1 塔设备的振动及防震措施

1、1 1.塔设备的振动塔设备的振动 在风力作用下在风力作用下塔的振动形式塔的振动形式: 载荷振动载荷振动: 振动方向沿着风的方向振动方向沿着风的方向顺风向的振动顺风向的振动 诱导振动诱导振动: 振动方向沿着风的垂直方向振动方向沿着风的垂直方向横向振动横向振动 它对塔设备的破坏性大，所以主它对塔设备的破坏性大，所以主 要讨论要讨论风的诱导振动风的诱导振动。 2 一、风的诱导振动一、风的诱导振动 机理：机理： 卡曼涡街卡曼涡街:当风以一定速度绕流圆柱体时当风以一定速度绕流圆柱体时, 在圆柱体两侧的在圆柱体两侧的 背风面交替产生旋转方向相反的旋涡背风面交替产生旋转方向相反的旋涡, 然后脱离然后脱离 并

2、形成一个旋涡尾流并形成一个旋涡尾流, 这种现象称为卡曼涡街这种现象称为卡曼涡街, 如图如图1-3所示所示 产生原因产生原因: 图图1-1, 1-2 依据流体力学原理依据流体力学原理边界层堆积、分离边界层堆积、分离 3 A B D C 风以一定的风以一定的 速度绕流圆速度绕流圆 柱形塔设备，柱形塔设备， 塔设备周围塔设备周围 的风速是变的风速是变 化的化的 图图1 1- -1 1 塔周围的风速塔周围的风速 4 图图1 1- -2 2 边界层的堆积及旋涡的形成边界层的堆积及旋涡的形成 (a)边界层的堆积边界层的堆积 (a)边界层的堆积边界层的堆积 5 (b)(b)旋涡的形成旋涡的形成 图图1 1-

3、 -2 2 边界层的堆积及旋涡的形成边界层的堆积及旋涡的形成 (b)旋涡的形成旋涡的形成 6 图图1 1- -3 3 卡曼涡街卡曼涡街 7 图图1 1- -3 3 卡曼涡街卡曼涡街 8 产生条件产生条件: 旋涡特性与雷诺数的关系旋涡特性与雷诺数的关系 a.当当Re5不发生边界层分离现象不发生边界层分离现象无旋涡产生无旋涡产生 b.当当 5Re40塔体背后出现一对稳定的旋涡塔体背后出现一对稳定的旋涡 c.当当40Re150出现卡曼涡街出现卡曼涡街, 塔体背风面交替产塔体背风面交替产 生旋转方向相反的旋涡生旋转方向相反的旋涡, 图图1-3 d.当当300Re3105亚临界区亚临界区, 旋涡以一确定

4、的旋涡以一确定的 频率周期性地脱落频率周期性地脱落 e.当当3105Re3.5106过渡期过渡期, 无涡街出现无涡街出现, 尾流尾流 变窄，无规律且都变成紊流变窄，无规律且都变成紊流 f.当当Re3.5106超临界区超临界区, 卡曼涡街又重新出现卡曼涡街又重新出现 9 升力：升力： 塔两侧流体绕流情况塔两侧流体绕流情况: 旋涡刚刚脱落的一侧旋涡刚刚脱落的一侧: 绕流改善绕流改善, 流体阻力流体阻力, 速度速度, 静压力静压力 旋涡正在产生的一侧旋涡正在产生的一侧: 绕流差绕流差, 流体阻力流体阻力, 速度速度, 静压力静压力 塔表面压强分布不均塔表面压强分布不均, 周期性变化周期性变化, 受到

5、力的作用受到力的作用使塔沿使塔沿 风向的垂直方向产生振动风向的垂直方向产生振动称之为横向振动称之为横向振动 升力升力沿风向的垂直方向的推力沿风向的垂直方向的推力 升力拽力升力拽力 拽力拽力沿风向产生的风力沿风向产生的风力 计算时一般只考虑升力计算时一般只考虑升力 升力计算：升力计算： （1-1） 2 2 AvC F L L 10 风诱导振动的激振频率：风诱导振动的激振频率： 塔体的激振频率塔体的激振频率=形成旋涡的频率形成旋涡的频率=旋涡脱落的频率旋涡脱落的频率 旋涡脱落的频率的影响因素旋涡脱落的频率的影响因素: 塔体的外径、风速塔体的外径、风速 激振频率：激振频率： （1-2） vr v f

