空冷风机系统运行时竖向扰力试验研究

屈铁军，王献云，张 梅

(北方工业大学 建筑工程学院，北京 100144)

空冷技术能显著节约火电厂的用水量，一般能节水70%-80%［1-4］。空冷技术分直接空冷系统和间接空冷系统。直接空冷系统具有投资少、简单、适应低温环境等优点，所以在我国发展速度较快［5-6］。但国内目前已投入运营或正在建设的直接空冷电厂采用的都是国外引进的技术，国内还没有关于直接空冷结构体系的设计规范或规程。

直接空冷结构系统的底部是大直径钢筋混凝土管柱，高度在40 m以上，管柱上面安装大型钢桁架，是直接空冷系统的主要支撑结构。钢桁架上面安装有风机桥，风机桥上安装大直径风机及其驱动装置。风机的旋转直径较大，本文试验采用的风机旋转直径为9.14 m。1台风机一般有5～8片扇叶，扇叶安装在轮毂上，扇叶、轮毂、风机轴组成了风机的转子。通常一组直接空冷系统包含几十台风机，甚至百台以上。风机驱动装置包括电机、减速箱，通过风机轴使风机旋转。

为了保证直接空冷结构系统能安全运行，需要对各种可能荷载作用下结构的安全性能进行研究。结构安全运行主要表现为两个方面，一是结构在各种荷载作用下不发生破坏;二是在使用或运行过程中不能使风机设备(包括电机、减速箱、风机轴承、轮毂)的振动过大，振动位移、速度、加速度过大会影响风机设备的使用寿命。文献［7-8］测试了风机运行时与支撑结构的共振频率，并设计制作了结构缩尺模型，做了抗震性能试验。文献［9］研究了风机运行时结构的水平振动。文献［10］对风机运行时的风机桥架的振动进行了测试，并对风机运行时产生的水平扰力进行了初步研究。

直接空冷结构系统作为工业建筑，其地震作用、风荷载等可参考现行的抗震设计规范［11］、建筑结构荷载规范［12］等进行设计，但风机运行时对结构产生的扰力目前还没有取值依据。以往的研究取值都是参照旋转设备的离心力(或称不平衡力)的算法，即根据设备安装的允许误差、转子的质量、风机的转速来确定水平离心力，即风机运行扰力。但对于风机这样的大型旋转设备，风机运行产生的扰力远没有这样简单，风机转子的偏心距不只取决于风机轴的安装误差，还与轮毂和扇叶的质量分布、风机轴的弹性变形有关，将风机轴的安装误差作为这种大型旋转设备的转子的偏心距，显然偏小，也不安全。文献［13-14］通过试验对风机产生的扰力进行了测试，测试结果表明风机运行时至少同时产生4种扰力。文献［15］对已经投入运营的空冷结构的振动进行了测试。文献［16］用有限元方法分析了多台风机同时运行的相互影响。

本文在以上研究的基础上，对风机运行产生的扰力进行了深入研究，通过对风机运行时风机轴的应变测试，求得了离心力、弯矩和扭矩，并与文献［13-14］试验结果作对比。然后重点研究了风机运行时产生的竖向扰力，分析了竖向扰力的特性。

1 试验模型及仪器

1.1 试验模型

为了研究风机运行产生的扰力，本文采用1∶1试验模型。试验模型的主体结构采用混凝土框架，风机设备和风机桥与实际工程完全相同。与前两次试验［13-14］不同，前两次试验风机扇叶数为5片，风机最高转速为70 r/min;本次试验的风机扇叶数为6片，扇叶位置对称分布，风机最高转速为88 r/min。试验模型如图1所示。风机设备参数见表1。

图1 试验模型Fig.1 Test model

表1 风机设备参数Tab.1 Fan equipment parameters

1.2 测试仪器

风机轴是旋转设备，测量应变常用的有线测试仪器无法测试，本文采用了新型的无线测量技术对风机轴的应变及风机转速进行测定。

2 试验内容及测试原理

本次试验主要测试风机运行时对风机桥架产生的四种扰力［13-14］:① 由转子质量偏心引起的离心力;②扇叶竖向振动及风机“摆头”引起的弯矩;③ 竖向扰力，此扰力是本次试验重点研究的内容;④ 风机运行时驱动扇叶转动产生的扭矩。

