CN204025495U - 塔器防振用圆柱形液体阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及塔器防振用圆柱形液体阻尼器。由圆柱形箱体、支座、进排液口、远传液位计和自动控制阀门构成；圆柱形箱体与支座通过粘接固定；支座与垫板通过螺栓连接，垫板焊接在塔体上；进液口设置于箱体顶部，排液口设置于箱体底部；远传液位计安装在液面的设定位置；自动控制阀门安装在排液管与进液管上；阻尼器呈对称排列。本实用新型的塔器防振用圆柱形液体阻尼器，起到了塔器发生共振时的防振措施，通过增加塔体的阻尼，使塔体振幅迅速衰减，减少塔顶共振时的振幅，从而降低共振对塔器造成的破坏。

Description

塔器防振用圆柱形液体阻尼器

技术领域

本实用新型涉及一种塔器防振阻尼器，尤其是风诱导振动下的塔器防振用圆柱形液体阻尼器的开发设计。

背景技术

塔器是化工生产中最重要的设备之一，作为特种设备一旦发生事故危害极大。因此，保证塔器安全运行是非常必要的。

塔器的长径比比较大。因此，在运行期间，塔体不仅承受重力和操作压力等载荷，还会受到风载荷的很大影响。安装在室外的塔器，在风载荷作用下将产生两个方向的振动。一种是顺风向的振动，即塔的振动方向与风向平行；另一种是横风向振动，即振动方向垂直于风向，又称横风向振动或诱导振动。随着塔高的不断增加，塔器受风载荷的影响也会越来越大。较大的风载荷将诱导塔器振动。当振动频率与塔器的自振频率相当时会发生共振，导致设备破坏，造成严重后果。故塔器的防振技术有很大研究价值。

塔器防振的措施主要有三种，增大自振周期、采用扰流装置和增大阻尼比。对塔器来说，增大自振周期可能会破坏原有工艺条件，增加制造成本；由于平台、梯子等附件的存在，安装轴向翅片或螺旋型翅片等扰流装置并不适用于所有塔设备；通过增设减振器来增大阻尼比则是一个较为简便实用的方法，在烟囱或高耸建筑物中已得到广泛的应用。

目前，国内外常用的塔器防振方法主要为增设翅片和挡板等扰流构件，对于防风振减振器的研究仍很少。

发明内容

本实用新型所解决的问题的是塔器发生共振时的防振措施，通过增加塔体的阻尼，使塔体振幅迅速衰减，减少塔顶共振时的振幅，从而降低共振对塔器造成的破坏。

本实用新型目的是通过如下技术方案实现的：

该塔器防振用圆柱形液体阻尼器，由圆柱形箱体3、支座2、进排液口5和6、远传液位计12和自动控制阀门9构成；圆柱形箱体3与支座2通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体1上；进液口5设置于箱体3顶部，排液口6设置于箱体3底部；远传液位计12安装在液面的设定位置；自动控制阀门9安装在排液管10与进液管8上；阻尼器个数可选用4个、6个和10个，呈对称排列。

优选圆柱形箱体与支座同为有机玻璃材料。

阻尼器安装在塔体顶部；优选阻尼器安装高度大于2/3塔高。

优选阻尼器总质量与塔体自身质量(不含阻尼器质量)之比μ为1.7％～2.3％。

优选圆柱形箱体的高度为1.5倍液高，保证液面有充足的晃动空间。

优选箱体内液体晃动频率与塔体一阶固有频率之比为0.9～1.1。

当塔顶没有冷凝器时，需加设进排水管道。无法加设进排水管道时，可撤去进排液口，但需要定期检查箱体液位。

本实用新型是一种液体阻尼器。液体阻尼器的作用原理是：塔器在风荷载作用下发生振动时，阻尼器中的液体会随之一起运动，并引起表面波浪，这种水和波浪对箱壁的压力就构成了对塔体的减振力。通过适当调整水箱中液体的质量和晃动频率，能使液体阻尼器减振力达到最大。该减振力使得阻尼器与塔体之间产生相互作用，增大了塔体阻尼比。在JB4710-2005中有塔顶一阶振幅y_T1计算公式如下：其中y_T1为塔顶振幅，C_L为升力系数，D为塔器外径，为一阶临界风速，H为塔高，ρ为空气密度，λ₁为计算系数，ζ为塔体阻尼比，E为弹性模量，I为截面惯性矩。由上式可以看出，塔体阻尼比ζ与塔顶振幅y_T1呈反比例关系。也就是说，塔体阻尼比越大，塔顶振幅y_T1就越小。

安装圆柱液体阻尼器后，塔器的运动可用如下方程来描述：

$M\stackrel{\·\·}{x}+C\stackrel{\·}{x}+\mathrm{Kx}=F\left(t\right)-F_{\mathrm{TLD}}$

其中：

$F_{\mathrm{TLD}}=\mathrm{r\ρg}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}{\∫}_0^{h_r}(h_r-z)\mathrm{dzd\θ}$

