空氣冷卻器風機橋架振動特性的分析

遲鵬

摘 要：風機橋架設計不僅僅要考慮靜載下的強度，更需要考慮在風機、電機振動荷載作用下的動力響應特性。本文針對空冷器風機單元進行分析，通過有限元計算軟件，分析風機及電機在運行過程中的各種可能的激振頻率和振動荷載，為直接空冷風機橋架工程設計和現役空冷電站風機橋架的減振措施提供一定的指導，同時為進一步對整個空冷平臺的振動特性分析打下基礎。

關鍵詞：空冷器冷卻器；風機橋架；振動荷載；有限元分析

中圖分類號：TU311.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0082-02

風機橋架是支撐空冷島風機、電機及減速機等旋轉動設備的主要部件，風機及電機在轉動的過程中由于不平衡力的作用會產生周期性的振動。由于風機橋架直接安裝于空冷島平臺上，其設計是否合理直接影響著整個空冷平臺的振動特性。

1 分析方法

1.1 模態分析

模態分析是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是分析機械結構的固有振動特性的一種方法，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態分析。如果通過模態分析方法清楚了結構在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性，就可能預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此，模態分析是結構動態設計及設備的故障診斷的重要方法，同時其分析結果可作為瞬態動力學分析、諧響應分析和譜分析等其他動力分析的基礎。模態分析的實質是計算結構振動特性方程的特征值和特征向量。

典型的無阻尼結構自由振動的運動方程如下：

式中：—質量矩陣；—剛度矩陣；—加速度向量；—位移向量；

如果令：則有：

代入方程可得：

上式稱為結構振動的特征方程，模態分析就是計算該特征方程的特征值及其對應的特征向量。

1.2 諧響應分析

諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦（簡諧）規律變化的載荷時穩態響應的一種技術。分析的目的是計算結構在幾種頻率下的響應并得到一些響應值對頻率的曲線。該技術只計算結構的穩態受迫振動，不考慮結構在激勵開始時的瞬態振動。諧響應分析使設計人員能預測結構的持續動力特性，從而使設計人員能夠驗證其設計是否能夠克服疲勞，共振，及其他受迫振動引起的有害效果，同時也可以利用共振的有益效用，設計出合理的結構形式。在周期變化荷載的作用下，結構將以荷載頻率做周期振動。周期荷載作用下的運動方程如下：

式中：—阻尼矩陣；—簡諧荷載的幅值向量； —激振力的頻率；

位移響應：

式中：—位移幅值向量，與結構固有頻率和荷載頻率以及阻尼有關；—位移響應滯后激勵荷載的相位角；結構的其他響應可以通過位移響應求出。

2 振動荷載分析

2.1 激振頻率特性分析

電站直接空冷大直徑的軸流風機在正常運行時的轉速一般較低，一般為60～90rpm，故風機的運轉頻率：

屬于低頻轉動，考慮到風機可能采用變頻運行，其運行轉速范圍可能在30～110%范圍內變化，所以風機的實際運行頻率一般可能的范圍為0.3～1.43Hz。

風機在運行的過程中，葉片通過梁時，葉片與梁之間會產生相互的作用，常用的空冷軸流風機葉片數量可能為5～8片，故風機的葉片通過頻率：

考慮到風機可能采用變頻運行，其運行轉速范圍可能在30～110%范圍內變化，所以風機葉片的通過頻率一般可能的范圍為1.5～11.44Hz。

電站直接空冷系統中采用的電機一般為6極電機或4極電機，其額定轉速分別為1000rpm和1500rpm，所以正常運行情況下，電機的運轉頻率：

考慮到電機可能采用變頻運行，其運行轉速范圍可能在30～110%范圍內變化，所以電機的實際運轉頻率一般可能的范圍為4.98～27.5Hz。

在空冷電站實際的運行中，根據氣候條件和機組負荷的大小，會隨時調整空冷風機的轉速，以滿足機組變工況運行的要求，所以空冷風機及電機的運轉頻率和風機葉片的通過頻率在一個較寬的頻率范圍內。風機橋架在設計中很難使其固有頻率避開這一范圍，這樣就使得風機及電機的運行頻率與風機橋架的固有頻率重合或相近的可能性很大，很可能引起風機橋架的共振，因為除了對風機橋架的固有頻率分析之外，對風機橋架在各種振動荷載作用下的動力響應特性分析也是非常重要的。

2.2 振動荷載的分析

（1）由于風機正常運行時不平衡力引起的振動。由于質量的不均勻而產生不平衡的離心力。風機在安裝的誤差，風機轉子的質心可能與風機轉動軸線偏離，同樣在轉動時會產生不平衡的離心力。離心力的大小與偏心質量、偏心距及風機的轉速有關。（2）由于風機葉片通過風機橋架梁時的相互作用引起的振動。風機葉片在通過梁時，由于氣動作用，在梁與葉片之間會產生作用力和反作用力。作用的梁上的力會直接引起風機橋架的振動，作用的葉片上的力會對風機轉動軸產生一個彎矩，同樣會間接的引起風機橋架的振動。（3）由于電機正常運行時不平衡力引起的振動。電機在運轉過程中也會產生不平衡力，其產生原因與風機產生不平衡力的原因類似，但其作用的頻率用遠高于風機不平衡力的作用頻率。

3 結語

（1）通過上面的分析可以看到，在風機正常轉動時，風機與橋架基本上不會發生共振現象，而在電機正常轉動時，電機與橋架發生共振的可能性比較大。（2）本文基于理論計算基礎之上的，激振荷載是通過計算或試驗得到的，而實際上激振荷載與現場的安裝質量有很大關系。可到現場進行實地測量，與理論進行對比，對于以后的工程設計具有重要的指導意義。（3）本文對單個風機單元的風機橋架進行分析，整個空冷平臺通常由眾多的風機單元組成，屬于多點激振情況，各個風機單元振動疊加情況也極為復雜，所以整個空冷平臺的振動情況還有待于進一步的研究。