核电站蒸汽发生器传热管束结构设计三维.docx

毕业设计（论文）任务书 2015 届 机械工程及自动化 专业题 目： 核电站蒸汽发生器传热管束结构设计 子 题：学生姓名： 班级学号：指导教师： 职 称：所在系（教研室）：机电与信息工程系下达日期：2014年7月4日 完成日期：2015年5月18日摘 要 当今社会，机械工业是一个国家的重要产业，机械工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对核电站蒸汽发生器传热管束进行改良和优化是当务之急。有大型核电站蒸汽发生器传热管束生产设备企业对设备的安全指标的有着一定生产的严格要求。在生产设备的企业，充分考虑到在设备运行中可能出现的问题，从而减少噪声污染引起的振动或不当操作设备的现象等。国内核电站蒸汽发生器传热管束设备的研发及制造要与全球号召的高效经济、安全稳定主题保持一致。核电站蒸汽发生器传热管束的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。 本次设计是关于核电站蒸汽发生器传热管束结构的设计，通过对传统的核电站蒸汽发生器传热管束结构进行了改进和优化，使得此种类型的核电站蒸汽发生器传热管束结构的使用范围更广泛，更加灵活，并且对今后的选型设计工作有一定的参考价值。 For a lot of special places, like the risk is very big, or we are difficult to reach, such as disarm bombs, unknown corresponding domains such as detection, probing deep of more dangerous situation usually need to implement the robot.Its a main part of robot for micro pedipulator, walking robots and more than six feet, compared to the Eight Legged Robot, because of strong bearing capacity, good stability, which the meritss is simple construction, So, a large number of researchers around the world, start generally attach importance.This paper mainly to the four bar mechanism as the main execution elements to design of micro walking the whole scheme of the four bar mechanism. Its principle is diagonal synchronization, leg activity by the structure of the crank rocker, front leg movements around the same, it detailed performance curve characteristics of the connecting rod,when the curve trajectory diagonal straight line segment, the robot is stationary, the motion trajectory when the diagonal curve is slanting line do the walking motion, robot. The miniature walking robot is mainly driven by DC servo motor, so as to drive the leg action driven synchronous belt wheel by a crank and rocker mechanism. so the design of a special press be imperative. Graduation project this time is a tube axial compressive loading machine. This paper introduces the theoretical calculation to design sleeve pressing machine structure, working principle and main parts of the strength check and the advantages of the sleeve, pressing machine is efficient.目 录摘要1Abstract2第一章 绪论4 1.1 课题的来源与研究的目的和意义5 1.2 核电站蒸汽发生器简介6第二章 Solidworks设计基础7 2.1 草图绘制10 2.2 基准特征，参考几何体的创建11 2.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建12 2.4 工程图的设计13 2.5 装配设计15第三章 核电站蒸汽发生器传热管束结构的设计7 3.1 核电站蒸汽发生器传热管束结构的总体方案图8 3.2 核电站蒸汽发生器传热管束结构的工作原理9第四章 筒体及封头的设计计算28 4.1 筒体和封头厚度的确定28 4.1.1 受内压时筒体厚度确定28 4.1.2 受内压时封头厚度的确定29 4.1.3 受外压时筒体厚度确定30 4.1.4 受外压时下封头厚度的确定31 4.1.5 压力试验及应力校核32 4.2 夹套筒体及封头厚度的确定32 4.2.1 夹套筒体厚度计算32 4.2.2 夹套封头厚度的确定33 4.3 液压试验状态下的稳定性校核33 4.3.1 夹套试验压力33 4.3.2 内筒体的校核34第五章 热束管的设计34 5.1 热束管的尺寸计算34 5.2 管子的中心距计算34 5.3 热束管的排列原则34第六章 三维软件设计总结27结论28致谢29参考文献30第一章绪论1.1课题的来源与研究的目的和意义 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。