凝汽器管束振动校核方法的研究

卢日时，赵欢欢

（哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090）

0 概 述

凝汽器是用于冷热流体交换热量的设备，设备内部的管道交错纵横、结构复杂，其管道振动和支撑稳定性不仅与其制造材料、管板结构形式以及参与内部换热的流体热物性等有关，更重要的是与流场的振动特性密切相关。随着传热效率的提高，工质流速也越来越大，导致凝汽器流体诱导振动的破坏现象日渐增多。因此，对凝汽器内流体诱导振动的研究，已成为当前的重要研究课题［1］。

导致管束发生震颤的基本机制主要有4种，包括流体弹性失稳、漩涡脱落共振、紊流抖振和声学共振［2］。除声学共振产生的剧烈的噪声并不会增强管道振幅外，其余3种机制都与管束振动幅值有关。这4种振动机制有其各自的计算体系，计算公式繁多（包括所需要的几何参数、经验参数以及各类图表等），不利于建立一套系统的分析体系。

根据上述4种振动机制的原理，对凝汽器管束振动校核方法进行了研究总结，形成统一的校核分析体系，并以某项目凝汽器为例，对校核体系进行了验证，为凝汽器管束的工程设计提供参考。

1 振动机理与校核方法

1.1 流体弹性失稳

当流动速度达到某一数值（临界速度）时，由流体弹性力对管子系统所做的功就大于管子系统阻尼作用所消耗的功，管子的响应振幅将迅速增大，即使流速有很小的增量，也会导致管子振幅的突然增大，以致管子与其相邻的管子发生碰撞而破坏，这就是流体弹性激发的振动［2］。

式中：Ucr为临界速度（m／s）［3］；

β为临界失稳常数，取决于管型和节距，保守计算准则取β＝2.1［5］；

fn为管n 阶固有频率（Hz）［3］；

D为管外径（mm）；

δs＝m0δn／（ρ0D2）为阻尼参数［4］。

流体弹性失稳主要有以下2种判据［6］：

（1）在双对数坐标图上，以阻尼参数为横坐标，表征临界速度的参数Ucr／fnD 为纵坐标，两者之间的关系可表示为一条斜直线。在直线左上方是大振动的不稳定区域，在直线右下方的是小振动的稳定区域。关系式的图解形式，如图1所示。

图1 流体弹性失稳判定图解

（2）实际速度U 大于临界速度Ucr的1／4（即U／Ucr＞0.5）时，发生流体弹性失稳。

1.2 声学共振

声学共振或共鸣是由气柱振动导致的。这种振动通常发生在垂直于管轴和流向的方向上。当壳体的自然声学频率接近管道的激发频率时，一种耦合现象将会出现，流动流体里的动能被转换成谐振的压力波。两种频率相差约其中一方的20%时，锁相（激发频率转变成声学频率的现象）现象就会出现。

以壳体谐振频率fa为准，漩涡脱落频率fv，s和紊流抖振频率ft，b为激发频率，壳侧流体为蒸汽时，发生声学共振的条件是［3，4］：

或

（1）凝汽器壳体谐振频率fa

壳体将交叉流动中的管束包含在内，它的相关谐振模式是那些由垂直于管轴和流向方向的驻波组成。

式中：Ceff为壳侧流体有效声速（m／s）［5］；

n为模态阶数；

W为壳体在垂直于流动与管轴方向上的尺寸／m。

（2）旋涡脱落频率fv，s

式中：S为斯特劳哈数，取决于管型、节距和管径，可查图确定［5］。

（3）紊流抖振频率ft，b［3］

式中：Pt和Pl分别为横向节距和纵向节距，如图2所示。

图2 横向节距和纵向节距示意图

1.3 漩涡脱落共振

当流体横向稳定流经管子时，管子背面的尾流处产生卡曼漩涡，当漩涡从换热器管子的两侧周期性交替脱离时，便在管子上产生周期性的升力和阻力。这种流线谱的变化将引起压力分布的变化，从而导致作用在换热器管子上的流体压力的大小和方向发生变化，最后引起管子振动［2］。

漩涡脱落引起的管子振动幅度Yv，s在一些特定限度内是可以接受的。可以接受的限度为［5］：

Yv，s≤0.02D

式中：CL为升力系数，保守计算准则取CL＝0.091。

1.4 紊流抖振

紊流抖振亦称为结构振动，是指由于不稳定流体作用力，在流体达到临界速度之前和远离漩涡锁定速度范围时，管束的低振幅响应。实际流体流动中总会含有紊流，所以必然产生对管束的紊流撞击。它的特征表现为随机的压力脉动和一个较宽的连续频段。

紊流抖振引起的管子振动幅度Yt，b在一些特定限度内是可以接受的。可以接受的限度为［5］：

式中：CF为阻力系数［4］。

2 验证振动校核方法

现以某项目凝汽器为例，介绍振动校核过程并验证上述校核方法。

2.1 校核流程

已知某项目凝汽器整体结构及换热管和管束、壳体、蒸汽、冷却水等相关参数，确定关注区域（所需校核区域），依据相应计算公式和判据来对管束进行振动校核。校核流程如图3所示。

2.2 校核结果

（1）在双对数坐标图上，表征实际速度的点落在直线右下方，为小振动的稳定区域，且U／Ucr＝0.35＜0.5，如图4所示。故该凝汽器管束不会产生流体弹性失稳。

（2）fa／fv，s＝0.048＜0.8且fa／ft，b＝0.047＜0.8，故该凝汽器管束不会产生声学共振，如图5所示。

（3）Yv，s／D ＝0.003＜0.02，故该凝汽器中漩涡脱落引起的振动在可接受限度内，如图6所示。

（4）Yt，b／D ＝0.001＜0.02，故该凝汽器中紊流抖振引起的振动在可接受限度内，如图7所示。

图7 紊流抖振计算结果示意图

该凝汽器管束振动校核过程参数和校核结果均与文献［6］相符，故所建立的管束振动校核分析体系是正确的，可直接应用于凝汽器管束工程设计中。

3 结 语

基于凝汽器管束振动机理，对振动校核方法进行了研究总结，建立了一套系统的校核分析体系，进而建立可视化界面的校核程序。

应用校核程序，对某项目凝汽器进行了基于流体弹性失稳、声学共振、漩涡脱落共振以及紊流抖振等振动机制的振动分析，得到了与文献［6］完全一致的结论，验证了利用程序进行校核的方法。

该振动校核程序准确、直观、便捷，可直接应用于凝汽器管束的工程设计中，且为管束防振提供理论依据，便于工程技术人员采取有效措施，防止振动破坏及有效利用振动强化传热效果。