上述四种扰力都会使风机轴产生应变，现将应变分离原理介绍如下。

沿风机轴四周等间距粘贴8片应变片及一组应变花，如图2所示。等间距粘贴的应变片每隔180°的两片为一组，共4组。每片应变片测得的应变用εi表示。风机运行时，一片应变片同时测得如下三种扰力产生的应变:① 转子质量偏心产生水平面内的径向离心力，使风机轴受弯，这种弯曲应变用ε'表示;② 风机运行时扇叶竖向振动和“摆头”，使风机轴受弯，这种弯曲应变，用ε″表示;③ 风机产生强大的气流，其反作用力使风机轴产生轴向应变，用ε‴表示。应变花用于测定扭矩产生的剪应变。

图2 应变片布置Fig.2 Arrangement of foil gages

2.1 离心力F和弯矩M

各个应变片测得的应变包括轴向应变和弯曲应变。由于各个应变片由竖向扰力在风机轴上产生的轴向应变都相同，所以每组(相距180°的两片应变片为一组)应变片的应变用式(1)消除轴向应变，得到风机轴弯曲产生的应变:

转子因质量偏心产生的离心力与转速、偏心距、转子的质量有关。偏心距、转子质量是常量，风机匀速运行时，F应该是常量。对弯曲应变x在平稳运行段(转速不变)做平均，滤掉应变的波动，由式(2)得到 ε'［4］。

于是，离心力F可由式(3)求得:

弯矩M产生的应变ε″可由式(4)求得:

弯矩M由式(5)求得:

式中:E是风机轴的弹性模量;I是风机轴截面惯性矩;R是风机轴截面半径;l是应变片几何中心到风机转子重心的距离，本次试验l为0.437 5 m。

2.2 竖向扰力FV

为了消除水平离心力F和弯矩M产生的弯曲应变，每组应变片竖向扰力(即风机轴的轴向力)产生的应变用式(6)求得:

竖向扰力FV可由式(7)求得:

式中:A为风机轴截面面积。

2.3 扭矩T

扭矩T使风机轴产生扭转。应变花测得的轴向应变用 ε0表示，45°方向的应变用 ε45°表示，于是，由式(8)可求得扭矩［17］:

式中，v为风机轴的泊松比，G为风机轴的剪切弹性模量。

3 工况

本次试验共采用以下三种工况:

工况1:风机由静止开始，转速增至20 r/min，平稳运行约30 s;再增至39 r/min，平稳运行约30 s;再增至59 r/min，平稳运行约30 s;再增至78 r/min，平稳运行约30 s;再增至88 r/min，平稳运行约30 s;然后降至78 r/min，平稳运行约30 s;降至59 r/min，平稳运行约30 s;降至39 r/min，平稳运行约30 s;降至20 r/min，平稳运行约30 s;最后静止。

工况2:风机由静止开始，转速增至29 r/min，平稳运行约30 s，再增至59 r/min，平稳运行约30 s;再增至88 r/min，平稳运行约30 s;然后降至59 r/min，平稳运行约30 s;降至29 r/min，平稳运行约30 s;最后静止。

工况3:风机由静止开始，转速增至49 r/min，平稳运行约30 s;再增至88 r/min，平稳运行约30 s;然后降至49 r/min，平稳运行30 s;最后静止。

4 试验数据及应变分离

本次试验的三种工况，每种工况运行两次，每次12个通道(8个应变片通道，3个应变花通道，一个转速通道)，测得的原始记录共72条。限于篇幅，本文仅给出部分原始测试记录，见图3～图8。

远处，有朵云就像海浪一样翻滚着，一下子扑到了我的眼前；有的云像长长赤链蛇一样游动着；还有的云似皇冠般，四周是炫目的金黄色。

图3 工况1 1#应变片测得的应变时程Fig.3 Strain time history of 1#foil gage in working condition 1

图4 工况1应变花测得的45°方向应变Fig.4 Strain of strain rosette in the direction of 45°in working condition 1

图5 工况2 1#应变片测得的应变时程Fig.5 Strain time history of 1#foil gage in working condition 2

图6 工况2应变花测得的45°方向应变Fig.6 Strain of strain rosette in the direction of 45°in working condition 2

图7 工况3 1#应变片测得的应变时程Fig.7 Strain time history of 1#foil gage in working condition 3

图8 工况3应变花测得的45°方向应变Fig.8 Strain of strain rosette in the direction of 45°in working condition 3

