塔的强度设计

1、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、风的诱导振动机理卡曼涡街：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。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(a)边界层的堆积图 7-83（ a） 边界层的堆积及旋涡的形成2

2、96(b)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 卡曼涡街产生条件旋涡特性与雷诺数的关系：a.当 Re5 时，不发生边界层分离现象，无旋涡产生；b.当 5 Re40 时，塔体背后出现一对稳定的旋涡；c.当 40Re150 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；297d.当 300Re 3 105 时，亚临界区，旋涡以一确定的频率周期性地脱落；e.当 3105Re3.5106 时，过渡期，无涡街出现，尾流变窄，无规律且都变成紊流；f. 当 Re3.5106 时，超临界区，卡曼涡街又重新出现。升力塔两侧流体绕流情

3、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CLv2 A（7-47）升力计算： FL2 风诱导振动的激振频率：塔体的激振频率形成旋涡的频率旋涡脱落的频率；旋涡脱落的频率的影响因素：塔体的外径、风速；激振频率：v（7-48）fvSr DSr 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 临界风速共振：当旋涡脱落

4、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。298若取 Sr =0.2，则由 (7-49)式可求得临界风速。vcn 5 fcn D5D(7-49)Tcn二、塔设备的自振周期（固有周期）解析法集中质量法固有周期计算方法近似法折算质量法能量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

5、 7-72 塔设备振型299 等截面塔：直径、壁厚、材质相同，质量沿高度均布。由振动方程：4 ym2 y0（7-3）x4EIt2T11.79mH 4EI求解得： T20.285mH 4(7-5)EIT30.102mH 4EI振型：图 7-72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；hi3b.振型曲线为 Yi Ya2H(7-8)结论：变截面塔的第一振型的固有周期为：1 nhi3nH i3nH i3T1 2mi(7-12)3 i 1Hi 1Ei I ii 2Ei 1Ii

6、1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=110s 之间。300多自由度体系折算后的单自由度体系图 7-73 不等直径或不等壁厚塔的计算三、塔设备的防振共振的危害：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。规定：为了防止塔的共振，fv 不得在如下范围内：0.85 f c1 fv 1.3 fc1(7-50)如果激振频率fv 在式 (7-50)的范围内，则采取相应的措施：塔Ifc成本;增大塔的固有频率；H 或 Df c (与工艺结合 )增大塔的阻尼：a. 塔盘上的液体或塔内的填料使塔阻尼，Y；设置弹簧阻尼器；塔壁上悬挂外裹橡胶的铁链条。采用扰流装置：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；塔外装轴向薄翅片、挡板、螺旋板，以防止旋涡形成。思考题塔设备由哪几部分组成？各部分的作用是什么？301填料