火电站空冷系统的风机桥架优化设计方法 【技术领域】
本发明涉及大型空冷系统技术领域，具体涉及一种火电站空冷系统的风机桥架优化设计方法。
背景技术
直接空冷电站的空冷岛通常由几十个甚至上百个空冷单元组成，每个空冷单元的风机桥架跨度超过10m，安装在30-50m高的钢结构支撑平台上，起到支撑风机、维修通道等作用。如图1和2所示，在运行过程中，风机转动产生方向垂直风机旋转平面的动态干扰力，该干扰力是导致风机桥架振动的主要原因。根据大量现场的实测结果，电站中运行的直接空冷系统普遍出现风机桥架振动过大的问题。而风机桥架振动过大将导致各种严重后果，如长期大幅振动会导致钢结构螺栓松动、风机桥架上焊缝疲劳破坏，造成安全隐患，严重缩短空冷岛、电机、减速机及风机等设备的使用寿命。
风机振动的原因按动态干扰力的性质可分为两种：一种是风机扰动频率和风机的转速相等时产生的动态干扰力，称为一次扰动或轴频扰动，它主要是由风机制造、安装误差引起，如平衡不好、安装偏心以及各叶片的螺距不均匀等等；另一种是风机扰动频率等于风机的转速与风机叶片数的乘积时产生的动态干扰力，称为高次扰动或叶频扰动，该扰动所引发的叶频干扰频率可由风机转速乘以风机叶片数目计算得出，它主要是由于风机叶片工作在风筒的不均匀伴流中，因此产生了周期变化的空气动力，从而引起振动。
当前设计中，一般认为风机桥架振动由风机的偏心引起，因此常规的风机桥架设计方法是基于将风机转速频率作为干扰频率，让风机桥架的第一阶共振频率避开风机转速频率进行风机桥架设计。现有的风机转速一般60-120转/分钟，因此风机由于偏心产生的干扰频率为1-2Hz，因而风机桥架设计的固有频率只需要超过2.5Hz即可避开风机偏心引起的干扰频率。事实上许多空冷岛风机桥架的固有频率均在7-8Hz，所以从理论上看这些空冷岛风机桥架完全能够满足抗扰要求的。但是通过多个空冷岛现场测试，风机桥架振动还是超标。因此通过该方法所设计的风机桥架不能满足设计要求。
【发明内容】
本发明目的在于解决目前风机桥架设计中存在的振动过大超标问题，降低在工作过程中因为风机桥架振动过大所引起的一系列安全隐患，并提高空冷系统中风机等设备的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供一种火电站空冷系统的风机桥架优化设计方法，包括如下步骤：
步骤A：确定风机桥架的叶频干扰频率；
步骤B：确定风机桥架的振动固有频率；
其中，所述振动固有频率高于所述叶频干扰频率的25％。
所述步骤A根据风机叶片数量及风机工作频率来确定风机桥架的叶频干扰频率。
所述步骤B根据荷载因素、边界条件及减速机地板因素来确定风机桥架的振动固有频率。
所述荷载因素包括电机、减速机、风机、护栏、电缆和栅栏。
所述边界条件为两端弹性简支，所述弹性简支点的刚度大小根据空冷岛钢桁架梁的抗弯刚度决定。
通过增大风机桥架主梁的横截面惯性矩，提高风机桥架的振动固有频率。
也可以通过增加或优化桁架结构来增加风机桥架刚度，提高风机桥架的振动固有频率。
所述风机工作频率由风机额定频率及风机工作区段决定。
增大风机桥架主梁的横截面惯性矩包括增加主支撑梁的翼缘厚度或者选用截面较大的H型钢。
增加或优化桁架结构包括将护栏做成桁架结构，或者将风机桥架与管束支撑A型架顶部相连。
本发明的优点和有益效果在于，通过准确分析风机桥架的振动固有频率与风机叶频扰动频率，经过优化风机桥架结构，使风机桥架的振动固有频率高于风机叶频扰动频率，并经过充分考虑理论分析结果和实际结构之间不可避免的误差，经过优化设计后的风机桥架振动固有频率应高于叶频扰动频率25％，从而避免风机桥架在叶频扰动下产生共振现象。如果叶频扰动频率低于风机桥架共振区，则叶频扰动诱发的风机桥架振动幅值(单纯由于风机桥架刚度决定)将显著低于在风机桥架共振区的振幅。本发明的技术方案解决了目前风机桥架设计中存在的振动过大超标问题，降低了在工作过程中因为风机桥架振动过大所引起的一系列安全隐患，并提高了空冷系统中风机等设备的使用寿命。
【附图说明】
图1是风机桥架的主视图；
其中，
1为风机叶片；
2为减速箱；
3为电机；
4为风筒；
5为风筒网罩。
图2是风机桥架的俯视图；
