Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Турбомашины и турбоустановки

Диссертационная работа:

Целищев Максим Федорович. Напряженно-деформированное состояние элементов трубных систем кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.12 / Целищев Максим Федорович; [Место защиты: Ур. гос. техн. ун-т].- Екатеринбург, 2008.- 138 с.: ил. РГБ ОД, 61 08-5/1667

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

1. Состояние вопроса. Постановка задач исследования н

1.1 Надежность теплообменных аппаратов и ее влияние на общую
надеэ/сностъ ПТУ
14

1.2. Влияние напряженно-деформированного состояния элементов
теплообменных аппаратов на их надежность
18

1.3. Влияние эксплуатационного износа трубных систем на надежность
теплообменных аппаратов ПТУ
23

  1. Анализ методик прочностного расчета элементов теплообменных аппаратов ПТУ 29

  2. Выводы. Постановка задач исследования 46

2. Разработка моделей и исследование напряженно-деформированного
состояния трубных досок теплообменных аппаратов паротурбинных

установок 48

  1. Описание исследуемых аппаратов 48

  2. Моделирование и анализ влияния характера закрепления трубных досок в корпусах прямотрубных теплообменных аппаратов на их напряженно-деформированное состояние 53

  3. Влияние температурных неравномерностей в трубных досках на их напряженно-деформированное состояние 59

  4. Моделирование напряженно-деформированного состояния трубной доски под воздействием перепада давлений теплоносителей 62

  5. Моделирование процесса вальцевания трубок и его влияния на напряэюенно-деформированное состояние трубных досок теплообменных аппаратов 65

  6. Выводы 81

3. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного
состояния трубных досок теплообменных аппаратов 83

  1. Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 83

  2. Оценка погрешности измерений 86

  3. Экспериментальное исследование влияния завалъцованных трубок на напряженно-деформированное состояние трубных досок 87

  4. Экспериментальное исследование влияния давления гидравлических испытаний на напряженно-деформированное состояние трубных досок. 93

  5. Выводы 98

4. Влияние напряженно-деформированного состояния трубных пучков
на изменение надежности теплообменных аппаратов паротурбинных
установок юо

  1. Влияние осевых усилий в трубках на изменение характера их колебаний 100

  2. Влияние коррозионных повреждений трубок на изменение их напряженно-деформированного состояния 107

  3. Влияние механического износа материала на прочность соединения трубки с трубной доской 115

  4. Выводы 120

5. Разработка рекомендаций по реализации уточненного прочностного
расчета трубных систем теплообменных аппаратов паротурбинных
установок 121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129

Введение к работе:

Темпы развития современной Российской энергетики постоянно предъявляют новые требования к надежности и эффективности оборудования ТЭС. В связи с этим, ведется постоянная работа в направлении совершенствования паротурбинных установок и связанного с ними оборудования [1-7].

Теплообменные аппараты паротурбинных установок существенно влияют на эффективность и надежность работы турбоустановки в целом. Снижение надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок (конденсаторов, подогревателей сетевой воды и аппаратов сиоемы регенерации и т.д.) может приводить к значительному снижению КПД турбоустановки [8-13]. Отказы в работе теплообменных аппаратов практически всегда приводят к снижению технико-экономических показателей турбоустановки. В связи с этим, к надежности теплообменных аппаратов предъявляются повышенные требования. Надежность этого оборудования ТЭС определяется большим количеством конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Недостаточно полный учет некоторых из них может привести к преждевременному выходу аппаратов из строя.

Вместе с тем, при проектировании теплообменных аппаратов используются методики расчета на прочность, разработанные 30 и более леї назад. Эти методики не учитывали возможностей современных методов прочностного расчета с применением ЭВМ, в частности, возможностей метода конечных элементов. Применение ранее разработанных методик, как правило, обеспечивало необходимую надежность теплообменных аппаратов за счет введения повышенных запасов прочности отдельных элементов. Но, вместе с тем, неоправданно завышались массогабаритные характеристики оборудования, а также осложнялась компоновка турбоустановки в целом. Все это приводило к возрастанию стоимости и сроков окупаемости ТЭС в целом.