式中：M—塔器的质量；

C—塔器的阻尼；

K—塔器的刚度；

F(t)—作用在塔器上的风载荷；

F_TLD—圆柱液体液体阻尼器中水和波浪运动所产生的减振力；

—塔器的加速度；

—塔器的速度；

x—塔器的位移；

r—圆柱箱体的半径；

ρ—液体的密度；

g—重力加速度；

h_r—圆柱形容器侧壁面处的波浪高度；

z—圆柱箱体液面以下高度

用计算机进行模拟计算，即用计算机建立塔器和圆柱液体阻尼器的模型，并将风载荷加载在塔模型上，模拟塔在风中的振动，最后提取塔顶振幅y_T1。通过比较塔体安装阻尼器后塔顶振幅y_T1与塔顶原始振幅y_T1得到减振效果。对于既有液体又有固体的圆柱液体阻尼器，利用了WORKBENCH进行双向流固耦合分析，即流体域与固体域的数据双向交换。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。在每一个耦合时间步内，固体与液体的计算结果，如塔器位移x、减振力F_TLD等相互交换，从而得到耦合计算结果。模拟计算时采用瞬态动力学分析，将风载荷以面压力的形式加载在塔器表面使塔体振动，计算软件根据上述公式计算液体施加在箱体壁面上的减震力F_TLD，并传递到塔体上，在风载荷和液体减振力F_TLD共同作用下，计算得到塔顶振幅y_T1。模拟完成后，制作塔器和阻尼器模型进行实验。施加力使塔器振动，通过压电式加速度传感器得到塔顶振幅y_T1，通过动态测试分析仪收集实验数据，最终得到如下结论：

记液体晃动频率与塔体一阶固有频率之比为频率比。通过调节圆柱箱体的半径r与充液高度h，可改变液体的晃动频率，从而改变频率比。当液体晃动频率与塔体一阶固有频率之比小于1时，随着频率比的增加，阻尼比增加，减振效果变好。当频率比为1时，箱体内液体的运动与塔体的运动呈现π/2的相位差，减振力F_TLD最大，减振效果最好。当频率比大于1时，随着频率比的增加，阻尼比减少，减振效果变差。为了保证减振效果，在使用过程中，应设置频率比为1，以获得最优减振效果。

记阻尼器总质量与塔体自身质量(不含阻尼器质量)之比为质量比μ。通过实验与模拟计算发现，当质量比μ大于2％时，阻尼器箱体半径过大，实际应用中会占用过大的空间；当质量比μ小于2％时，减振效果不理想，故设定阻尼器最优质量比μ为1.7％～2.3％。

液体阻尼器安装在塔器外部，可采用如下几种形式：

四个液体阻尼器为一组，呈90°排列，如图3所示。四箱体液体阻尼器结构如图4所示。

六个液体阻尼器为一组，呈60°排列，如图5所示。六箱体液体阻尼器结构如图6所示。

十个液体阻尼器为一组，分两层，呈72°排列，如图7所示。十箱体液体阻尼器结构如图8所示。

箱体进液、排液装置具体安装方式如图2所示。在实际运用中，考虑到在无风季节减轻阻尼器对塔体造成的额外质量负担，本实用新型采用如下进、排液方案：

化工塔器的顶部一般均设有冷凝器11，以冷凝塔顶的气相。故箱体进液口5与塔顶冷凝器11的进水口相连，并通过自动阀9进行控制。在大风季节开启自动阀9，监测远传液位计12使液面达到设定值，起到减振的效果。箱体排液口6与塔顶冷凝器11的排水口相连，并通过自动阀9进行控制。在无风季节开启自动阀9，排空箱体3内的液体。若塔顶没有冷凝器11，则需加设进液管8与排液管10，如果无法实现管道的安装，可撤去进排液口5和6，但需要定期检查箱体液位。

在选择阻尼器个数时可根据以下原则选择：

1、若现场安装位置较小，则选用四个一组的液体阻尼器。若空间较富裕，可选择六个或十个一组的液体阻尼器；

2、若通过计算发现，选择四个一组的液体阻尼器，箱体半径超过了塔体半径，则选择六个或十个一组的阻尼器以减少箱体半径。

圆柱液体阻尼器的减振效果随着箱体个数的增加变好。在质量比μ在2％附近、频率比为1的条件下，箱体个数为4时，塔体阻尼比变为原来的5.5倍，此时塔顶振幅y_T1可减少81％。箱体个数为6时，塔体阻尼比变为原来的5.9倍，此时塔顶振幅y_T1可减少83％。箱体个数为10时，塔体阻尼比变为原来的6.5倍，此时塔顶振幅y_T1可减少85％。

