CN113887001A - 一种基于新型径向扰流板的钢管构件涡激振动抑制设计方法 - Google Patents

一种基于新型径向扰流板的钢管构件涡激振动抑制设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于输电线路中钢管塔涡振防治技术领域，公开了一种基于新型径向扰流板的钢管构件涡激振动抑制设计方法，包括步骤S1，确定发生涡振钢管的外径D；S2，确定扰流板的高度H，长度B和布置间距S；S3，根据S和钢管长度L，确定扰流板组数n；S4，根据m的奇偶性确定扰流板的布置方案，并安装在钢管塔上。本发明提供的技术方案，基于改变结构气动力外形的原理，在发生涡振的钢管上安装扰流板对涡振进行控制。本发明采用正交试验和数值模拟，能够全面且充分地分析各结构参数对旋涡脱落频率的影响，给出各个参数的建议范围取值，对工程扰流板设计有指导意义。

Description

一种基于新型径向扰流板的钢管构件涡激振动抑制设计方法
技术领域
本发明涉及特高压输电线路中钢管塔涡振控制技术领域，具体是指一种用于钢管塔涡振控制的新型径向扰流板的设计方法。
背景技术
在特定的风速条件下，钢管塔中某些钢管构件会发生涡激振动，长期反复振动会造成构件螺栓松动和焊缝疲劳破坏，对输电线路的安全造成影响。因此工程中常常用立板形式的扰流板来抑制钢管塔的涡振，该装置即为新型径向扰流板，如图1所示。由2个半钢管1和立板2组成，每个半钢管上每隔45°焊接立板2，一组扰流板共有六个大小相同的立板，材料均为Q345。两个相同的半钢管1通过螺栓4连接组成一组扰流板，与钢管构件接触部分设橡胶垫片3。新型径向扰流板的多种结构参数可能对涡振的抑制效果产生影响，如图2，扰流板的高度为H，长度为B，厚度为3mm，两组扰流板之间的间距为S。评价新型径向扰流板的抑制效果的指标主要是安装后旋涡脱落频率fs远离钢管构件的固有频率fn的程度。
目前，扰流板的设计常基于经验确定各个结构参数，对于某些钢管可能不适用。且偏于经验选择往往会带来经济性问题，抑制效果如何也无从考量，可能无法达到涡振控制的目标。因此，有必要提出一种扰流板的设计方法，使设计出的扰流板能够解决上述问题。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题在于，解决扰流板的设计常基于经验，可能造成结构参数选择不准确，达不到涡振控制的效果和经济性问题。
本发明的技术方案：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新型径向扰流板的设计方法，包括步骤S1，确定发生涡振钢管的外径D；S2，确定扰流板的高度H，长度B和布置间距S；S3，根据S和钢管长度L，确定扰流板组数n；S4，根据m的奇偶性确定扰流板的布置方案，并安装在钢管塔上。
其中，所述步骤S1具体包括S11，确定发生涡振钢管的长度L和单位长度的质量
Figure BDA0003267781350000021
S12，通过公式
Figure BDA0003267781350000022
得到钢管构件的固有圆频率ωn，即得到固有频率fn＝ωn/2π；S13，根据公式
Figure BDA0003267781350000023
确定临界起振风速U，其中E弹性模量，I为截面惯性矩，St为斯特劳哈尔数，取0.2。
其中，所述S2步骤具体包括S21，将结构参数H，B和S直接或间接地和钢管直径D联系，即令H＝aD，B＝bH，S＝cD；S22，进行正交试验分析，基于设计经验确定a，b，c的上下限，并设置5个不同的水平；S23，套用L25(52)正交试验表，得到25组不同的方案；S24，通过CFD软件进行风场模拟，得到每个方案所对应的旋涡脱落频率fs；S25，通过涡振控制评价指标，将fs通过公式线性转化为分值SC；S26；通过极差分析，得到各个结构参数的主次顺序和最优水平；S27，得到各个参数的建议范围取值，并确定各参数取值。
其中，所述S3中，n满足nB+(n-1)S＜L，向下取整；
其中，所述S4中布置方案是指：当n为偶数，以钢管中心为基点，在两边S/2处分别布置一组扰流板，然后再每隔S均布置。当n为奇数，从钢管中心开始布置，往两边每隔S均匀布置。
其中，所述S21各个结构参数的上下限具体为，a＝0.2～2，b＝1～3，c＝5～15，每个水平等间距设置；
其中，所述S25将fs线性转化为分值公式为：SC＝100-100fs/fn；
其中，所述S26极差分析包括计算和判断两个部分，计算包括参数极差计算：Rj＝max(Kj1,Kj2,Kjm)-min(Kj1,Kj2,Kjm)
其中j＝a,b,c，m＝1,2,3,4,5，Kjm为参数j第m水平所对应的试验指标和，即SC的总和。判断包括根据max(Kj1,Kj2,Kjm)最优水平，Rj的大小判断参数主次顺序。
本发明的有益效果：本发明提供的技术方案，基于改变结构气动力外形的原理，在发生涡振的钢管上安装扰流板对涡振进行控制。本发明采用正交试验和数值模拟，能够全面且充分地分析各结构参数对旋涡脱落频率的影响，给出各个参数的建议范围取值，对工程扰流板设计有指导意义。
附图说明
图1为根据本发明实施方式的一种用于钢管塔涡振控制的新型径向扰流板设计方法结构图；
图2为根据本发明实施方式的一种用于钢管塔涡振控制的新型径向扰流板的结构参数示意图；
图3为根据本发明实施方式的一种用于钢管塔涡振控制的新型径向扰流板的设计流程图。