经式(2)滤波得到的离心力F产生的各组应变片的应变曲线如图9～图11所示。

图9 工况1离心力产生的应变Fig.9 Strain produced by centrifugal force in working condition 1

图10 工况2离心力产生的应变Fig.10 Strain produced by centrifugal force in working condition 2

图11 工况3离心力产生的应变Fig.11 Strain produced by centrifugal force in working condition 3

图12 工况1第1组应变片分离后弯矩产生的应变Fig.12 Strain produced by bending moment after separation of group 1 foil gages in working condition 1

图13 工况2第1组应变片分离后弯矩产生的应变Fig.13 Strain produced by bending moment after separation of group 1 foil gages in working condition 2

图14 工况3第1组应变片分离后弯矩产生的应变Fig.14 Strain produced by bending moment after separation of group 1 foil gages in working condition 3

图15 工况1第1组应变片分离后竖向扰力产生的应变Fig.15 Strain produced by vertical oscillation force after separation of group 1 foil gages in working condition 1

图16 工况2第1组应变片分离后竖向扰力产生的应变Fig.16 Strain produced by vertical oscillation force after separation of group 1 foil gages in working condition 2

图17 工况3第1组应变片分离后竖向扰力产生的应变Fig.17 Strain produced by vertical oscillation force after separation of group 1 foil gages in working condition 3

经式(4)求得的弯矩M产生的弯曲应变如图12～图14所示。

经式(6)求得的竖向扰力FN引起的风机轴的轴向应变如图15～图17所示。

5 数据分析

5.1 离心力F

离心力F随转速增大而增大，各工况下最大转速时离心力产生的应变的平均值及其对应的离心力见表2。

表2 离心力及其应变平均值Tab.2 Centrifugal force and its strain average

5.2 扇叶竖向振动及风机“摆头”的弯矩M

扇叶竖向振动及风机“摆头”产生的弯矩M随转速的增大而增大，最大值发生在转速最高的时段。风机扇叶竖向振动及风机“摆头”产生的最大应变及其对应的弯矩值见表3。

表3 应变的最大值及其对应的弯矩Tab.3 Strain maximum and its corresponding bending moment

5.3 竖向扰力FV

竖向扰力FV随着风机转速的增加而增加，转速越快，竖向扰力产生的应变越大。不同工况下最大转速时竖向扰力产生的应变平均值及其对应的竖向扰力见表4。

表4 竖向扰力及其应变平均值Tab.4 Vertical oscillation forces and its strain average

5.4 扭矩T

表5 扭矩产生的应变的最大值及其对应的扭矩Tab.5 Strain maximum produced by torque and its corresponding torque

6 结论

本文重点研究了风机运转对风机支撑结构产生的扰力。由于风机运行产生的扰力比较复杂，无法直接量测，所以，本文根据各个扰力的不同特点，通过分离各个扰力产生的应变，求得了离心力、弯矩、竖向扰力和扭矩。经过分析，并与以往的研究结果比较可得到以下结论。

(1)关于竖向扰力问题。以往有近似采用离心力的1/2的计算方法。从本次试验研究的结果看，竖向扰力与水平方向的离心力没有直接关系，竖向扰力的大小，与风机的转速有关，转速越快，产生的风速越大，竖向扰力也越大。且当风机高速运行时，竖向扰力可能大于水平离心力。

(2)关于风机水平扰力问题。风机运行产生的水平扰力(即水平离心力)与风机的转速有关，风机转速越快，扰力值越大，当转速最大时，水平扰力达到最大值。与以往根据风机轴承安装允许误差、风机转子的质量、风机转速等参数求得的水平离心力比较，本次试验得到的结果远大于以往的计算结果。

(3)关于扇叶数的影响问题。本试验采用的风机为6片扇叶，位置对称，而文献［13-14］采用的风机为5片扇叶。从试验结果看，在转速增大的情况下，由扇叶竖向振动和“摆头”产生的弯矩，6片扇叶的风机小于5片扇叶的风机，即扇叶位置对称的风机产生的弯矩扰力较小。

(4)关于风机转速的影响问题。本次试验风机转速加快到88 r/min，以往的试验风机转速最高为70 r/min。本次试验测得的竖向扰力、水平扰力、弯矩、扭矩，除弯矩小于以往的实验结果外，其它扰力都大于以往的试验结果，可见风机转速是影响风机运行扰力最重要而且最敏感的参数之一。

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