附图说明

图1箱体、支座、塔体具体连接方式；

图2箱体进液、排液装置具体安装方式；

图3四箱体圆柱液体阻尼器安装位置简图；

图4四箱体圆柱液体阻尼器结构简图；

图5六箱体圆柱液体阻尼器安装位置简图；

图6六箱体圆柱液体阻尼器结构简图；

图7十箱体圆柱液体阻尼器安装位置简图；

图8十箱体圆柱液体阻尼器结构简图。

其中：1-塔体，2-支座，3-水箱，4-液体，5-进液口，6-排液口，7-垫板，8-进液管，9-自动控制阀门，10-排液管，11-塔顶冷凝器，12-远传液位计

具体实施方式

根据附图对本实用新型做进一步的详细说明：

圆柱液体阻尼器由圆柱形箱体3、支座2、进排液口5和6、远传液位计12、自动控制阀门9构成，阻尼器安装在塔体1顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体上；进液口5设置于箱体3顶部，排液口6设置于箱体3底部，如图1所示；远传液位计12安装在液面的设定高度处；自动控制阀门9安装在进液管8与排液管10上，如图2所示。在大风季节，开启自动控制阀门9，使液体达到设定高度以获得最好的减振效果。在无风季节，开启自动控制阀门9使箱体3中液体排出，减少阻尼器对塔体的附加载荷。

当箱体中液面晃动的频率与塔体一阶固有频率一致时，液体的运动与塔体的运动呈现π/2的相位差，此时液体提供的减振力F_TLD最大，减振效果最好。所以需设定箱体尺寸以满足频率比为1的要求。

在确定塔体质量m、阻尼器个数n、质量比μ、液体密度ρ后，对应任意塔体的一阶固有频率f

圆柱水箱的半径r、充液高度h可由下列方程解出：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{1.841\frac{g}{r}\tanh \left(1.841\frac{h}{r}\right)}$

$r^{2}h=\frac{\mathrm{m\μ}}{\mathrm{\πnp}}$

对应于任意一座塔，在知道了塔体的一阶固有频率f后，就可以通过上述两个公式确定圆柱水箱的底面半径r以及充液高度h。且箱体的高度H＝1.5h，以保证液面有充足的晃动空间。

实例1

本实施例的圆柱液体阻尼器为四箱体的，如图3和图4所示。设置质量比μ为2.3％，设置频率比为1。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H＝1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体1顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体1上；进液口5设置于箱体3顶部，排液口6设置于箱体3底部。由实验验证，此时塔体阻尼比变为原来的5.5倍，塔顶振幅y_T1可减少81％。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为2.3％、频率比为1的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅y_T1可减少约81％。

实例2

本实施例的圆柱液体阻尼器为六箱体的，如图5和图6所示。设置质量比μ为2.1％，设置频率比为1。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H＝1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体1顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体上；进液口5设置于箱体3顶部，排液口6设置于箱体3底部。由实验验证，此时塔体阻尼比变为原来的5.9倍，塔顶振幅y_T1可减少83％。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为2.1％、频率比为1的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅y_T1可减少约83％。

实例3

本实施例的圆柱液体阻尼器为十箱体的，如图7和图8所示。设置质量比μ为1.9％，设置频率比为1。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H＝1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体1顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体上；进液口5设置于箱体3顶部，排液口6设置于箱体3底部。由实验验证，此时塔体阻尼比变为原来的6.5倍，塔顶振幅y_T1可减少85％。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为1.9％、频率比为1的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅y_T1可减少约85％。

实例4

本实施例的圆柱液体阻尼器为四箱体的，如图3和图4所示。设置质量比μ为1.7％，设置频率比为0.9。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H＝1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体1顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体1上；进液口5设置于箱体3顶部，排液口6设置于箱体3底部。由实验验证，此时塔体阻尼比变为原来的4.8倍，塔顶振幅y_T1可减少79％。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为1.7％、频率比为0.9的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅y_T1可减少约79％。

实例5

本实施例的圆柱液体阻尼器为十箱体的，如图7和图8所示。设置质量比μ为2.3％，设置频率比为1.1。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H＝1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体1顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体上；进液口5设置于箱体3顶部，排液口6设置于箱体3底部。由实验验证，此时塔体阻尼比变为原来的3.6倍，塔顶振幅y_T1可减少72％。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为2.3％、频率比为1.1的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅y_T1可减少约72％。

Claims (10)

1.一种塔器防振用圆柱形液体阻尼器，其特征是由圆柱形箱体、支座、进排液口、远传液位计和自动控制阀门构成；圆柱形箱体与支座通过粘接固定；支座与垫板通过螺栓连接，垫板焊接在塔体上；进液口设置于箱体顶部，排液口设置于箱体底部；远传液位计安装在液面的设定位置；自动控制阀门安装在排液管与进液管上；阻尼器呈对称排列。

2.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是阻尼器个数选用4个、6个或10个。

3.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是圆柱形箱体与支座同为有机玻璃材料。

4.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是阻尼器安装在塔体顶部。

5.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是阻尼器总质量与塔体自身质量之比为1.7％～2.3％。

6.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是圆柱形箱体的高度为1.5倍液高，保证液面有充足的晃动空间。

7.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是箱体内液体晃动频率与塔体一阶固有频率之比为0.9～1.1。

8.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是塔顶没有冷凝器时，需加设进排水管道。

9.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是无法加设进排水管道时，撤去进排液口，但需要定期检查箱体液位。

10.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是阻尼器安装高度最低不得小于2/3塔高。