1.2 核电站蒸汽发生器简介 核电蒸汽发生器是核电站最为关键的主要设备之一。蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且在进行热量交换时，还起着阻隔放射性载热剂的作用，对核电站安全至关重要。因此，蒸汽发生器的一级安全等级、I类抗震类别、一级规范级别和Q1级的质量要求，以及材料和制造的高技术含量均为当代制造业之最。2012年9月28日，由中国自主设计制造的二代加核电百万千瓦级蒸汽发生器，在上海临港核电基地竣工。这是上海电气为辽宁红沿河核电一期工程承制的核电站顶级核岛设备，也是上海电气在临港核电产业基地完整制造的第一台百万千瓦级蒸汽发生器。新研制的这台蒸汽发生器总长度21.7米，竖起时高度相当于6层楼房。内部装有上万个各类精细零件，总重量达345吨。承制红沿河项目一期工程蒸发器的上海电气核电设备有限公司，在历时32个月的自主研发过程中，突破了原来由外方提供整套原材料采购规范的限制，掌握了产品制造所需全套原材料的自主采购技术；并建立了一整套适应核电项目的创新管理体系。第二章 Solidworks绘图基础 本论文主要研究运用SolidWorks对核电站蒸汽发生器传热管束结构进行设计。在设计过程中，了解SolidWorks的各种功能。 SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内。当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名。从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖。其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。 由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。 由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术。SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。 据世界上著名的人才招聘网站检索，与其它3D CAD软件相比，SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这一事实说明了越来越多的工程师和设计者使用SolidWorks三维软件，越来越多的企业需要SolidWorks人才。Solidworks软件功能强大，易于操作，界面人性化，技术创新，组件繁多是SolidWorks的五大特点。使得SolidWorks三维软件成为目前全球领先的三维CAD解决方案。SolidWorks在设计时能够为用户提供不同的设计方案，通过方案的筛选，工程师能从中选择合适的方案，从而在设计过程中降低设计的错误以及提高产品质量。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便又通俗易懂的软件之一。它不仅提供如此人性化的系统，同时对每个工程师和设计者，乃至整个机械行业提供了良好的发展基础。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。据世界上著名的人才网站检索，与其它3D CAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、浙江工业大学、浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用SolidWorks进行教学。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。SolidWorks在现今社会阶段逐渐广泛应用，并且SolidWorks公司对中国市场重点开发，日后SolidWorks应用将会更加完善，更加普遍。通过前文对SolidWorks的深入了解后，往后会对SolidWorks进行个别应用的分析，如建模，装配，工程图，力学分析等。2.1草图绘制 掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具；能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。2.2 基准特征-参考几何体的创建 清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；灵活运用各种建立基准点的方法；灵活运用各种建立基准轴方法；灵活运用各种建立基准面的方法；灵活运用坐标系的建立方法；能根据建模需要综合应用各种参考几何体。2.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建模 灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；灵活运用旋转特征的概念与建立方法；掌握扫描特征的概念与建立方法；灵活运用放样特征的概念与建立方法；通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。2.4工程图设计 灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；灵活运用各种注释的方法。2.5装配设计 灵活运用自底向上的装配方法；灵活运用生成装配体爆炸图的方法；灵活运用SolidWorks智能装配技术；灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；灵活运用干涉检查；灵活运用自上向下的装配方法；灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号；灵活运用生成装配体材料明细表的方法。第三章 核电站蒸汽发生器传热管束结构的设计3.1 核电站蒸汽发生器传热管束结构的总体方案图在水汽系统方面，给水在加热器中加热到一定温度，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器,继续吸热成为450的过热蒸汽，然后送往汽轮机。 