crossflow // ASME. PVP. 1986. - V. 104. - P. 1-13.

14. R.E.D. Bishop, A.Y. Hassan The lift and drag forces on a circular cylinder in a flowing fluid// Proc. Roy. Soc. Ser. A. Math. And Phys. Sci. 1964. - V. 277, № 1368.-P. 32-50:

15. И.Н. Чжэнь Колебания подъемной силы, обусловленные вихревыми дорожками Кармана за одиночными круговыми цилиндрами и в пучках труб// Конструирование и технология машиностроения. Сер. В. — 1972. Т. 94,№2.-С. 111-139.

16. Y.C. Fung Fluctuating lift and drag acting on a cylinder in flow at supercritical Reynolds numbers//J. Aerosp. Sci. 1960. - V. 27, № 11. - P. 801-814.

17. R. King A Review of vortex Shedding Research and Its Application// Ocean Eng. V. 4, №3. - P. 141-171.

18. М.А.Павлихина, Л.П. Смирнов Вихревой след при обтекании колеблющихся цилиндров// Изв. АН СССР. ОТН. 1958. - №8. - С. 124-127.

19. В.И; Катинас, B.C. Шукстерис, А.А. Жукаускас Поперечное обтекание потоком воздуха и вибрация упруго установленного цилиндра// Труды Академии наук Литовской ССР, серия Б. 1975. - Т. 5, № 90. - С. 101-112.

20. С.И. Девнин Аэрогидромеханика плохообтеакемых конструкций. Л.: Судостроение, 1983. - 320 с.

21. Н. Ферпосон, Г. В. Паркинсон Явления на поверхности кругового цилиндра и в вихревом следе при колебаниях цилиндра, возбуждаемых вихрями

22. Конструирование и технология машиностроения. Сер. В. — 1967. — Т.89, № 4. С. 260-269.

23. S.S. Chen Flow Induced Vibration of Circular Cylindrical Structures. -Washington New York - London: Hemishere Publishing Corporation, 1987. -440 p.

24. M.P. Paidoussis A review of flow-induced vibrations in reactors and reactor components// Nuclear Engineering and Design. 1982. - V. 74, № 1. - P. 31-59.

25. A.C. Вольмир Оболочки в потоке жидкости и газа. Задачи гидроупругости. -М.: Наука, 1979. 320 с.

26. А.С. Вольмир Оболочки в потоке жидкости и газа. Задачи аэроупругости. -М.: Наука, 1976.-416 с.

27. P.R. Owen Buffeting exitation of boiler tube vibration// J. Mech. Eng. Sci. — 1965.-V. 7,№4.-P.431-439.

28. Л.Ф. Лепендин Акустика. М.: Высшая школа, 1978. — 448 с.

29. Y.N. Chen Flow-induced vibration and noise in tube bank heat exchangers due to von Karman Streets// ASME Journal of Engineering for Industry. 1968. - V. 90, №2.-P. 134-146.

30. P. Тэйлор, M. Петтигру, Ф. Аксиза Экспериментальное определение гидродинамических сил, действующих на однорядный трубный пучок в однофазном и двухфазном поперечном потоках// Теоретические основы инженерных расчетов. 1988. - Т. 125, № 4. - С. 124-135.

31. А.П. Жук Исследование на основе теории вязкоупругости взаимодействия в вязкой, жидкости двух параллельных цилиндров при прохождении акустической волны// Труды АН УССР Сер. А. Физ.-мат. и техн. науки. — 1990.-№4.-С. 42-45.

32. С.М. Каплунов Частотная отстройка конструктивных элементов теплообменных аппаратов// Теплоэнергетика. 1986. - № 1. - С. 46-49.

33. Е.Р. Heinecke, К.Н. Mohr Investigations on fluid borne forces in heat exchangers with tubes in cross flow // Papers of the third Keswick International conference Vibration in nuclear plant 11-14 may Keswick. Keswick, 1982. - P. 1-9.

34. М.И. Алямовский Характеристики гидроаэродинамических сил, действующих при автоколебаниях труб теплообменных аппаратов // Энергомашиностроение. 1974. - №7. — С. 33-36.

35. Н. И. Коннорс Гидроупругие вибрации пучков труб теплообменников // Конструирование и технология машиностроения. Труды Американского общества инженеров-механиков. — 1978. Т. 100, №2. - С. 93-102.