其中，
6为风机桥架。
图3是实际测量风机桥架主梁竖直方向上的振动幅值与风机桥架振动固有频率的关系。
图4是非优化情况下与本发明技术方案中的优化情况下桥架在竖直方向振动幅值地比较。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例是对已出现振动超标的风机桥架进行改造时提供的改造方法，目的在于如何在桥架设计阶段消除振动超标的问题。
通过实际测量风机桥架主梁竖直方向上的振动幅值与风机桥架振动固有频率的关系，如图3所示，将风机的转速设定为60％-100％之间的几个确定值后进行测量，当风机以100％转速运行时，风机桥架振动固有频率显示为8.16Hz，而经过计算，当前风机转速(1.632Hz)与风机叶片(5片)的乘积正好为8.16Hz，风机桥架振动频率刚好与叶频扰动的频率相等。因此，在风机桥架设计或者改造过程中，风机桥架竖直方向的固有频率应避开风机叶频干扰频率，在空冷岛运行过程中，避免风机桥架产生共振现象。
如图4所示，图示为风机在额定转速下的风机桥架振动实测信号的时程曲线，风机桥架在未优化情况下的竖向振动幅值已严重超标，这将造成大量安全隐患，并严重缩短空冷系统中各设备的使用寿命。
下面对该振动超标的风机桥架进行优化改造设计。
(1)确定风机桥架的叶频干扰频率
当风机叶片数量和风机工作转速确定之后即可计算风机产生的叶频干扰频率，具体的风机叶频干扰频率数值等于风机叶片数量与风机工作转速的乘积。风机工作转速由风机额定转速及风机工作区段决定，如风机工作在60％-110％区段，则风机工作转速由60％-110％乘风机的额定转速求得。
(2)确定风机桥架的振动固有频率
在确定风机桥架的叶频干扰频率区段之后，为了避免叶频干扰诱发的风机桥架的共振，需要准确分析风机桥架的固有频率。
风机桥架的固有频率不仅由风机桥架自身结构决定，还与安装其上的电机、减速机、风机、护栏、电缆和栅格等功能部件和辅助部件有关。此外，与风机桥架安装也有关。为了准确分析风机桥架的固有频率，需要合理确定风机桥架的荷载和边界条件。风机桥架的边界条件由安装方式确定。如现常用情况下，将风机桥架两端直接搭接，并采用螺栓固定方式，则可以考虑成两端弹性简支，简支点的刚度大小根据空冷岛钢桁架支撑梁的抗弯刚度决定。如果采用其他方式，则可以根据具体情况分析。所需考虑的荷载因素包括：电机、减速机、风机等主要功能部件，同时还需考虑风机桥架上的护栏、电缆和栅格等附件。在建模过程中，不仅要准确知道荷载大小，同时要求对其位置也进行准确建模。如果减速机支撑板的刚度较小，则应该对减速机支撑板进行建模，具体方法是将支撑板建立板单元，并与减速机实体模型进行耦合。当充分考虑了风机桥架的模型、边界条件和荷载条件，则可以准确分析得到风机桥架的固有频率。
(3)使振动固有频率高于叶频扰动频率
通过优化风机桥架结构来使振动固有频率高于叶频扰动频率，避免共振现象的发生，从而降低风机桥架振动幅值。
尽管充分考虑风机桥架上荷载及边界条件，但理论分析结果和实际结构还是会存在误差。为了避免与风机叶频干扰产生共振现象，风机桥架的固有频率在设计过程中应增加设计余量。如果计算风机桥架自振频率和风机叶频扰动频率相差25％以内，必须重新优化结构。风机桥架优化方法有两种，第一种是增大风机桥架主梁的横截面惯性矩；第二种是通过增加或者优化桁架结构来增加风机桥架刚度。增大风机桥架主梁的横截面惯性矩可用方法是增加主支撑梁的翼缘厚度或者选用较大型号的H型钢截面。通过增加或者优化桁架结构来增加风机桥架刚度的常用方法是将护栏做成桁架结构增加整个结构刚度，或者将风机桥架与管束支撑A型架顶部相联增加风机桥架刚度。通过风机桥架结构优化提高风机桥架的振动固有频率，让固有频率高于叶频扰动频率的25％。同时必须验算结构刚度是否满足钢结构设计规范要求。
经过上述优化方案的设计，如附图4所显示的情况，对比之前严重超标的风机桥架结构显示的风机桥架振动幅值，采用本发明技术方案的风机桥架设计方法科技可以将设计中不合理的风机桥架振动幅值削减到1/2至1/3以下。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。