空气冷却器风机桥架振动特性的分析

迟鹏

摘 要：风机桥架设计不仅仅要考虑静载下的强度，更需要考虑在风机、电机振动荷载作用下的动力响应特性。本文针对空冷器风机单元进行分析，通过有限元计算软件，分析风机及电机在运行过程中的各种可能的激振频率和振动荷载，为直接空冷风机桥架工程设计和现役空冷电站风机桥架的减振措施提供一定的指导，同时为进一步对整个空冷平台的振动特性分析打下基础。

关键词：空冷器冷却器；风机桥架；振动荷载；有限元分析

中图分类号：TU311.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0082-02

风机桥架是支撑空冷岛风机、电机及减速机等旋转动设备的主要部件，风机及电机在转动的过程中由于不平衡力的作用会产生周期性的振动。由于风机桥架直接安装于空冷岛平台上，其设计是否合理直接影响着整个空冷平台的振动特性。

1 分析方法

1.1 模态分析

模态分析是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是分析机械结构的固有振动特性的一种方法，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析。如果通过模态分析方法清楚了结构在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法，同时其分析结果可作为瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等其他动力分析的基础。模态分析的实质是计算结构振动特性方程的特征值和特征向量。

典型的无阻尼结构自由振动的运动方程如下：

式中：—质量矩阵；—刚度矩阵；—加速度向量；—位移向量；

如果令：则有：

代入方程可得：

上式称为结构振动的特征方程，模态分析就是计算该特征方程的特征值及其对应的特征向量。

1.2 谐响应分析

谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。分析的目的是计算结构在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线。该技术只计算结构的稳态受迫振动，不考虑结构在激励开始时的瞬态振动。谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计是否能够克服疲劳，共振，及其他受迫振动引起的有害效果，同时也可以利用共振的有益效用，设计出合理的结构形式。在周期变化荷载的作用下，结构将以荷载频率做周期振动。周期荷载作用下的运动方程如下：

式中：—阻尼矩阵；—简谐荷载的幅值向量； —激振力的频率；

位移响应：

式中：—位移幅值向量，与结构固有频率和荷载频率以及阻尼有关；—位移响应滞后激励荷载的相位角；结构的其他响应可以通过位移响应求出。

2 振动荷载分析

2.1 激振频率特性分析

电站直接空冷大直径的轴流风机在正常运行时的转速一般较低，一般為60～90rpm，故风机的运转频率：

属于低频转动，考虑到风机可能采用变频运行，其运行转速范围可能在30～110%范围内变化，所以风机的实际运行频率一般可能的范围为0.3～1.43Hz。

风机在运行的过程中，叶片通过梁时，叶片与梁之间会产生相互的作用，常用的空冷轴流风机叶片数量可能为5～8片，故风机的叶片通过频率：

考虑到风机可能采用变频运行，其运行转速范围可能在30～110%范围内变化，所以风机叶片的通过频率一般可能的范围为1.5～11.44Hz。

电站直接空冷系统中采用的电机一般为6极电机或4极电机，其额定转速分别为1000rpm和1500rpm，所以正常运行情况下，电机的运转频率：

考虑到电机可能采用变频运行，其运行转速范围可能在30～110%范围内变化，所以电机的实际运转频率一般可能的范围为4.98～27.5Hz。

在空冷电站实际的运行中，根据气候条件和机组负荷的大小，会随时调整空冷风机的转速，以满足机组变工况运行的要求，所以空冷风机及电机的运转频率和风机叶片的通过频率在一个较宽的频率范围内。风机桥架在设计中很难使其固有频率避开这一范围，这样就使得风机及电机的运行频率与风机桥架的固有频率重合或相近的可能性很大，很可能引起风机桥架的共振，因为除了对风机桥架的固有频率分析之外，对风机桥架在各种振动荷载作用下的动力响应特性分析也是非常重要的。

2.2 振动荷载的分析

（1）由于风机正常运行时不平衡力引起的振动。由于质量的不均匀而产生不平衡的离心力。风机在安装的误差，风机转子的质心可能与风机转动轴线偏离，同样在转动时会产生不平衡的离心力。离心力的大小与偏心质量、偏心距及风机的转速有关。（2）由于风机叶片通过风机桥架梁时的相互作用引起的振动。风机叶片在通过梁时，由于气动作用，在梁与叶片之间会产生作用力和反作用力。作用的梁上的力会直接引起风机桥架的振动，作用的叶片上的力会对风机转动轴产生一个弯矩，同样会间接的引起风机桥架的振动。（3）由于电机正常运行时不平衡力引起的振动。电机在运转过程中也会产生不平衡力，其产生原因与风机产生不平衡力的原因类似，但其作用的频率用远高于风机不平衡力的作用频率。

3 结语

（1）通过上面的分析可以看到，在风机正常转动时，风机与桥架基本上不会发生共振现象，而在电机正常转动时，电机与桥架发生共振的可能性比较大。（2）本文基于理论计算基础之上的，激振荷载是通过计算或试验得到的，而实际上激振荷载与现场的安装质量有很大关系。可到现场进行实地测量，与理论进行对比，对于以后的工程设计具有重要的指导意义。（3）本文对单个风机单元的风机桥架进行分析，整个空冷平台通常由众多的风机单元组成，属于多点激振情况，各个风机单元振动叠加情况也极为复杂，所以整个空冷平台的振动情况还有待于进一步的研究。