楊俊青，陳少雄，方慶專，何志剛

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔具有應(yīng)對(duì)氣象條件能力強(qiáng)、降溫效率高、體積小、一次投資少、建設(shè)周期短、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于中小型燃煤發(fā)電項(xiàng)目，尤其國(guó)外燃煤發(fā)電項(xiàng)目中。近年來(lái)隨著風(fēng)機(jī)功率的增大，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)也越來(lái)越大，為研究機(jī)械塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，有必要對(duì)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力分析。

1 工程概況

印尼加里曼丹燃煤電廠機(jī)械通風(fēng)冷卻塔塔體框架布置橫向共3榀、縱向共5榀，各榀框架軸線間距均為9.4 m，框架總高11.4 m?？蚣苤髁航孛娉叽?00 mm×800 mm，次梁截面尺寸200 mm×700 mm，柱截面尺寸600 mm×600 mm，頂層樓板厚度200 mm。根據(jù)冷卻塔功能，從下往上依次分為填料層、淋水層、風(fēng)機(jī)層共三層，同時(shí)為避免產(chǎn)生穿堂風(fēng)，中間設(shè)置隔墻，結(jié)構(gòu)形式為三層框架－剪力墻結(jié)構(gòu)。

2 有限元模型

2.1 數(shù)值模型建立

項(xiàng)目選用ANSYS軟件建立結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，梁柱構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧?BEAM188)模擬，現(xiàn)澆墻體和樓板采用殼單元(SHELL 63)模擬，對(duì)于其他相關(guān)的連接構(gòu)件，考慮到與周圍梁柱的連接不具有足夠的剛度，沒(méi)有在模型中加以模擬，僅將其作為荷載輸入，考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，對(duì)計(jì)算周期考慮了0.7的折減系數(shù)。柱腳與基礎(chǔ)間的連接假定為固定支座，框架柱與框架梁間、主梁與次梁連接節(jié)點(diǎn)均假設(shè)為剛接。

殼單元?jiǎng)t采用自動(dòng)剖分，對(duì)靠近擾力作用點(diǎn)的位置，對(duì)梁和樓板進(jìn)行了更為精細(xì)地剖分。結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算，設(shè)備基礎(chǔ)、設(shè)備附加質(zhì)量、填料層及配水層靜力荷載通過(guò)局部區(qū)域增加結(jié)構(gòu)密度等效處理，以確保應(yīng)有的計(jì)算精度，有限元模型見(jiàn)圖1。

2.2 荷載參數(shù)

根據(jù)廠商資料可知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片重量為58.1 kN，風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為428 r/min，參照GB 50040－96《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定[1]，強(qiáng)迫振動(dòng)分析時(shí)應(yīng)取1.4倍工作轉(zhuǎn)速內(nèi)的全部振型進(jìn)行疊加，因此頻率分析范圍取0～600 r/min (0～10.00 Hz)，同時(shí)取15%轉(zhuǎn)子重量為擾力，即Pgi=58.1×0.15≈8.72 kN，擾力與頻率關(guān)系圖見(jiàn)圖2。本結(jié)構(gòu)考慮兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，為求得最大動(dòng)力響應(yīng)，相位差分別取0°、45°、90°進(jìn)行計(jì)算分析。

擾力隨頻率的變化規(guī)律參照GB 50040－96《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，按下式考慮：

式中：Poi為任意轉(zhuǎn)速的擾力 (kN)；n0為任意轉(zhuǎn)速(r/min)；n為機(jī)器工作轉(zhuǎn)速(r/min)。

3 模態(tài)分析

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)屬多層框架結(jié)構(gòu)，一般的多層廠房水平自振頻率的基頻大多在1.5～4.5 Hz左右。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低(2.5～7.5 Hz左右)，振動(dòng)出現(xiàn)的共振屬于低頻共振，振幅較大。根據(jù)對(duì)該結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析(modal analysis)[2-3]，共提取了前80階模態(tài)，本文選取了前4階參振質(zhì)量較大的典型振型見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出結(jié)構(gòu)前四階自振頻率為1.564 Hz、1.849 Hz、2.638 Hz、5.505 Hz，均為整體變形，對(duì)應(yīng)的振型分別為橫向整體側(cè)移、平面內(nèi)整體扭轉(zhuǎn)、縱向整體側(cè)移、中間層扭曲。風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為428 rpm (7.13 Hz)，與結(jié)構(gòu)第8階自振頻率較接近，因第8階振型為中間層局部扭曲，參振質(zhì)量較小，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 振動(dòng)分析

