空氣冷卻器風(fēng)機(jī)橋架振動(dòng)特性的分析

遲鵬

摘 要：風(fēng)機(jī)橋架設(shè)計(jì)不僅僅要考慮靜載下的強(qiáng)度，更需要考慮在風(fēng)機(jī)、電機(jī)振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性。本文針對空冷器風(fēng)機(jī)單元進(jìn)行分析，通過有限元計(jì)算軟件，分析風(fēng)機(jī)及電機(jī)在運(yùn)行過程中的各種可能的激振頻率和振動(dòng)荷載，為直接空冷風(fēng)機(jī)橋架工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)役空冷電站風(fēng)機(jī)橋架的減振措施提供一定的指導(dǎo)，同時(shí)為進(jìn)一步對整個(gè)空冷平臺的振動(dòng)特性分析打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空冷器冷卻器；風(fēng)機(jī)橋架；振動(dòng)荷載；有限元分析

中圖分類號：TU311.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0082-02

風(fēng)機(jī)橋架是支撐空冷島風(fēng)機(jī)、電機(jī)及減速機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的主要部件，風(fēng)機(jī)及電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中由于不平衡力的作用會產(chǎn)生周期性的振動(dòng)。由于風(fēng)機(jī)橋架直接安裝于空冷島平臺上，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響著整個(gè)空冷平臺的振動(dòng)特性。

1 分析方法

1.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性的一種方法，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。這個(gè)分析過程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為計(jì)算模態(tài)分析。如果通過模態(tài)分析方法清楚了結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備的故障診斷的重要方法，同時(shí)其分析結(jié)果可作為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析等其他動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性方程的特征值和特征向量。

典型的無阻尼結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：—質(zhì)量矩陣；—?jiǎng)偠染仃?；—加速度向量；—位移向量?/p>

如果令：則有：

代入方程可得：

上式稱為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征方程，模態(tài)分析就是計(jì)算該特征方程的特征值及其對應(yīng)的特征向量。

1.2 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦（簡諧）規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。分析的目的是計(jì)算結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)并得到一些響應(yīng)值對頻率的曲線。該技術(shù)只計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，不考慮結(jié)構(gòu)在激勵(lì)開始時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)。諧響應(yīng)分析使設(shè)計(jì)人員能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性，從而使設(shè)計(jì)人員能夠驗(yàn)證其設(shè)計(jì)是否能夠克服疲勞，共振，及其他受迫振動(dòng)引起的有害效果，同時(shí)也可以利用共振的有益效用，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)形式。在周期變化荷載的作用下，結(jié)構(gòu)將以荷載頻率做周期振動(dòng)。周期荷載作用下的運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：—阻尼矩陣；—簡諧荷載的幅值向量； —激振力的頻率；

位移響應(yīng)：

式中：—位移幅值向量，與結(jié)構(gòu)固有頻率和荷載頻率以及阻尼有關(guān)；—位移響應(yīng)滯后激勵(lì)荷載的相位角；結(jié)構(gòu)的其他響應(yīng)可以通過位移響應(yīng)求出。

2 振動(dòng)荷載分析

2.1 激振頻率特性分析

電站直接空冷大直徑的軸流風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速一般較低，一般為60～90rpm，故風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率：

屬于低頻轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到風(fēng)機(jī)可能采用變頻運(yùn)行，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍可能在30～110%范圍內(nèi)變化，所以風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行頻率一般可能的范圍為0.3～1.43Hz。

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行的過程中，葉片通過梁時(shí)，葉片與梁之間會產(chǎn)生相互的作用，常用的空冷軸流風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量可能為5～8片，故風(fēng)機(jī)的葉片通過頻率：

考慮到風(fēng)機(jī)可能采用變頻運(yùn)行，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍可能在30～110%范圍內(nèi)變化，所以風(fēng)機(jī)葉片的通過頻率一般可能的范圍為1.5～11.44Hz。

電站直接空冷系統(tǒng)中采用的電機(jī)一般為6極電機(jī)或4極電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速分別為1000rpm和1500rpm，所以正常運(yùn)行情況下，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率：

考慮到電機(jī)可能采用變頻運(yùn)行，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍可能在30～110%范圍內(nèi)變化，所以電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)頻率一般可能的范圍為4.98～27.5Hz。

在空冷電站實(shí)際的運(yùn)行中，根據(jù)氣候條件和機(jī)組負(fù)荷的大小，會隨時(shí)調(diào)整空冷風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足機(jī)組變工況運(yùn)行的要求，所以空冷風(fēng)機(jī)及電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和風(fēng)機(jī)葉片的通過頻率在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)。風(fēng)機(jī)橋架在設(shè)計(jì)中很難使其固有頻率避開這一范圍，這樣就使得風(fēng)機(jī)及電機(jī)的運(yùn)行頻率與風(fēng)機(jī)橋架的固有頻率重合或相近的可能性很大，很可能引起風(fēng)機(jī)橋架的共振，因?yàn)槌藢︼L(fēng)機(jī)橋架的固有頻率分析之外，對風(fēng)機(jī)橋架在各種振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性分析也是非常重要的。

2.2 振動(dòng)荷載的分析

（1）由于風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不平衡力引起的振動(dòng)。由于質(zhì)量的不均勻而產(chǎn)生不平衡的離心力。風(fēng)機(jī)在安裝的誤差，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)心可能與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線偏離，同樣在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生不平衡的離心力。離心力的大小與偏心質(zhì)量、偏心距及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。（2）由于風(fēng)機(jī)葉片通過風(fēng)機(jī)橋架梁時(shí)的相互作用引起的振動(dòng)。風(fēng)機(jī)葉片在通過梁時(shí)，由于氣動(dòng)作用，在梁與葉片之間會產(chǎn)生作用力和反作用力。作用的梁上的力會直接引起風(fēng)機(jī)橋架的振動(dòng)，作用的葉片上的力會對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸產(chǎn)生一個(gè)彎矩，同樣會間接的引起風(fēng)機(jī)橋架的振動(dòng)。（3）由于電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不平衡力引起的振動(dòng)。電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也會產(chǎn)生不平衡力，其產(chǎn)生原因與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生不平衡力的原因類似，但其作用的頻率用遠(yuǎn)高于風(fēng)機(jī)不平衡力的作用頻率。

3 結(jié)語

（1）通過上面的分析可以看到，在風(fēng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)與橋架基本上不會發(fā)生共振現(xiàn)象，而在電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)與橋架發(fā)生共振的可能性比較大。（2）本文基于理論計(jì)算基礎(chǔ)之上的，激振荷載是通過計(jì)算或試驗(yàn)得到的，而實(shí)際上激振荷載與現(xiàn)場的安裝質(zhì)量有很大關(guān)系?？傻浆F(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地測量，與理論進(jìn)行對比，對于以后的工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。（3）本文對單個(gè)風(fēng)機(jī)單元的風(fēng)機(jī)橋架進(jìn)行分析，整個(gè)空冷平臺通常由眾多的風(fēng)機(jī)單元組成，屬于多點(diǎn)激振情況，各個(gè)風(fēng)機(jī)單元振動(dòng)疊加情況也極為復(fù)雜，所以整個(gè)空冷平臺的振動(dòng)情況還有待于進(jìn)一步的研究。