1 塔設(shè)備的振動(dòng)及防震措施

1、1 1.塔設(shè)備的振動(dòng)塔設(shè)備的振動(dòng) 在風(fēng)力作用下在風(fēng)力作用下塔的振動(dòng)形式塔的振動(dòng)形式: 載荷振動(dòng)載荷振動(dòng): 振動(dòng)方向沿著風(fēng)的方向振動(dòng)方向沿著風(fēng)的方向順風(fēng)向的振動(dòng)順風(fēng)向的振動(dòng) 誘導(dǎo)振動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng): 振動(dòng)方向沿著風(fēng)的垂直方向振動(dòng)方向沿著風(fēng)的垂直方向橫向振動(dòng)橫向振動(dòng) 它對(duì)塔設(shè)備的破壞性大，所以主它對(duì)塔設(shè)備的破壞性大，所以主 要討論要討論風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)。 2 一、風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)一、風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng) 機(jī)理：機(jī)理： 卡曼渦街卡曼渦街:當(dāng)風(fēng)以一定速度繞流圓柱體時(shí)當(dāng)風(fēng)以一定速度繞流圓柱體時(shí), 在圓柱體兩側(cè)的在圓柱體兩側(cè)的 背風(fēng)面交替產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦背風(fēng)面交替產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦, 然后脫離然后脫離 并

2、形成一個(gè)旋渦尾流并形成一個(gè)旋渦尾流, 這種現(xiàn)象稱為卡曼渦街這種現(xiàn)象稱為卡曼渦街, 如圖如圖1-3所示所示 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因: 圖圖1-1, 1-2 依據(jù)流體力學(xué)原理依據(jù)流體力學(xué)原理邊界層堆積、分離邊界層堆積、分離 3 A B D C 風(fēng)以一定的風(fēng)以一定的 速度繞流圓速度繞流圓 柱形塔設(shè)備，柱形塔設(shè)備， 塔設(shè)備周圍塔設(shè)備周圍 的風(fēng)速是變的風(fēng)速是變 化的化的 圖圖1 1- -1 1 塔周圍的風(fēng)速塔周圍的風(fēng)速 4 圖圖1 1- -2 2 邊界層的堆積及旋渦的形成邊界層的堆積及旋渦的形成 (a)邊界層的堆積邊界層的堆積 (a)邊界層的堆積邊界層的堆積 5 (b)(b)旋渦的形成旋渦的形成 圖圖1 1-

3、 -2 2 邊界層的堆積及旋渦的形成邊界層的堆積及旋渦的形成 (b)旋渦的形成旋渦的形成 6 圖圖1 1- -3 3 卡曼渦街卡曼渦街 7 圖圖1 1- -3 3 卡曼渦街卡曼渦街 8 產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件: 旋渦特性與雷諾數(shù)的關(guān)系旋渦特性與雷諾數(shù)的關(guān)系 a.當(dāng)當(dāng)Re5不發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象不發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象無旋渦產(chǎn)生無旋渦產(chǎn)生 b.當(dāng)當(dāng) 5Re40塔體背后出現(xiàn)一對(duì)穩(wěn)定的旋渦塔體背后出現(xiàn)一對(duì)穩(wěn)定的旋渦 c.當(dāng)當(dāng)40Re150出現(xiàn)卡曼渦街出現(xiàn)卡曼渦街, 塔體背風(fēng)面交替產(chǎn)塔體背風(fēng)面交替產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦生旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦, 圖圖1-3 d.當(dāng)當(dāng)300Re3105亞臨界區(qū)亞臨界區(qū), 旋渦以一確定