Эти обстоятельства потребовали проведения дополнительных исследований и более подробного анализа факторов, определяющих надежность теплообменных аппаратов на этапах их проектирования, изготовления и эксплуатации.

В настоящее время, в связи с быстрым развитием информационных технологий и ростом мощности вычислительных машин, появляются возможности повышения точности производимых расчетов на прочность, а также ввода в расчет на прочность таких факторов, учет которых ранее был невозможен в связи со сложностью расчетов.

Актуальность темы диссертационной работы состоит в том, что в условиях постоянно повышающихся требований к надежности снабжения потребителей тепловой и электрической энергией, необходимо повышать надежность паротурбинных установок (ПТУ), и, в частности, теплообменных аппаратов ПТУ - крупногабаритного, металлоемкого и дорогостоящего оборудования ТЭС.

С точки зрения прочности наиболее критичной частью кожухотрубных теплообменных аппаратов является их трубная система [7-12]. Поскольку теплообменные аппараты во время эксплуатации работают в широком диапазоне изменения тепловых параметров, под действием различных нагрузок трубные доски и трубки находятся в сложном напряженно-деформированном состоянии. Деформации трубных досок приводят к возникновению дополнительных нагрузок в трубках, а также в соединении «трубка - трубная доска». Как показывает опыт эксплуатации теплообменных аппаратов паротурбинных установок, данные нагрузки приводят к отказам и преждевременному выходу теплообменных аппаратов из эксплуатации [7-12]. Задача более точного определения и учета напряженно-деформированного состояния трубных систем теплообменных аппаратов под действием широкого спектра эксплуатационных и технологических нагрузок с целью совершенствования методик прочностных расчетов является актуальной. Это позволит создавать оптимальные с точки зрения

прочности конструкции теплообменных аппаратов, а также корректировать режимы работы существующих теплообменных аппаратов, повысив тем самым их надежность.

Цель работы состоит в:

  1. Оценке влияния напряженно-деформированного состояния трубных досок на напряженно-деформированное состояние трубок теплообменных аппаратов паротурбинных установок и надежность всей трубной системы в целом;

  2. Оценке влияния эксплуатационного износа трубных систем на изменение их напряженно-деформированного состояния в процессе эксплуатации;

  3. Разработке рекомендаций по уточнению расчета напряженно-деформированного состояния трубных досок под действием различных эксплуатационных и технологических нагрузок.

Задачи исследования. Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:

  1. Исследование напряженно-деформированного состояния трубных систем под действием различных технологических и эксплуатационных нагрузок.

  2. Экспериментальное исследование прогибов трубных досок серийных теплообменных аппаратов ТЭС после основных этапов изготовления аппаратов и при проведении их испытаний.

  3. Разработка моделей и исследование изменения во времени напряженно-деформированного состояния элементов конструкций теплообменных аппаратов ПТУ, подвергшихся эксплуатационному износу.

Научная новизна определяется тем, что автором впервые:

экспериментальными и расчетными методами исследовано напряженно-деформированное состояние трубных систем серийных теплообменных аппаратов паротурбинных установок под действием

различных силовых воздействий (разность давлений теплоносителей, давление со стороны завальцованных в трубных досках трубок поверхности теплообмена, наличие неравномерного температурного поля в трубных досках по их толщине);

- расчетным методом определено влияние осевых сжимающих нагрузок
трубок со стороны деформированной трубной доски на изменение условий
опирання трубок на промежуточные перегородки и их вибрационные
характеристики;

- предложен и обоснован переход от поэлементного прочностного
расчета теплообменного аппарата к расчету модели, содержащей все
элементы теплообменного аппарата и связи между ними;

