CN106777635A - 一种在风机参数及电机运转参数已知条件下的空冷岛风机桥架优化方法 - Google Patents

Abstract

一种在风机参数及电机运转参数已知条件下的空冷岛风机桥架优化方法，基于风机桥架的振动情况进行实地测试，找到风机桥架的振型及振动源；分析风机旋转对风机桥架产生的激振力，并找到对风机桥架有影响的激振力为轴向力；通过将风机桥架的一阶振振型、稳态响应与相应简支梁的一阶振型、稳态响应作对比，从而将风机桥架简化为简支梁模型；通过轴向力计算公式及稳态响应范围，建立架设费用最低的桥架设计方法。通过现场测试并应用MATLAB将作出频响曲线确定桥架振动源，通过对振源的分析找到桥架的主要激振力，然后应用ANSYS仿真分析将桥架模型简化，最后得出一种基于风机轴向力公式、桥架的振动幅值范围的桥架设计方法。

Description

一种在风机参数及电机运转参数已知条件下的空冷岛风机桥 架优化方法

技术领域

本发明涉及到一种空冷岛风机桥架结构设计的方法，属于结构性能研究领域，具体涉及通过找到空冷岛风机桥架主要振动源，并简化风机桥架结构，最后设计一种在风机参数以及电机运转参数已知的条件下，使建筑开销最小的桥架设计方法。

背景技术

火力发电厂的水冷技术需要消耗大量的水资源，导致电厂建设在选址上受到极大的限制。由于北方地区水资源匮乏，近年来，水冷技术逐渐被空冷技术所替代。空冷技术对水资源依赖性较小。该技术是采用风机强制对流的方式对管束内乏汽进行冷却。由于需要冷却的乏汽量大，所以需要的空冷风机不仅多，而且规格特别大。一般的600MW机组单台机需要56个风机单元，单个风机直径达10米左右。现有的风机安装在风机桥架上，在风机运行过程中，会引起风机桥架振动。过大的振动会导致风机、电机及减速机等的破坏。2008年怀安电厂空冷岛的风机桥架振动过大，导致风机桥架上振动经常超标，后期不得不对风机桥架进行加强，总计改造费用数百万元，且延误了电厂发电工作。

加固桥架是减小振动最有效的方法，但是如果加大桥架的支撑梁，桥架的重量必然增加，而支撑桥架的钢结构以及支撑柱必然需要加固，这就直接增大了花销。所以有必要找到一个在风机以及电机运转情况已知的条件下，使开销最小的桥架设计方法。

发明内容

本发明旨在提供一种在风机，电机运转情况均已知的条件下，使开销最小的桥架设计方法。该方法的主要特点是通过对风机桥架振动源及干扰力分析后，将桥架简化为简支梁模型。然后求出简化模型的振动稳态响应。最后根据轴向力公式推导出风机桥架的优化设计方法。

本发明是采用以下技术手段实现的：

S1、基于风机桥架的振动情况进行实地测试，找到风机桥架的振型及振动源；

S2、分析风机旋转对风机桥架产生的激振力，并找到对风机桥架有影响的激振力为轴向力；

S3、通过将风机桥架的一阶振振型、稳态响应与相应简支梁的一阶振型、稳态响应作对比，从而将风机桥架简化为简支梁模型；

S4、通过轴向力计算公式及稳态响应范围，建立架设费用最低的桥架设计方法。

本发明的特点是通过现场测试并应用MATLAB将作出频响曲线确定桥架振动源，通过对振源的分析找到桥架的主要激振力，然后应用ANSYS仿真分析将桥架模型简化，最后得出一种基于风机轴向力公式、桥架的振动幅值范围的桥架设计方法。

附图说明

图1各工况频响曲线。

图2简化模型图。

图3一阶振型。

具体实施方式

步骤(1)实地测试找到桥架振型；

为了探究桥架的振型，做两组实验分别测试水平方向与垂直方向：

第一组实验，在桥架水平方向，中间位置及两端分别放置一个速度传感器，测试风机运转100％工况下，桥架水平方向振动情况。桥架传感器布置情况及测试结果中，在水平方向上，桥架中间位置和桥架端部同步振动，振速在1mm/s附近。

第二组实验，在桥架垂直方向，桥架外侧中部及桥架中部放置两个速度传感器，测试风机运转100％工况下，桥架垂直方向振动情况。桥架传感器布置情况及测试结果中，在垂直方向上，桥架外侧中部与桥架中部同步振动，振速开始时已超10mm/s，而后衰弱。

通过这两组实验，发现桥架振动时，有破坏性的振动在垂直方向，即以垂直方向一阶振动为主。

步骤(2)通过现场测试找到振动源；

通过测试风机在不同转速下的桥架振动情况，分析频响曲线，找到振动源。图1为matlab处理的电机不同转速下桥架的频响曲线。将60％，75％，80％，85％，以及100％转速下电机的频率，风机经过减速器之后的旋转频率，以及桥架的振动峰值频率总结如表1。