在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大气。其布局的具体方案如下： 3.2 核电站蒸汽发生器传热管束结构的工作原理核电站蒸汽发生器的工作原理位：在水汽系统方面，给水在加热器中加热到一定温度，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器,继续吸热成为450的过热蒸汽，然后送往汽轮机。在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大气。第三章 筒体和封头厚度的确定3.1 受内压时筒体厚度确定(1) 通过对液柱静压力和设计压力的计算来确定出计算压力的大小液柱静压力为： (8-1) 由于设计压力的5为，显然液柱静压力已经超过了设计压力的5%，因此我们应该把液柱静压力算入计算压力中，则：式中：一为设计压力，0.2MPa(2) 设计厚度的确定查文献14P143可以知道，材料316在工作温度条件下的许用应力为，则筒体的计算厚度为： (8-2)式中：一为焊缝系数，由文献15P209查得：焊缝系数，把，代入式(8-2)中可得：。由文献16P122可知，材料316的负偏差为0.9mm，腐蚀裕量为2mm，且对于容器材料为高合金钢的，要求不包括腐蚀裕量的最小厚度应该不小于2，因此计算厚度就选用2，则设计厚度为： (8-3)式中：一316材料的腐蚀裕量，则筒体的名义厚度为： (8-4) 因此有效厚度就为: (8-5) 3.1.1 受内压时封头厚度的确定根据此次设计要求，从各方面考虑，决定用标准椭圆形封头。封头厚度的计算公式为： (8-6)由文献15P214可知，针对标准椭圆形封头，K取1，代入式(8-6)中得：。查文献16P122可知，对于容器材料为低合金钢的，要求不包括腐蚀裕量的最小厚度应该要不小于3，因此计算厚度就选用3，则设计厚度为： (8-7) 名义厚度为： (8-8) 因此有效厚度为： (8-9)3.1.2 受外压时筒体厚度确定在受到外压的作用时，所求厚度计算如下：(1) 设筒体厚度为。有效厚度，式中：0.9，则：筒体外径为: (8-10) 筒体计算长度L应该包括封头直边段长度(50)和封头曲面深度()的。因此：，。(2) 由文献9P166得，筒体的临界长度的公式为： 因为,可以知道此次筒体为短圆筒。所以： (8-11)把，代入式(8-11)中得：因为，所以。(3) 由文献15P250，查得：。(4) 筒体的许用外压力： (8-12)把数据代入可得：。(5) 由于，因此其厚度还需要在增大，我们就应该重新对筒体的厚度进行设定。此次设为，然后按照以上步骤再进行计算，可得出：=。查得：。由此可得出：。因为，而且数值相近，因此筒体的名义厚度就可以确定为16mm。由上面计算就可以得出筒体的有效厚度为，名义厚度为。3.1.3 受外压时下封头厚度的确定(1) 椭圆封头当量球壳内半径为： (8-13)查文献15P214可知，K=1。因此:。(2) 我们对封头的名义厚度进行设定，取值为。有效厚度就为。(3) A值的确定 (8-14)(4) 查得：。(5) 许用应力的确定：因为，而且数值相近，因此封头的名义厚度就可以确定为16mm，则有效厚度就为13.1mm。3.1.4 压力试验及应力校核由文献3P158得： (8-15) 式中：一在试验温度下材料的许用应力，试验温度为90摄氏度。 (8-16) 查文献5P236得：对于316，。则。由于，因此筒体的强度校核合格。通过以上的计算，可知在内、外压作用时确定出的封头及其筒体的名义厚度都为16mm，有效厚度都为13.1mm。3.2 夹套筒体及封头厚度的确定3.2.1 夹套筒体厚度计算由条件可知,查文献10P38可得：夹套的直径为。本次设计采用的是不可拆卸的整体夹套，所用材料为。其夹套筒体的计算厚度就为： (8-17)式中：一焊接接头系数0.85，一筒体的内径2400，由文献15P205查得：在90度时，材料的许用应力为133，代入(8-17)得：由文献16P133可知，对于容器材料为碳素钢的，其不包括腐蚀裕量的最小厚度应该不小于3，因此，设计厚度就为： 式中：一腐蚀裕量，对于 来说就等于1。通过文献6P222查得：，名义厚度为：有效厚度为。3.2.2 夹套封头厚度的确定夹套封头厚度为： (8-18) 同上步骤可得：夹套封头名义厚度：夹套封头有效厚度，因为 0.15=3.6，所以满足其稳定要求。通过以上的计算，夹套封头及筒体的名义厚度都为，有效厚度为。3.3 液压试验状态下的稳定性校核3.3.1 夹套试验压力由文献15P205查得：材料在温度为90度的时候其许用应力为133，在温度为100度的时时候则为132.8。；。因此夹套的试验压力就为=0.325。3.3.2 内筒体的校核对于筒体的封头来说，由上可知，得B=71，则，因此在试验中筒体的封头较稳定。而就筒体而言，= ，得B=48，则：，因此在试验中要对筒体进行保压，其能维持的最小压力为。第五章 热束管的设计 5.1 热束管的尺寸计算 热束管弯管段的弯曲半径R（见图3.5.2）应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径minR可按GB151-1999表11选取，取minR=40mm。 U形管弯管段弯曲前的最小壁厚按式（3-5-1）计算：其中，d=19mm，R=minR=40mm，1d=2mm，带入上式得2.2375440mm，圆整取为2.5mm。5.2 管子的中心距计算换热管的中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，根据GB151-1999表12，取换热管中心距为S=25mm，取分程隔板槽两侧相邻管中心距nS=38mm。5.3 热束管的排列原则 换热管的排列应使整个管束完全对称； 在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板间的距离规定的范围内，应全部布满换热管； 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘在靠近折流板缺边位置处应布置拉杆，其间距小于或等于700mm，拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距地（0.51.5）3范围内； 多管程的各管程数应尽量相等，其相对误差应控制在10%以内，最大不得超过20%。