36. Р. Д. Блевинс Гидроупругие вихревые колебания одиночных рядов и пучков труб// Теоретические основы инженерных расчетов. Сер. Д. — 1977. Т. 99, №3. - С. 109-115.

37. Н. Tanaka, S. Takahara Fluid elastic vibration of tube array in cross flow// Journal of Sound and Vibration. 1981.- V. 77, №1.-P. 19-37.

38. Н. Tanaka, S. Takahara, К. Ohta Flow-induced vibration of tube arrays with various pitch-to-diameter ratios// Trans. ASME J. Pressure Vessel Technol. -1983.- V. 104,№ l.-P. 45-57.

39. S S. Chen, S. Zhu, J.A. Jendrzejczyk Fluid damping and Fluid Stiffness of a tube row in crossflow// ASME, PVP. 1994. -V. 273, № 1. - P. 15-31.

40. S.S. Chen Crossflow-induced vibrations of heat exchanger tube banks// Nuclear Engineering and Design. 1978. - V. 47, № 1. - P. 67-86.

41. S.S. Chen Instability mechanisms and stability criteria of a group of circular cylinders subjected to cross flow.Part 2: Numerical results and discussion// J. of Vibration, Stress, and Reliability in Design. 1983. - V.105, № 2. - P. 253-260.

42. С.С.Чен Колебания решетки круговых цилиндров в жидкости // Труды, Американского общества инженеров-механиков. Сер. В. Конструирование и технология машиностроения. 1975. - Т. 97, №4. - С. 6571.

43. С.С. Чжэнь Динамика пучков труб теплообменников// Теоретические основы инженерных расчетов. Сер. Д. 1977. - Т. 99, №3. - С. 115-124.

44. Н.А. Махутов, С.М. Каплунов, П.В. Прусс Вибрация и долговечность судового энергетического оборудования. JL: Судостроение, 1985. - 300 с.

45. В.Ф. Синявский, B.C. Федотовский, А.Б. Кухтин Инерционные характеристики и гиродинамическое демпфирование колебаний круговых цилиндров в жидкой среде// Прикладная механика. 1980. - Т. 16, № 4. - С. 115-121.

46. Экспериментальное исследование гидродинамического демпфирования колебаний трубки в продольном турбулентном потоке / В. С. Федотовский, А.Б. Кухтин, B.C. Спиров и др. — ■ Обнинск, 1978. 9 с. (Препринт Физико-энергетического ин-та, ФЭИ-891).

47. В.Ф. Синявский, А.Б. Кухтин, B.C. Федотовский Присоединенная масса и коэффициент затухания для цилиндра, колеблющегося в концентрической оболочке, заполненной вязкой жидкостью. — Обнинск, 1976. — 12 с. (Препринт Физико-энергетического ин-та, ФЭИ-729).

48. C.JI. Перов Конечно-элементное моделирование динамики конструкций в жидкости // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Естественные науки. — 1999.' -№2.-С. 48-58.

49. S. Perov, Е. Altstadt, М. Werner Vibration analysis of the pressure vessel internals of WWER-1000 type reactors with consideration of fluid-structure interaction // Annals of Nuclear Energy. 2000. - № 27. - P. 1441-1457.

50. Зенкевич Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. — 541 с.

51. JI.B. Смирнов Применение аналитической механики при математическом моделировании динамики гидромеханических и гидроупругих систем:. Учебное пособие. Н.Новгород: ННГУ, 2001. - 45 с.

52. Л.И; Любимов, И.Д. Форсилова, Е.З. Шапиро Поверка средств электрических измерений: Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1987. -296 с.

53. В.А. Грановская, Т.Н. Сирая Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. JL: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

54. А.Н. Петунин Методы и техника измерений параметров газового потока. -М.: Машиностроение, 1996. 380 с.

55. Дж. Бендат, А.Пирсол Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974.464 с.

56. Б.В. Дзюбенко, Г.А. Дрейцер, JI.-B.A. Ашмантас Нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб. М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

57. И.М. Фомичев Экспериментальная гидродинамика ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат, 1989.-248 с.

58. B.C. Петровский Гидродинамические проблемы турбулентного шума. JL: Судостроение, 1966. - 252 с.

59. Р.А. Хечумов, X. Кепплер, В.И. Прокопьев Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 1994. 353 с.

60. B.JI. Бидерман Теория механических колебаний. — М.: Высшая школа, 1980. -408 с.

61. И.О. Хинце Турбулентность, ее механизм и теория. М.: Физматгиз, 1963. — 680 с.