表1

桥架振动峰值与风机旋转频率之间的比值均在5附近，而风机的叶片数恰好为5片。所以我们可以确定桥架的激振源为风机。激振频率为风机扇叶数与风机运行频率的乘积。步骤(3)分析引起桥架振动的激振力

风机旋转对桥架的作用力主要有以下几种：

由转子质量偏心引起的扰力；由扇叶平面外振动引起的扰力；由空气反作用力引起的扭矩；由空气反作用引起的竖直向下的轴向力。

其中转子的偏心扰力为离心力，方向始终指向风机轴径向，即水平方向；扇叶振动引起的扰力会使风机轴产生弯曲应变；空气反作用力引起的扭矩方向始终沿着风机旋转的反方向；而空气反作用力引起的轴向力始终沿着风机轴向。所以对于桥架的振动方向有影响的扰力只有由空气反作用力引起的轴向力。

步骤(4)简化桥架模型

将桥架模型简化为简支梁模型，如图2。

该模型在中点位置的挠度为

该梁的刚度为

所以该模型的固有频率

其中P为集中载荷；L为梁长度；E为弹性模量；I为截面惯性矩；M为总重量；

桥架实际固有频率由仿真分析得到为ω′，则若误差在5％以内，且振型一致，则说明该简化模型成立。

举例如下：

根据某电厂的桥架及风机参数进行验证，材料为Q235，规格HM488*300，桥架长度11.236m。桥架参数如下：

E＝206GPa；m＝129×11.236＝1449.4kg；

I_x＝7.14×10^-4m⁴；I_y＝8.12×10^-5m⁴；ρ＝7.85×10³kg/m³；

A＝164.4×10^-4m²；l＝11.236m；EI_x＝1.47×10⁸；EI_y＝1.67×10⁷；

将数据代入(式2)得：

某电厂风机单重1338kg，减速机重1080kg，电机重1098kg，风筒1900kg，风罩2860kg。所以位于桥架中间位置风机、电机、减速机等总重M＝8276kg；风机桥架总重M′＝1449.4×2＝2898.8kg。

将数据代入式(3)得

用ANSYS模拟实际桥架与风机情况振型如图3：

得到一阶固有频率f₂＝4.83869Hz

实际与简化模型计算结果误差为所以将桥架简化为此简支梁模型。

步骤(5)计算模型稳态响应及轴向力，得出桥架设计方法。

假设激振力P为风机扰力的20％，如果激振力方程

P(t)＝F₀cosωt (4)

则运动方程为

假设x_p(t)＝Xcos(ωt-φ) (6)

其中X,φ分别为幅值和相位。

对式(6)求一阶，二阶导数，有

将式(6)、式(7)、式(8)代入式(5)中得

X[(K-Mω²)cos(ωt-φ)-Cωsin(ωt-φ)]＝F₀cosωt (9)

用三角函数和差公式

cos(ωt-φ)＝cosωtcosφ+sinωtsinφ

sin(ωt-φ)＝sinωtcosφ-cosωtsinφ

化简得

X[(K-Mω²)cosφ+Cωsinφ]＝F₀

X[(K-Mω²)sinφ-Cωcosφ]＝0

解得

所以系统的稳态响应为

由式(3)，将式(10)、(12)、(13)，化简为

其中：X为幅值；F₀为激振力；

风机旋转时进出口气流的动量改变量为产生轴向力的冲量，假设质量为dm的圆柱气团被吹出风机时速度为v，轴向力为F，即：

Fdt＝vdm (17)

由于dm＝ρvdA；Q＝vA

所以式(17)变为：

由于气体在风机风筒中会有损耗，取矫正系数k＝0.9；

最后得出

由于风机流量与风机转速成正比关系，设比例系数为α，则

其中Q_m、n_m为满转的流量、转速；

式(19)变为

式(21)即为轴向力公式。其中

ρ为气体密度；

k为校正系数；

Q_m为风机满转流量；

n_m为风机满转转速；

n为风机转速；

A为风机截面积；

激振力

由式(16)，式(22)得，

令v_max≤am/s (25)

在单层钢结构中，阻尼比可取0.05

所以

即

将式(2)、(27)代入式(24)，得

综上，即可根据此公式进行桥架的选型。

Claims (2)