6、S D r S 斯特劳哈尔准数，其值与雷诺数斯特劳哈尔准数，其值与雷诺数Re大小大小 有关，可由图有关，可由图1-4确定；确定； 11 图1-4 圆柱体的 r S 值 12 临界风速临界风速 共振共振当旋涡脱落的频率与塔的任一振型的固有频率一致时当旋涡脱落的频率与塔的任一振型的固有频率一致时, 会引起塔的剧烈振动会引起塔的剧烈振动 临界风速临界风速塔共振时风速塔共振时风速. 若取若取Sr =0.2，则由，则由(1-3) 式可求得临界风速。式可求得临界风速。 5 5 cncn cn D vf D T (1-3) 13 二、塔设备的自振周期二、塔设备的自振周期(固有周期固有周期) 解析法 集中质量

7、法 近似法 折算质量法 能量法 固有周期计算方法固有周期计算方法 塔设备的力学模型塔设备的力学模型: 简化成底端固定、顶端自由、质量沿高度简化成底端固定、顶端自由、质量沿高度 连续分布的悬臂梁，图连续分布的悬臂梁，图2-1 塔视为具有多个自由度体系，则它具有多个固有频率。塔视为具有多个自由度体系，则它具有多个固有频率。 基本频率基本频率固有频率中最低的频率固有频率中最低的频率 振型振型振动后的变形曲线，图振动后的变形曲线，图2-2 14 固有周期的求解思路固有周期的求解思路 振动微分方程振动微分方程 设通解设通解 由边界条件由边界条件 定通解定通解 求得固有周期求得固有周期 15 图图2-1

8、计算模型计算模型 16 第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型 图图2-2 塔设备振型塔设备振型 17 等截面塔等截面塔: 直径、壁厚、材质相同直径、壁厚、材质相同, 质量沿高度均布质量沿高度均布 由振动方程：由振动方程： 求解得：求解得： 振型：图振型：图2-2 0 2 2 4 4 t y EI m x y （2-1） EI mH T 4 1 79. 1 EI mH T 4 2 285. 0 EI mH T 4 3 102. 0 (2-2) 18 变截面塔变截面塔: 不等直径或不等壁厚不等直径或不等壁厚, 质量沿高度不均布质量沿高度不均布 方法方法: 质量折算法质量折算法将一个多自

9、由度体系简化成一个将一个多自由度体系简化成一个 单自由度体系，如图单自由度体系，如图2-3所示所示 假设假设: a.塔的质量全部集中于塔顶塔的质量全部集中于塔顶 b.振型曲线为振型曲线为 结论结论: 变截面塔的第一振型的固有周期为变截面塔的第一振型的固有周期为 公式缺点公式缺点:只能计算第一振型的自振周期只能计算第一振型的自振周期 ( 为什么为什么? ) 一般塔的一般塔的T1=110s 之间之间 2 3 H h YY i ai (2-3) n i n i ii i ii i n i i i IE H IE H H h mT 12 11 33 3 1 1 3 1 2 (2-4) 19 图图2 2

10、-3 -3 不等直径或不等壁厚塔的计算不等直径或不等壁厚塔的计算 多自由多自由 度体系度体系 折算后的折算后的 单单自由度自由度 体系体系 20 共振的危害共振的危害: 轻者使塔产生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，轻者使塔产生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降， 影响塔设备的正常操作；影响塔设备的正常操作； 重者使塔设备导致严重破坏，造成安全事故。重者使塔设备导致严重破坏，造成安全事故。 因此，在塔的设计阶段就应避免共振的发生。因此，在塔的设计阶段就应避免共振的发生。 规定规定: 为了防止塔的共振为了防止塔的共振, f v 不得不得在如下范围内在如下范围内 11 3 . 185. 0 cvc fff ( (2 2- -5 5) ) 2.塔设备的防振塔设备的防振 21 如果激振频率如果激振频率f v 在式在式(2-5)的范围内，则应采取相应的措施的范围内，则应采取相应的措施: 增大塔的固有频率增大塔的固有频率: 增大塔的阻尼增大塔的阻尼: a.塔盘上的液体或塔内的填料塔盘上的液体或塔内的填料使塔阻尼使塔阻尼,Y b.设置弹簧阻尼器设置弹簧阻尼器; c.塔壁上悬挂外裹橡胶的铁链条塔壁上悬挂外裹