экспериментальными и расчетными методами исследовано
напряженно-деформированное - состояние элементов серийных

теплообменных аппаратов ПТУ, подвергшихся в процессе эксплуатации коррозионному и эрозионному износу.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются: высокой точностью применяемых систем измерения и хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов, проведением тестовых измерений и согласованием их результатов с эталонными значениями, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных, применением современных численных методов решения; согласованием исходных данных моделирования с данными других авторов и нормативных документов, соответствием полученных результатов современным физическим представлениям, применением лицензионного программного комплекса ANSYS (лицензионное соглашение № 00106919) для расчетных исследований; использованием в работе нормативных материалов, в которых обобщены результаты современных исследований процессов, испытаний и эксплуатации теплообменных аппаратов.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные данные могут быть использованы при проведении прочностных

расчетов теплообменных аппаратов для оценки деформаций и напряжений, возникающих в трубных системах, а также при анализе режимов эксплуатации теплообменных аппаратов ПТУ. Результаты данной работы могут использоваться как совместно с существующими методиками расчета, так и отдельно от них. Полученные данные по характеру изменения напряженно-деформированного состояния элементов теплообменных аппаратов ПТУ в процессе их эксплуатации (под действием коррозионно-эрозионных процессов) могут быть использованы при планировании сроков и объемов ремонтов существующих аппаратов, их модернизации, а также при проектировании новых теплообменных аппаратов ПТУ.

Реализация результатов работы. Результаты используются ОАО «Нестандартмаш» (г. Екатеринбург) при изготовлении теплообменных аппаратов паротурбинных установок, а также в УГТУ-УПИ при чтении лекций студентам по дисциплине «Теплообменники энергетических установок».

На защиту выносятся:

  1. Результаты экспериментального исследования деформаций трубных досок под воздействием технологических нагрузок от вальцевания трубок и от разницы давлений на поверхности трубных досок при гидравлических испытаниях серийных теплообменных аппаратов ПТУ в условиях их изготовления;

  2. Результаты вариантного расчетного исследования технологического процесса вальцевания трубок в трубных досках и влияния этого процесса на напряженно-деформированное состояние трубных досок;

  3. Результаты вариантных расчетов напряженно-деформированного состояния элементов трубных систем ТА под воздействием технологических и эксплуатационных нагрузок;

  4. Разработанные расчетные модели и полученные на их основе результаты исследования влияния эксплуатационного износа элементов теплообменных аппаратов ПТУ (трубных досок, трубок поверхности

теплообмена) на изменение их напряженно-деформированного состояния и прочности.

  1. Рекомендации по уточнению прочностного расчета элементов трубных систем теплообменных аппаратов ПТУ.

  2. Порядок проведения уточненного прочностного расчета трубных систем теплообменных аппаратов ПТУ.

Личный вклад автора состоит в непосредственном проведении экспериментов и анализе их результатов, а также проведении расчетного исследования напряженно-деформированного состояния трубных систем, разработке уточненной методики поверочного расчета напряженно-деформированного состояния трубных систем теплообменных аппаратов ПТУ под действием различных нагрузок, проведении расчетного исследования влияния коррозионно-эрозионных повреждений элементов теплообменных аппаратов ПТУ на их надежность в процессе эксплуатации.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы
обсуждены и доложены на IV и V научно-технических конференциях
молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003,2004 г); XXV,
XXVI и XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий «Наука
и технологии» (Миасс, 2005, 2006 и 2007 гг.); XXXIV Уральском семинаре по
механике и процессам управления «Механика и процессы управления»
(Екатеринбург,2004 г.); Международной научно-технической конференции
«Энергомашиностроение» (Севастополь, 2006 г.); Третьей международной
научно-практической конференции Регионального Уральского отделения
Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова (Екатеринбург, 2004 г.);
Второй Российской межвузовской конференции по компьютерному
инженерному анализу «Компьютерный инженерный анализ» (Екатеринбург,
2005 г.); Международной научно-технической конференции

«Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования» (Харьков, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Топливно-металлургический комплекс»

(Екатеринбург, 2007 г.); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологий - XIV Бернардосовские чтения» (Иваново, 2007); Третьей и Четвертой международной научно-практических конференциях «Совершенствование тепломеханического оборудования ТЭС, внедрение систем сервисного обслуживания, диагностирования и ремонта» (Екатеринбург, 2004, 2007 г.)

