楊俊青，陳少雄，方慶專，何志剛

(中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

機械通風冷卻塔具有應對氣象條件能力強、降溫效率高、體積小、一次投資少、建設周期短、施工簡單等優(yōu)點，因此廣泛應用于中小型燃煤發(fā)電項目，尤其國外燃煤發(fā)電項目中。近年來隨著風機功率的增大，風機在運行過程中產(chǎn)生的振動也越來越大，為研究機械塔結(jié)構(gòu)動力特性，有必要對機械通風冷卻塔結(jié)構(gòu)振動進行動力分析。

1 工程概況

印尼加里曼丹燃煤電廠機械通風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。框架主梁截面尺寸300 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、風機層共三層，同時為避免產(chǎn)生穿堂風，中間設置隔墻，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)件采用梁單元(BEAM188)模擬，現(xiàn)澆墻體和樓板采用殼單元(SHELL 63)模擬，對于其他相關的連接構(gòu)件，考慮到與周圍梁柱的連接不具有足夠的剛度，沒有在模型中加以模擬，僅將其作為荷載輸入，考慮其對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，對計算周期考慮了0.7的折減系數(shù)。柱腳與基礎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)點均假設為剛接。

殼單元則采用自動剖分，對靠近擾力作用點的位置，對梁和樓板進行了更為精細地剖分。結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算，設備基礎、設備附加質(zhì)量、填料層及配水層靜力荷載通過局部區(qū)域增加結(jié)構(gòu)密度等效處理，以確保應有的計算精度，有限元模型見圖1。

2.2 荷載參數(shù)

根據(jù)廠商資料可知，風機轉(zhuǎn)子葉片重量為58.1 kN，風機工作轉(zhuǎn)速為428 r/min，參照GB 50040－96《動力機器基礎設計規(guī)范》相關規(guī)定[1]，強迫振動分析時應取1.4倍工作轉(zhuǎn)速內(nèi)的全部振型進行疊加，因此頻率分析范圍取0～600 r/min (0～10.00 Hz)，同時取15%轉(zhuǎn)子重量為擾力，即Pgi=58.1×0.15≈8.72 kN，擾力與頻率關系圖見圖2。本結(jié)構(gòu)考慮兩臺風機同時運行，為求得最大動力響應，相位差分別取0°、45°、90°進行計算分析。

擾力隨頻率的變化規(guī)律參照GB 50040－96《動力機器基礎設計規(guī)范》的相關規(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為機器工作轉(zhuǎn)速(r/min)。

3 模態(tài)分析

機械通風冷卻塔結(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。風機轉(zhuǎn)速較低(2.5～7.5 Hz左右)，振動出現(xiàn)的共振屬于低頻共振，振幅較大。根據(jù)對該結(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，對應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。風機的工作轉(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，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 振動分析

本文分別計算出擾力相位差為0°、45°、90°三種工況下的結(jié)構(gòu)相應的位移、速度等響應值。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，兩臺風機擾力相位差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，對結(jié)構(gòu)本體產(chǎn)生影響微小，因此可以忽略不計。

表1～表6列出各工況下距離擾力點0.00 m、1.20 m、5.45 m、9.40 m處三個方向上最大振幅值。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250 μm，滿足DL/T 5339－2006《火力發(fā)電廠水工設計規(guī)范》第9.5.9條的要求[4]。三個方向最大振幅均出現(xiàn)在距離擾力點1.2 m范圍內(nèi)，振動效應影響范圍有限，隨著代表點與擾力點距離的增加，結(jié)構(gòu)橫向、豎向振幅基本上呈逐步衰減的趨勢，對距離擾力作用點的較遠樓板處影響微弱；結(jié)構(gòu)縱向振幅并未呈衰減趨勢，個別工況條件下對距離擾力作用點的較遠樓板處有突變增加，但數(shù)值總體較小，對結(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#風機區(qū)域各工況下代表點橫向最大振幅值表

表2 1#風機區(qū)域各工況下代表點縱向最大振幅值表

表3 1#風機區(qū)域各工況下代表點豎向最大振幅值表

表4 2#風機區(qū)域各工況下代表點橫向最大振幅值表

表5 2#風機區(qū)域各工況下代表點縱向最大振幅值表

表6 2#風機區(qū)域各工況下代表點豎向最大振幅值表

5 結(jié)論

本文選取工程設計實例，通過有限元軟件數(shù)值建模，經(jīng)模態(tài)分析、強迫振動分析，初步得出機械通風冷卻塔結(jié)構(gòu)振動規(guī)律，為結(jié)構(gòu)體系合理化布置提供了指導。

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，工程設計時應通過布置剪力墻來增加結(jié)構(gòu)整體剛度，避免兩個方向剛度有較大的差異。

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

設計時應加強頂部水平樓蓋結(jié)構(gòu)的整體剛度，薄弱部位應采取加強措施，保證剛度連續(xù)性，避免因振動敏感，引發(fā)次生的局部共振。