电站直接空冷系统大直径风机振动分析

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机械通风空冷凝汽器（ACC直接空冷系统）对水资源的消耗最少，在煤炭资源丰富而淡水资源又十分有限的地区大力发展电厂直接空冷技术就成为合理的选择。直接空冷系统主要由主排汽管道、蒸汽分配管道、翅片管换热器、支撑结构和平台、风机及其驱动装置、抽真空系统、排水和凝结水系统、控制系统和仪表等部分组成。直接空冷系统所采用的风机一般均为大直径风机。以一个2x300MW的火力发电为例，直接空冷系统需要配置60台直径为9.144米的风机。而风机及其驱动装置的运转会产生较大振动，因此有必要进行振动分析，一是要对风机的自身承重结构进行安全评估，二是为合理设计隔振器提供依据。每个风机单元主要由风机、电机、传动机构和风机桥架等组成，并配有防逆转机构。

一、引起振动的原因

引起机械振动的原因根据风机的具体结构分析，主要的振动原因有以下几方面：（1）运转机械的不平衡。这里主要是电机转子的不平衡，其振动具有明显的规律性，其频率等于电机的转数。（2）传动轴系的振动。按照振动的特性又可分成以下三类：①由电机的转矩不均匀引起的扭转振动；②由轴承间距和转速的不利配合引起的横向振动；③由风机的不均匀推力引起的纵向振动。（3）风机扰动。一般风机扰动常成为通风设备振动的主要根源。按振动的性质可分两种：一种是其扰动频率和风机的转数相等，称为一次扰动或轴频扰动，它主要是由风机的制造、安装误差引起的；一种其扰动频率等于风机的转数与叶片数的乘积，称为高次扰动或叶频扰动，它主要是由于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。

二、扰动频谱分析

对于该风机系统，其扰动主要为风机的一次扰动、风机的叶频扰动、电机的一次扰动。因工艺要求，电机转速范围为名义转速的30%～110%（名义转速为n=1490rpm），速比为16.56，风机为六叶片。从下面的扰动频谱图可以看出扰动频带是很宽的，可供选择的频率范围非常有限。

三、振动分析条件

要想进行振动分析，必须确定参与振动部分的质量m、隔振器的刚度K及阻尼比ξ，风机（叶轮）和电机的惯性激振力幅值F。在正常使用条件下，振动部分的质量主要为设备自重。隔振器的刚度K可根据隔振器的材料进行计算，根据以往成熟经验，选取氯丁橡胶垫作为隔振器。氯丁橡胶压缩时的动刚度Ky动≈40kN/mm，剪切时的动刚度Kr动≈2kN/mm。隔振器的阻尼比ξ≈0.1。风机（叶轮）的惯性激振力幅值范围为7～94N，电机的惯性激振力幅值范围为26.5～356N。

四、模型说明

构模型采用STAAD/CHINA2004建立，构件使用梁单元，支座采用弹性带阻尼支座模拟橡胶垫。主梁型号与静力计算结果一致，结构模型的外形尺寸与实际尺寸相同。每个支座的X方向和Z方向（水平方向）刚度系数即橡胶的剪切动刚度均为2kN/mm，阻尼系数均为0.1；Y方向（竖直方向）刚度系数即橡胶的压缩动刚度为40kN/mm，阻尼系数为0.1。动力荷载采用简谐时程函数输入，对结构进行弹性时程反映分析，荷载各项参数取110%名义转速时的。风机的时程函数荷载各项参数为：频率f=1.65Hz，惯性激振力幅值F=0.094kN，相位角为0，计算步长取0.05s，循环次数取10次。电机的时程函数荷载各项参数为：频率f=27.3Hz，惯性激振力幅值F=0.356kN，相位角为0，计算步长取0.02s，循环次数取10次。

五、结果分析

分析结果得出了结构的前四阶振型的固有频率范围为3.394～4.365Hz，此频率范围与扰动频谱图中风机的叶频扰动的低频段重合，即当风机以较低转速运行或在启停机时有发生共振的可能。从扰动频谱图分析，可选频带只能选在风机的一次扰动与风机的叶频扰动之间的狭窄频带上。如选低于风机的一次扰动频带，则固有频率太低，就会找不到这样的减振器，如选高于电机的一次扰动频带，则限于结构的限制，也很难实现。虽然风机会在较低转速下运行，但一般运行时间不会太长，而且此时的转速很低，风机的叶频扰动力很小，即使发生共振，但由于橡胶垫阻尼的存在（阻尼比≈0.1），共振时的绝对传递系数T为5左右，这在实际使用中常是允许的。因风机大部分时间工作在名义转速附近，而共振只是发生在很少工作的低转速时。从整体看，无论是结构设计还是减振设计都是可行的。

（作者单位：哈尔滨空调股份有限公司）