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах, в том числе в материалах семи международных конференций и в одной публикации в издании из перечня, рекомендуемого ВАК:

1. Плотников, П.Н. Экспериментально-расчетный анализ колебаний
труб теплообменных аппаратов / П.Н. Плотников, А.В. Занкович, М.Ф.
Целищев // Вестник УГТУ-УПИ - 2003. - № 8(28). - С. 172-176.

2. Плотников, П.Н. Моделирование напряженного состояния элементов
энергетического оборудования при коррозионном растрескивании под
напряжением / П.Н. Плотников, А.С. Руденко, М.Ф. Целищев // Вестник
УГТУ-УПИ -, 2003. - № 8(28). - С. 88-91.

  1. Целищев, М.Ф. Моделирование устойчивости трубной системы сетевого горизонтального подогревателя в условиях сжимающих нагрузок / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // Вестник УГТУ-УПИ - 2004. - № 15(45). - С. 154-157.

  2. Целищев, М.Ф. Влияние эксплуатационного износа элементов теплообменных аппаратов паротурбинных установок на изменение их напряженного состояния / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // XXXIV Уральскоий семинар «Механика и процессы управления»., [материалы]. -Т. 1. - Миасс: Изд-во УрО РАН, 2004. - С. 321 -328

  3. Плотников, П.Н. Комплексный анализ влияния эксплуатационных факторов на надежность кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок / П.Н. Плотников, А.С. Руденко, О. С. Анисимова, М.Ф. Целищев // Четвертая международная науч.-практическая конф.

«Совершенствование тепломеханического оборудования ТЭС, внедрение систем сервисного обслуживания, диагностирования и ремонта», [материалы] - Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. - С. 145-161

6. Целищев, М.Ф. Сравнение различных расчетных моделей трубных
досок теплообменных аппаратов паротурбинных установок /М.Ф.Целищев,
П.Н.Плотников// Компьютерный инженерный анализ. Вестник УГТУ-УПИ -
2005.-№11(67).-С. 24-31.

7. Целищев, М.Ф. Расчетно-экспериментальное исследование
напряженно-деформированного состояния трубных досок теплообменных
аппаратов / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // «VIII отчетная конф. молодых
ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ». [науч. труды] Сб. ст.: в 2 ч. - Екатеринбург:
Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. - 4.1. - С.432-434.

  1. Целищев, М.Ф. Анализ влияния вальцевания трубок в трубной доске на напряженно-деформированное состояние теплообменных аппаратов паротурбинных установок / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников //. Международная науч.-технич. конф. «Энергомашиностроение», г. Севастополь, [материалы] — Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2006. - С. 24-25.

  2. Целищев, М.Ф. Оценка деформированного состояния трубных досок теплообменных аппаратов от технологических и эксплуатационных нагрузок / М.Ф. Целищев, П.Н. Плотников // XXV Российская школа и XXXV Уральский семинар, «Наука и технологии», [посвящ. 60-летию Победы : материалы]. - М.: МСНТ, 2005. - С.257-265.

10. Целищев, М.Ф. Влияние вальцевания трубок и перепада температур
на напряженно-деформированное состояние трубных досок теплообменных
аппаратов энергетических установок / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников //
XXXVI Уральский семинар. «Механика и процессы управления».
[материалы] - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2006. - Т. 111. - С.218-224.