4、的旋渦以一確定的 頻率周期性地脫落頻率周期性地脫落 e.當(dāng)當(dāng)3105Re3.5106過渡期過渡期, 無渦街出現(xiàn)無渦街出現(xiàn), 尾流尾流 變窄，無規(guī)律且都變成紊流變窄，無規(guī)律且都變成紊流 f.當(dāng)當(dāng)Re3.5106超臨界區(qū)超臨界區(qū), 卡曼渦街又重新出現(xiàn)卡曼渦街又重新出現(xiàn) 9 升力：升力： 塔兩側(cè)流體繞流情況塔兩側(cè)流體繞流情況: 旋渦剛剛脫落的一側(cè)旋渦剛剛脫落的一側(cè): 繞流改善繞流改善, 流體阻力流體阻力, 速度速度, 靜壓力靜壓力 旋渦正在產(chǎn)生的一側(cè)旋渦正在產(chǎn)生的一側(cè): 繞流差繞流差, 流體阻力流體阻力, 速度速度, 靜壓力靜壓力 塔表面壓強(qiáng)分布不均塔表面壓強(qiáng)分布不均, 周期性變化周期性變化, 受到

5、力的作用受到力的作用使塔沿使塔沿 風(fēng)向的垂直方向產(chǎn)生振動(dòng)風(fēng)向的垂直方向產(chǎn)生振動(dòng)稱之為橫向振動(dòng)稱之為橫向振動(dòng) 升力升力沿風(fēng)向的垂直方向的推力沿風(fēng)向的垂直方向的推力 升力拽力升力拽力 拽力拽力沿風(fēng)向產(chǎn)生的風(fēng)力沿風(fēng)向產(chǎn)生的風(fēng)力 計(jì)算時(shí)一般只考慮升力計(jì)算時(shí)一般只考慮升力 升力計(jì)算：升力計(jì)算： （1-1） 2 2 AvC F L L 10 風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的激振頻率：風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的激振頻率： 塔體的激振頻率塔體的激振頻率=形成旋渦的頻率形成旋渦的頻率=旋渦脫落的頻率旋渦脫落的頻率 旋渦脫落的頻率的影響因素旋渦脫落的頻率的影響因素: 塔體的外徑、風(fēng)速塔體的外徑、風(fēng)速 激振頻率：激振頻率： （1-2） vr v f

6、S D r S 斯特勞哈爾準(zhǔn)數(shù)，其值與雷諾數(shù)斯特勞哈爾準(zhǔn)數(shù)，其值與雷諾數(shù)Re大小大小 有關(guān)，可由圖有關(guān)，可由圖1-4確定；確定； 11 圖1-4 圓柱體的 r S 值 12 臨界風(fēng)速臨界風(fēng)速 共振共振當(dāng)旋渦脫落的頻率與塔的任一振型的固有頻率一致時(shí)當(dāng)旋渦脫落的頻率與塔的任一振型的固有頻率一致時(shí), 會(huì)引起塔的劇烈振動(dòng)會(huì)引起塔的劇烈振動(dòng) 臨界風(fēng)速臨界風(fēng)速塔共振時(shí)風(fēng)速塔共振時(shí)風(fēng)速. 若取若取Sr =0.2，則由，則由(1-3) 式可求得臨界風(fēng)速。式可求得臨界風(fēng)速。 5 5 cncn cn D vf D T (1-3) 13 二、塔設(shè)備的自振周期二、塔設(shè)備的自振周期(固有周期固有周期) 解析法 集中質(zhì)量

7、法 近似法 折算質(zhì)量法 能量法 固有周期計(jì)算方法固有周期計(jì)算方法 塔設(shè)備的力學(xué)模型塔設(shè)備的力學(xué)模型: 簡化成底端固定、頂端自由、質(zhì)量沿高度簡化成底端固定、頂端自由、質(zhì)量沿高度 連續(xù)分布的懸臂梁，圖連續(xù)分布的懸臂梁，圖2-1 塔視為具有多個(gè)自由度體系，則它具有多個(gè)固有頻率。塔視為具有多個(gè)自由度體系，則它具有多個(gè)固有頻率。 基本頻率基本頻率固有頻率中最低的頻率固有頻率中最低的頻率 振型振型振動(dòng)后的變形曲線，圖振動(dòng)后的變形曲線，圖2-2 14 固有周期的求解思路固有周期的求解思路 振動(dòng)微分方程振動(dòng)微分方程 設(shè)通解設(shè)通解 由邊界條件由邊界條件 定通解定通解 求得固有周期求得固有周期 15 圖圖2-1