本文分別計(jì)算出擾力相位差為0°、45°、90°三種工況下的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的位移、速度等響應(yīng)值。通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)擾力相位差0°工況下橫向振幅最大，90°工況下縱向水平位移值最大，但由于縱向水平位移值總體偏小，均在30 μm以下，對(duì)結(jié)構(gòu)本體產(chǎn)生影響微小，因此可以忽略不計(jì)。

表1～表6列出各工況下距離擾力點(diǎn)0.00 m、1.20 m、5.45 m、9.40 m處三個(gè)方向上最大振幅值。從表中可以看出，最大橫向振幅發(fā)生在工作頻率9.275 Hz處，最大值92.510 μm，最大縱向振幅發(fā)生在工作頻率8.725 Hz處，最大值27.773 μm，最大豎向振幅發(fā)生在在工作頻率8.725 Hz處，最大值50.993 μm，均未超過(guò)250 μm，滿足DL/T 5339－2006《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.5.9條的要求[4]。三個(gè)方向最大振幅均出現(xiàn)在距離擾力點(diǎn)1.2 m范圍內(nèi)，振動(dòng)效應(yīng)影響范圍有限，隨著代表點(diǎn)與擾力點(diǎn)距離的增加，結(jié)構(gòu)橫向、豎向振幅基本上呈逐步衰減的趨勢(shì)，對(duì)距離擾力作用點(diǎn)的較遠(yuǎn)樓板處影響微弱；結(jié)構(gòu)縱向振幅并未呈衰減趨勢(shì)，個(gè)別工況條件下對(duì)距離擾力作用點(diǎn)的較遠(yuǎn)樓板處有突變?cè)黾?，但?shù)值總體較小，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。因此可以判斷并未發(fā)生大范圍的共振區(qū)域。

表1 1#風(fēng)機(jī)區(qū)域各工況下代表點(diǎn)橫向最大振幅值表

表2 1#風(fēng)機(jī)區(qū)域各工況下代表點(diǎn)縱向最大振幅值表

表3 1#風(fēng)機(jī)區(qū)域各工況下代表點(diǎn)豎向最大振幅值表

表4 2#風(fēng)機(jī)區(qū)域各工況下代表點(diǎn)橫向最大振幅值表

表5 2#風(fēng)機(jī)區(qū)域各工況下代表點(diǎn)縱向最大振幅值表

表6 2#風(fēng)機(jī)區(qū)域各工況下代表點(diǎn)豎向最大振幅值表

5 結(jié)論

本文選取工程設(shè)計(jì)實(shí)例，通過(guò)有限元軟件數(shù)值建模，經(jīng)模態(tài)分析、強(qiáng)迫振動(dòng)分析，初步得出機(jī)械通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)規(guī)律，為結(jié)構(gòu)體系合理化布置提供了指導(dǎo)。

從模態(tài)分析得出，縱橫向剛度相差不大，結(jié)構(gòu)布置合理，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)布置剪力墻來(lái)增加結(jié)構(gòu)整體剛度，避免兩個(gè)方向剛度有較大的差異。

從振動(dòng)分析得出，結(jié)構(gòu)的橫向位移最大，其他兩個(gè)方向較小，這與風(fēng)機(jī)的葉片是水平放置的有關(guān)，考慮到其轉(zhuǎn)子重量很小，所產(chǎn)生的豎向擾力對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)貢獻(xiàn)極小，主要的擾力方向出現(xiàn)在水平方向。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)頂部水平樓蓋結(jié)構(gòu)的整體剛度，薄弱部位應(yīng)采取加強(qiáng)措施，保證剛度連續(xù)性，避免因振動(dòng)敏感，引發(fā)次生的局部共振。