11. Целищев, М.Ф. Расчетно-экспериментальное моделирование
процесса вальцевания трубок в трубных досках теплообменных аппаратов

энергоустановок I М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // Междунар. НТК «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XIV Бенардосовские чтения), [материалы] . Т.1. - Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2007. -С. 198.

12. Целищев, М.Ф. Влияние технологических и температурных
воздействий на напряженно-деформированное состояние трубных досок
теплообменных аппаратов / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // Междунар.
научно-техн. журнал «Проблемы машиностроения» - 2007 - № 1. - Т. 10 - С.
79-83.

  1. Целищев, М.Ф. Влияние технологических напряжений в трубных досках теплообменников на их деформированное состояние / М.Ф.Целищев, П.Н.Плотников // Наука и технологии. Секция 3. Динамика и прочность. Крат. сообщ. XXVII Российской школы [ посвящ. 150-летию К.Э.Циолковского, 100-летию С.П.Королева и 60-летию ГРЦ «КБ им. Акад. В.П.Макеева»] - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2007. - С. 76-78.

  2. Целищев, М.Ф. Моделирование вальцевания трубок и его влияния на напряженно-деформированное состояние трубных досок теплообменных аппаратов паротурбинных установок / М.Ф.Целищев, П.Н. Плотников // Теплоэнергетика. - 2008 - № 3. С. 33-36.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения 0,и библиографического списка из 67 наименований. Весь материал изложен на 128 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 5 таблиц.

Работа выполнена на кафедре «Турбины и двигатели» ГОУ ВПО «Уральский Государственный Технический Университет - УПИ».

Автор благодарен научному руководителю, декану

теплоэнергетического факультета ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, д.т.н. Плотникову П.Н. за постоянное внимание и помощь в ходе выполнения работы; заведующему кафедрой «Турбины и двигатели» ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, проф., д.т.н. Бродову Ю.М. за критические замечания и помощь в подготовке

работы; ведущему научному сотруднику, д.т.н. Рябчикову А.Ю., ведущему научному сотруднику каф. ТЭС, к.т.н. Аронсону К.Э., старшим научным сотрудникам лаборатории теплообменных аппаратов кафедры «Турбины и двигатели» Ниренштейн М.А., Купцову В.К. и Блинкову С.Н., принявшим активное участие в обсуждении результатов и выводов по работе.

Автор приносит глубокую благодарность и признательность всему коллективу кафедры «Турбины и двигатели», в том числе сотрудникам лаборатории теплообменных аппаратов, оказавшим помощь в выполнении данной работы.

Подобные работы
Хает Станислав Иосифович
Разработка и реализация элементов диагностического модуля для мониторинга состояния конденсационной установки паровой турбины
Плотников Петр Николаевич
Обеспечение и повышение надежности кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок
Егоров Кирилл Сергеевич
Повышение эффективности теплообменных аппаратов газотурбинных установок замкнутого цикла
Хайрулин Сергей Масхутович
Совершенствование теплового состояния жаровых труб и температурного поля на выходе высокофорсированных камер сгорания энергетических газотурбинных установок
Ануров Юрий Михайлович
Эффективные методы интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин
Шевич Юрий Артемьевич
Разработка и исследование высокоэффективных теплообменных аппаратов матричного и планарного типов для компактных низкотемпературных систем и установок
Бобков Алексей Владимирович
Разработка проточной системы хладоснабжения туннельного скороморозильного аппарата с использованием низкотемпературного воздуха от турборефрижераторной установки
Носенко Сергей Егорович
Совершенствование технической эксплуатации теплообменных аппаратов судовой дизельной установки с их переводом на обслуживание по фактическому состоянию
Бубнов Владимир Игоревич
Комплексное прогнозирование термонапряженного и деформированного состояния элементов конструкций ракетных двигателей и энергетических установок
Бубнов Владимир Игоревич
Комплексное прогнозирование термонапряженного и деформированного состояния элементов конструкций ракетных двигателей и энергетических установок

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net