75塔的强度设计.DOC

第五节 塔设备的振动 在风力作用下，塔的振动形式： 载荷振动：振动方向沿着风的方向—顺风向的振动； 诱导振动：振动方向沿着风的垂直方向—横向振动。 诱导振动对塔设备的破坏性大，所以本章主要讨论风的诱导振动。 一、风的诱导振动 ⒈机理 ⑴卡曼涡街：当风以一定速度绕流圆柱体时，在圆柱体两侧的背风面交替产生旋转方向相反的旋涡，然后脱离并形成一个旋涡尾流，这种现象称为卡曼涡街，如图7-84所示。 ⑵产生原因：图7-82、7-83，依据流体力学原理，边界层堆积、分离。 风以一定的速度绕流圆柱形塔设备，塔设备周围的风速是变化的。 图7-82 塔周围的风速 图7-83（a） 边界层的堆积及旋涡的形成 图7-83（b） 边界层的堆积及旋涡的形成 图7-84 卡曼涡街 图7-84 卡曼涡街 ⑶产生条件——旋涡特性与雷诺数的关系： a.当Re＜5时，不发生边界层分离现象，无旋涡产生； b.当5≤Re＜40时，塔体背后出现一对稳定的旋涡； c.当40≤Re＜150时，出现卡曼涡街，塔体背风面交替产生旋转方向相反的旋涡，见图7-84； d.当300≤Re＜3×105时，亚临界区， e.当3×105≤Re＜3.5×106时，过渡期，无涡街出现，尾流变窄，无规律且都变成紊流； f.当Re≥3.5×106时，超临界区，卡曼涡街又重新出现。 ⒉升力 ⑴塔两侧流体绕流情况： 旋涡刚刚脱落的一侧，绕流改善，流体阻力↓，速度↑，静压力↓ 旋涡正在产生的一侧，绕 流 差，流体阻力↑，速度↓，静压力↑ ∴塔表面压强分布不均，周期性变化，受到力的作用，使塔沿风向的垂直方向产生振动—称之为横向振动。 升力——沿风向的垂直方向的推力。 拽力——沿风向产生的风力 ∵升力＞＞拽力 ∴计算时一般只考虑升力 ⑵升力计算： （7-47） ⒊ 风诱导振动的激振频率： ⑴塔体的激振频率＝形成旋涡的频率＝旋涡脱落的频率； ⑵旋涡脱落的频率的影响因素：塔体的外径、风速； ⑶激振频率： （7-48） ——斯特劳哈尔准数，其值与雷诺数Re大小有关，可由图7-85确定。 图7-85 圆柱体的值 ⒋ 临界风速 共振：当旋涡脱落的频率与塔的任一振型的固有频率一致时，会引起塔的剧烈振动。 临界风速：塔共振时风速。 若取Sr =0.2，则由(7-49)式可求得临界风速。 (7-49) 二、塔设备的自振周期（固有周期） 固有周期计算方法 塔设备的力学模型：简化成底端固定、顶端自由、质量沿高度连续分布的悬臂梁，见图7-71。 塔视为具有多个自由度体系，则它具有多个固有频率。 基本频率——固有频率中最低的频率； 振 型——振动后的变形曲线，图7-72。 固有周期的求解思路： 振动微分方程 设通解 由边界条件 定通解 求得固有周期 第一振型 第二振型 第三振型 图7-71 计算模型 图7-72 塔设备振型 ⒈ 等截面塔：直径、壁厚、材质相同，质量沿高度均布。 由振动方程： （7-3） 求解得： (7-5) 振型：图7-72 ⒉变截面塔： 不等直径或不等壁厚，质量沿高度不均布。 方法：质量折算法—将一个多自由度体系简化成一个单自由度体系，如图7-73所示。 假设：a.塔的质量全部集中于塔顶； b.振型曲线为 (7-8) 结论：变截面塔的第一振型的固有周期为： (7-12) 公式缺点：只能计算第一振型的自振周期( 为什么?) 一般塔的T1=1~10s之间。 图7-73 不等直径或不等壁厚塔的计算 三、塔设备的防振 ⒈共振的危害： 轻者使塔产生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，影响塔设备的正常操作；重者使塔设备导致严重破坏，造成安全事故。因此，在塔的设计阶段就应避免共振的发生。 ⒉规定：为了防止塔的共振，不得在如下范围内： (7-50) ⒊如果激振频率在式(7-50)的范围内，则采取相应的措施： ⑴增大塔的固有频率； ⑵增大塔的阻尼： a. 塔盘上的液体或塔内的填料→使塔阻尼↑，Y↓； b. 设置弹簧阻尼器； c. 塔壁上悬挂外裹橡胶的铁链条。 ⑶采用扰流装置： a. 合理布置塔体上的管道、平台、扶梯和其它的连接件，以消除或破坏卡曼旋涡的形成； b. 塔外装轴向薄翅片、挡板、螺旋板，以防止旋涡形成。 思考题 1. 塔设备由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 2. 填料塔中液体分布器的作用是什么？ 3. 试分析塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种 工况下的载荷？ 4. 简述塔设备设计的基本步骤。 5. 简述塔设备振动的原因及预防措施。 6.