流致振动主导机理及减振措施的定量分析

近年来大型蒸汽轮机和锅炉在国内外火力发电厂得到了广泛的应用,随之的工程应对的方式是增大换热器的体积、增大平均管跨的距离,与此同时,为提高换热效率,换热器内流体流速同样有所增大,这些改变导致工厂的一些大型换热器经常出现大幅的管束振动,致使换热器的寿命缩短乃至发生破坏问题。基于实际工作经验,工程上往往通过加装固定板等方式减小振动,但该方式缺乏数据和理论的指导,难以高效地改良换热器、避免类似情况的发生。以换热器管束为计算对象,以国标GB/T 151—2014附录C为理论依据,对不同流体参数、换热器结构参数下导致换热器管束振动的各机理(卡门涡街、湍流抖振、流体弹性不稳定性)的相关参数进行导出,包括卡门涡街和湍流抖振的主频率以及发生共振时的振幅、各部位的流体横流速度及发生流体弹性不稳定时的临界横流速度、换热管的固有频率。基于振动参数对换热器中流致振动的主导机理进行定量分析,找到最易导致管束振动的机理。同时通过改变换热器管束的质量、弹性模量、管外径等导出相关振动参数,并分析了换热管结构参数对振动参数的影响,从而找到更高效的减振方案。壳程为液体流时三种机理几乎在相同条件下都会引发振动,其中,卡门旋涡的流体弹性不稳定危害性相对较大;壳程为气体流时卡门旋涡和湍流抖振更易引发振动,其中,卡门旋涡的流体弹性不稳定危害性相对较大。减振措施中改变换热管外径和支承排布对换热管振动特性影响较大。特别地,对工程上通过增加支承减振的经验做法进行了算例分析,发现增加固定件不一定能起到减振效果,反而可能导致管束振动加剧。对蒸汽过热器管流致振动的主导因素分析,及对不同减振措施的比较,为换热器工程设计提供了参考。