U型管换热器管束固有频率研究.pdfVIP

华南理工大学学报 (自然科学版) 维普资讯 第25卷第2期 JournalofSouthChinaUniversityofTechnology VoI．25 No．2 1997年 2月 (NaturalScience) February 1997 U型管换热器管束固有频率研究* 钱颂文 吴家声 马小明 孙萍 (华南理工大学工业装备与控制工程系 广州 510641) 摘要 本文充分考虑了各种影响因素，采用理论分析和实验研究相结合的方法，得到了U型管管 束固有频率的计算公式。实验结果表明，该公式的误差，一般在±8％以内，满足工程设计要求。 另外，本文提供了相应图表，使工程设计简单方便。 关键词 U型管束；固有频率；频率参数 中图资料分类号 TB656．5 换热器是石油、化工、动力、原子能等许多行业中广泛应用的主要设备之一，换热器性能的 优劣，寿命的长短，关系着企业的产品质量和经济效益。换热器的强化传热与防止流体诱导振 动是换热器研究中的两个关联着的方面，尤其是大型管壳式u型管换热器，突发破坏性的流 体诱导振动，将成为安全设计的重要内容。 防止换热器流体诱导振动破坏，不论采用何种诱导振动机理和预测方法，都离不开管束固 有频率的准确计算。目前，对于多跨U型管管束的固有频率，有关规范和文献推荐或提出了 一 些估算公式，现使用的美国TEMA规范和我国的管壳式换热器设计规定，也都是采用经 验或半经验公式，适用范围有限，精确度较差，且缺少理论分析。U型管管束的固有频率，虽 然也可以将其离散化，用有限元计算机程序进行电算，但相当复杂，不便于工程应用。 本项研究是在上述背景上，采用理论分析研究与实验相结合的方法，得出应用范围大、计 算误差小、便于工程设计的u型管管束固有频率的理论公式。 1 理论分析 U型管管束是由直管和半圆弧管组成的对称形式，两端多采用焊胀等方法固定在管板 上，中间由许多折流板支承。U型管管束可简化为在管板处固支、在折流板处简支的多跨连 续梁(图1)。在以下的理论分析中，假设：管子为弹性体，材料各向同性、均匀连续；管子的变 形和位移是小量的，且满足连续性条件；管子振动时横截面始终垂直于当时的轴线。对于U 型管换热器管束与管内外液体的固一液耦联振动，除了考虑管内外液体的附加质量外，还考虑 管内液体的流速。 D．C．Nguyen与P．M．Moretti等人在等直跨U型管振动的基频实验中证实，在一般情况 来稿日期：1995—04—05 *本文为国家教委下达的“化工设备换热器流体诱导振动”重点项目成果的一部分 钱颂文。男。1931年生。教授；主要研究方向：换热设备及流体诱导振动。 **武汉化工学院 ***华南理工大学交通学院 维普资讯 第2期 钱颂文等：U型管换热器管束固有频率研究 15 下，U型三跨系统或U型七跨系统(图1)的基频是整根U型管固有频率的下限值，只有在直 管跨跨长很长时例外。实验还表明，对同一根U型管，由U型三跨系统和U型七跨系统得出 的频率参数相差无几，当R／Ll0．4(我国规范规定，外层U型管，R／Lt0．47)，两者的频率 参数几乎相等。因此，整根U型管固有频率的计算问题归结为：分别计算最长直管跨和U型 三跨系统的固有频率，其中较小者就是U型管的固有频率。关于直管的固有频率，已有多种 可用于工程设计的计算方法，本文只讨论如何计算U型三跨系统面外振动(因为面外振动容 易被激发)的固有频率。 将U型三跨系统分离为I、Ⅱ半圆弧管与AB、CD直管三部分(图4)。 1．1 半圆弧管的固有频率 半圆弧管振动时任一截面上的内力、位移和坐标如(图2)、所示。内力与变形的关系为 M ：Ef(9／R—u)， M =E1(“+W ／R)， M：=G ( +u／R) (1) 应用哈密顿原理可得半圆弧管面外自由振动微分方程和相应的边界条件 I i- 4 务 、． I I 龠 自 ‘