图中：1半钢管结构；2钢结构立板；3橡胶垫片；4螺栓。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，本发明实施例提供的一种用于钢管塔涡振控制的新型径向扰流板的设计方法，包括步骤S1，确定发生涡振钢管的外径D；本实施例以实际工程中的某钢管构件为例，其D＝159mm，L＝8320mm，单位长度质量
Figure BDA0003267781350000041
kg，由公式得到fn＝6.3Hz，U＝5m/s；
S2，确定扰流板的高度H，长度B和布置间距S；S3，根据S和钢管长度L，确定扰流板组数n；S4，根据m的奇偶性确定扰流板的布置方案，并安装在钢管塔上。
进一步地，步骤S2还包括S21，将结构参数H，B和S直接或间接地和钢管直径D联系，即令H＝aD，B＝bH，S＝cD；S22，进行正交试验分析，a，b，c作为所要分析的参数，基于设计经验确定a，b，c的上下限，并设置5个不同的水平，如下表所示：
Figure BDA0003267781350000042
S23，套用L25(52)正交试验表，得到25组不同的方案如下表所示：
Figure BDA0003267781350000043
Figure BDA0003267781350000051
Figure BDA0003267781350000061
S24，通过ANSYS Fluent进行风场模拟，得到每个方案所对应的旋涡脱落频率f1……f25；进一步地，S25，通过涡振控制评价指标，将fs通过公式SC＝100-100fs/fn线性转化为分值SC1……SC25；
S26，所述极差分析包括计算和判断两个部分，计算包括极差计算：Rj＝max(Kj1,Kj2,Kjm)-min(Kj1,Kj2,Kjm)。其中Rj为参数j的极差，j＝a,b,c，m＝1,2,3,4,5，Kjm为参数j第m水平所对应的试验指标和，即SC的总和，上限为500。判断包括根据max(Kj1,Kj2,Kjm)的大小判断最优水平，根据Rj的大小判断参数主次顺序。S27，规定Kjm大于上限的50％，即250，便可满足工程需求。根据这一条件，找到满足条件的Kjm所对应水平的范围，即可得到各个参数的建议范围取值为：H＝1D～2D，B＝1.5H～3H，S＝5D～12.5D，最后根据具体工程需要确定各参数取值。
进一步地，S3，确定扰流板组数n，n满足nB+(n-1)S＜L，即
Figure BDA0003267781350000062
为避免扰流板离节点板过近，对n向下取整；
进一步地，S4，确定扰流板的布置方案，并安装在钢管塔上。根据n的奇偶性确定布置方案，当n为偶数，以钢管中心为基点，在两边S/2处分别布置一组扰流板，然后再每隔S均布置。当n为奇数，从钢管中心开始布置，往两边每隔S均匀布置。
综上所述，本发明正交试验的设计方法，对影响涡振控制的扰流板的结构参数进行分析，给出了一个简单快速且通用性较好的设计方法，只需要知道发生涡振钢管构件的外径D，便可以根据该方法确定扰流板的结构参数，解决了以前基于经验的设计带来经济性问题和抑制效果无从考量的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于新型径向扰流板的钢管构件涡激振动抑制设计方法，其特征在于，步骤如下：
S1，确定发生涡振钢管外径D；
S11，确定发生涡振钢管的长度L和单位长度的质量
Figure FDA0003267781340000011
S12，通过公式
Figure FDA0003267781340000012
得到钢管构件的固有圆频率ωn，即得到固有频率fn＝ωn/2π；其中E弹性模量，I为截面惯性矩；
S13，根据公式
Figure FDA0003267781340000013
确定临界起振风速U，St为斯特劳哈尔数，取0.2；
S2，确定扰流板的高度H、长度B和布置间距S；
S21，将结构参数H、B和S直接或间接地和钢管直径D联系，即令H＝aD，B＝bH，S＝cD；
S22，进行正交试验分析，基于设计经验确定a，b，c的上下限，并设置5个不同的水平；
各个结构参数的上下限具体为，a＝0.2～2，b＝1～3，c＝5～15，每个水平等间距设置；
S23，套用L25(52)正交试验表，得到25组不同的方案；
S24，通过CFD软件进行风场模拟，得到每个方案所对应的旋涡脱落频率fs；
S25，通过涡振控制评价指标，将fs通过公式线性转化为分值SC；
将fs线性转化为分值公式为：SC＝100-100fs/fn；
S26；通过极差分析，得到各个结构参数的主次顺序和最优水平；
极差分析包括计算和判断两个部分，计算包括参数极差计算：
Rj＝max(Kj1,Kj2,Kjm)-min(Kj1,Kj2,Kjm)
判断包括根据max(Kj1,Kj2,Kjm)最优水平，Rj的大小判断参数主次顺序；其中j＝a,b,c，m＝1,2,3,4,5，Kjm为参数j第m水平所对应的试验指标和，即SC的总和；
S27，得到各个参数的建议范围取值，并确定各参数取值；
S3，根据布置间距S和钢管长度L，确定扰流板组数n；
n满足nB+(n-1)S＜L，向下取整；
S4，根据m的奇偶性确定扰流板的布置方案，并安装在钢管塔上；
布置方案是指：当n为偶数，以钢管中心为基点，在两边S/2处分别布置一组扰流板，然后再每隔S均布置；当n为奇数，从钢管中心开始布置，往两边每隔S均匀布置。
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