1.一种在风机参数及电机运转参数已知条件下的空冷岛风机桥架优化方法，其特征在于：

S1、基于风机桥架的振动情况进行实地测试，找到风机桥架的振型及振动源；

S2、分析风机旋转对风机桥架产生的激振力，并找到对风机桥架有影响的激振力为轴向力；

S3、通过将风机桥架的一阶振振型、稳态响应与相应简支梁的一阶振型、稳态响应作对比，从而将风机桥架简化为简支梁模型；

S4、通过轴向力计算公式及稳态响应范围，建立架设费用最低的桥架设计方法。

2.根据权利要求1所述的一种在风机参数及电机运转参数已知条件下的空冷岛风机桥架优化方法，其特征在于：

步骤(1)实地测试找到桥架振型；

为了探究桥架的振型，做两组实验分别测试水平方向与垂直方向：

第一组实验，在桥架水平方向，中间位置及两端分别放置一个速度传感器，测试风机运转100％工况下，桥架水平方向振动情况；桥架传感器布置情况及测试结果中，在水平方向上，桥架中间位置和桥架端部同步振动，振速在1mm/s附近；

第二组实验，在桥架垂直方向，桥架外侧中部及桥架中部放置两个速度传感器，测试风机运转100％工况下，桥架垂直方向振动情况；桥架传感器布置情况及测试结果中，在垂直方向上，桥架外侧中部与桥架中部同步振动，振速开始时已超10mm/s，而后衰弱；

通过这两组实验，发现桥架振动时，有破坏性的振动在垂直方向，即以垂直方向一阶振动为主；

步骤(2)通过现场测试找到振动源；

通过测试风机在不同转速下的桥架振动情况，分析频响曲线，找到振动源；matlab处理的电机不同转速下桥架的频响曲线；将60％，75％，80％，85％，以及100％转速下电机的频率，风机经过减速器之后的旋转频率，以及桥架的振动峰值频率总结如表1；

表1

桥架振动峰值与风机旋转频率之间的比值均在5附近，而风机的叶片数恰好为5片；所以确定桥架的激振源为风机；激振频率为风机扇叶数与风机运行频率的乘积；

步骤(3)分析引起桥架振动的激振力

风机旋转对桥架的作用力主要有以下几种：

由转子质量偏心引起的扰力；由扇叶平面外振动引起的扰力；由空气反作用力引起的扭矩；由空气反作用引起的竖直向下的轴向力；

其中转子的偏心扰力为离心力，方向始终指向风机轴径向，即水平方向；扇叶振动引起的扰力会使风机轴产生弯曲应变；空气反作用力引起的扭矩方向始终沿着风机旋转的反方向；而空气反作用力引起的轴向力始终沿着风机轴向；所以对于桥架的振动方向有影响的扰力只有由空气反作用力引起的轴向力；

步骤(4)简化桥架模型

将桥架模型简化为简支梁模型；

该模型在中点位置的挠度为

该梁的刚度为

所以该模型的固有频率

其中P为集中载荷；L为梁长度；E为弹性模量；I为截面惯性矩；M为总重量；

桥架实际固有频率由仿真分析得到为ω′，则若误差在5％以内，且振型一致，则说明该简化模型成立；

步骤(5)计算模型稳态响应及轴向力，得出桥架设计方法；

假设激振力P为风机扰力的20％，如果激振力方程：

P(t)＝F₀cosωt (4)

则运动方程为

假设x_p(t)＝X cos(ωt-φ) (6)

其中X,φ分别为幅值和相位；

对式(6)求一阶，二阶导数，有

将式(6)、式(7)、式(8)代入式(5)中得

X[(K-Mω²)cos(ωt-φ)-Cωsin(ωt-φ)]＝F₀cosωt (9)

用三角函数和差公式

cos(ωt-φ)＝cosωtcosφ+sinωtsinφ

sin(ωt-φ)＝sinωtcosφ-cosωtsinφ

化简得

X[(K-Mω²)cosφ+Cωsinφ]＝F₀

X[(K-Mω²)sinφ-Cωcosφ]＝0

解得

所以系统的稳态响应为

由式(3)，将式(10)、(12)、(13)，化简为

其中：X为幅值；F₀为激振力；

风机旋转时进出口气流的动量改变量为产生轴向力的冲量，假设质量为dm的圆柱气团被吹出风机时速度为v，轴向力为F，即：

Fdt＝vdm (17)

由于dm＝ρvdA；Q＝vA

所以式(17)变为：

由于气体在风机风筒中会有损耗，取矫正系数k＝0.9；

最后得出

由于风机流量与风机转速成正比关系，设比例系数为α，则

其中Q_m、n_m为满转的流量、转速；

式(19)变为

式(21)即为轴向力公式；ρ为气体密度；k为校正系数；Q_m为风机满转流量；n_m为风机满转转速；n为风机转速；A为风机截面积；

激振力

由式(16)，式(22)得，

令v_max≤am/s (25)

在单层钢结构中，阻尼比可取0.05

所以

即

将式(2)、(27)代入式(24)，得

综上，即可根据此公式进行桥架的选型。