8、計(jì)算模型計(jì)算模型 16 第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型 圖圖2-2 塔設(shè)備振型塔設(shè)備振型 17 等截面塔等截面塔: 直徑、壁厚、材質(zhì)相同直徑、壁厚、材質(zhì)相同, 質(zhì)量沿高度均布質(zhì)量沿高度均布 由振動(dòng)方程：由振動(dòng)方程： 求解得：求解得： 振型：圖振型：圖2-2 0 2 2 4 4 t y EI m x y （2-1） EI mH T 4 1 79. 1 EI mH T 4 2 285. 0 EI mH T 4 3 102. 0 (2-2) 18 變截面塔變截面塔: 不等直徑或不等壁厚不等直徑或不等壁厚, 質(zhì)量沿高度不均布質(zhì)量沿高度不均布 方法方法: 質(zhì)量折算法質(zhì)量折算法將一個(gè)多自

9、由度體系簡化成一個(gè)將一個(gè)多自由度體系簡化成一個(gè) 單自由度體系，如圖單自由度體系，如圖2-3所示所示 假設(shè)假設(shè): a.塔的質(zhì)量全部集中于塔頂塔的質(zhì)量全部集中于塔頂 b.振型曲線為振型曲線為 結(jié)論結(jié)論: 變截面塔的第一振型的固有周期為變截面塔的第一振型的固有周期為 公式缺點(diǎn)公式缺點(diǎn):只能計(jì)算第一振型的自振周期只能計(jì)算第一振型的自振周期 ( 為什么為什么? ) 一般塔的一般塔的T1=110s 之間之間 2 3 H h YY i ai (2-3) n i n i ii i ii i n i i i IE H IE H H h mT 12 11 33 3 1 1 3 1 2 (2-4) 19 圖圖2 2

10、-3 -3 不等直徑或不等壁厚塔的計(jì)算不等直徑或不等壁厚塔的計(jì)算 多自由多自由 度體系度體系 折算后的折算后的 單單自由度自由度 體系體系 20 共振的危害共振的危害: 輕者使塔產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲、傾斜，塔板效率下降，輕者使塔產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲、傾斜，塔板效率下降， 影響塔設(shè)備的正常操作；影響塔設(shè)備的正常操作； 重者使塔設(shè)備導(dǎo)致嚴(yán)重破壞，造成安全事故。重者使塔設(shè)備導(dǎo)致嚴(yán)重破壞，造成安全事故。 因此，在塔的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)避免共振的發(fā)生。因此，在塔的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)避免共振的發(fā)生。 規(guī)定規(guī)定: 為了防止塔的共振為了防止塔的共振, f v 不得不得在如下范圍內(nèi)在如下范圍內(nèi) 11 3 . 185. 0 cvc fff ( (2 2- -5 5) ) 2.塔設(shè)備的防振塔設(shè)備的防振 21 如果激振頻率如果激振頻率f v 在式在式(2-5)的范圍內(nèi)，則應(yīng)采取相應(yīng)的措施的范圍內(nèi)，則應(yīng)采取相應(yīng)的措施: 增大塔的固有頻率增大塔的固有頻率: 增大塔的阻尼增大塔的阻尼: a.塔盤上的液體或塔內(nèi)的填料塔盤上的液體或塔內(nèi)的填料使塔阻尼使塔阻尼,Y b.設(shè)置彈簧阻尼器設(shè)置彈簧阻尼器; c.塔壁上懸掛外裹橡膠的鐵鏈條塔壁上懸掛外裹