鍋爐一次風(fēng)暖風(fēng)器及附屬風(fēng)道振動(dòng)機(jī)理研究

杜利梅，陳志波，劉殿瑋

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;2.黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，齊齊哈爾 161000;3.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

隨著機(jī)組向大容量、高參數(shù)的發(fā)展，鍋爐附屬設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)的原因越來(lái)越復(fù)雜，其中煙道振動(dòng)引起了多位學(xué)者的研究討論(這類(lèi)振動(dòng)機(jī)理并不是簡(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)，而是聲學(xué)振動(dòng))，如柴錫強(qiáng)[1]等通過(guò)大量試驗(yàn)排除了因省煤器中給水局部沸騰而引起汽水沖擊造成振動(dòng)的可能性，得出煙氣經(jīng)省煤器形成卡門(mén)渦流引起風(fēng)道聲學(xué)共振的結(jié)論;呂健[2]等針對(duì)鍋爐出口煙道護(hù)板振動(dòng)、聲音較大的問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)致的分析，并給出了解決方法。因此，為了分析鍋爐一次風(fēng)暖風(fēng)器及附屬風(fēng)道振動(dòng)的原因，本文以某熱電有限公司暖風(fēng)器更換后的振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了深入的分析，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了加裝防振隔板的改造方案，消除了暖風(fēng)器及其附屬風(fēng)道振動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)組安全運(yùn)行隱患。

1 風(fēng)道振動(dòng)原因與振動(dòng)機(jī)理分析

鍋爐各附屬風(fēng)道振動(dòng)原因比較復(fù)雜，主要因素包括風(fēng)道的諧波頻率、氣流的卡門(mén)渦流的脫落頻率、結(jié)構(gòu)的固有頻率。當(dāng)氣流流經(jīng)風(fēng)道時(shí)，其駐波頻率、卡門(mén)渦流的脫落頻率與設(shè)備的固有頻率或某階聲駐波頻率耦合就會(huì)發(fā)生共振[3-5]。

某熱電有限公司進(jìn)行暖風(fēng)器更換后，一次暖風(fēng)器及其附屬風(fēng)道發(fā)生嚴(yán)重的共振，并伴隨非常刺耳的噪聲，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和測(cè)試，分析得出發(fā)生振動(dòng)的原因，即空氣在流經(jīng)暖風(fēng)器過(guò)程中所形成的卡門(mén)渦流與結(jié)構(gòu)固有頻率或某階聲駐波頻率耦合時(shí)就形成了暖風(fēng)器及附屬風(fēng)道的共振。其振動(dòng)機(jī)理:空氣橫向沖刷管束時(shí)，形成的卡門(mén)渦流以一定的周期脫落產(chǎn)生了壓力波，形成了卡門(mén)渦流現(xiàn)象，引起共振的激振力一直存在[3]。氣流的聲駐波具有無(wú)限的諧波，只要卡門(mén)渦流引起的激振頻率與氣流聲駐波任一諧波頻率耦合，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 物理模型

圖1為一次暖風(fēng)器及其風(fēng)道截面尺寸示意圖，風(fēng)道尺寸為1 600 mm×2 400 mm，管束外徑為60 mm，橫、縱向截距分別為100 mm、95 mm。為了提高計(jì)算效率，采用雷諾相似的原則，以1∶10的比例進(jìn)行建模。根據(jù)計(jì)算模型特點(diǎn)，如果對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單網(wǎng)格劃分，則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而且網(wǎng)格數(shù)量龐大，難以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。因此，采用分區(qū)畫(huà)網(wǎng)格，僅管束區(qū)域?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其它區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并且在主要計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為7.2×105個(gè)，具體網(wǎng)格模型如圖2所示。

2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

采用空氣做流動(dòng)介質(zhì)，設(shè)流體為不可壓，大渦模擬控制方程為

在計(jì)算中，μt采用 Smagorinsky-Lilly模型為網(wǎng)格的混合長(zhǎng)度。在 Fluent中，Ls=min(κd，CsV1/3)，其中 κ 為常數(shù)，d為到最近的壁面的距離，V為計(jì)算單元的體積，計(jì)算時(shí)取 Cs=0.1[6]。

計(jì)算中進(jìn)出口邊界條件:入口采用速度邊界，υ=9.58 m/s(此速度為暖風(fēng)器入口的實(shí)際流速)，溫度為常溫;出口邊界采用outflow，壁面采用無(wú)滑移的邊界條件，湍流為壁面函數(shù)法。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析與討論

流體繞圓柱流動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)圓柱表面產(chǎn)生升力和阻力，主要是因?yàn)榱黧w繞圓柱流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性交替脫落的卡門(mén)渦流，而渦流會(huì)引起脈動(dòng)，其幅值較大，并在一定條件下形成穩(wěn)定的變化周期，可以推導(dǎo)得知由升力及阻力變化曲線經(jīng)傅里葉變換(FFT)后，得到的功率頻譜圖峰值即為卡門(mén)渦脫落頻率。

圖3、圖4為圓柱繞流的頻譜特性曲線。從圖3可以看出，升力系數(shù)曲線經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后產(chǎn)生有規(guī)律的振蕩，說(shuō)明流體在經(jīng)過(guò)圓柱表面后產(chǎn)生了穩(wěn)定、周期性的卡門(mén)渦流。由圖4的頻譜特性曲線可知，頻譜圖上存在明顯的峰值，表明此處的能量很集中，此時(shí)渦流的脫落具有明顯的周期性，并且渦流的能量很大。分析研究對(duì)象的頻譜，可知渦流脫落的頻率為50 Hz左右，此時(shí)頻譜圖上出現(xiàn)了很明顯的峰值，這是由于空氣流經(jīng)管束具有一定的剛性作用，在圓柱表面邊界層引起劇烈的擾動(dòng)，致使一定的能量的損失，從而出現(xiàn)了很明顯的渦流。

圖3 升力系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線圖

圖4 頻譜特性曲線圖

卡門(mén)渦的形成和脫落是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，當(dāng)雷諾數(shù)超過(guò)某一值時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)不再穩(wěn)定，流動(dòng)失去平衡，渦出現(xiàn)拉伸、后移，再向下游流動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生了渦流。圖5為1/4T(T為一個(gè)周期)卡門(mén)渦形成及脫落的過(guò)程。卡門(mén)渦形成及脫落的原因是由于流體經(jīng)過(guò)圓柱時(shí)，在圓柱前緣流體質(zhì)點(diǎn)的壓力升高，促使正在形成的邊界層在圓柱體的兩側(cè)逐漸發(fā)展。但在高雷諾數(shù)時(shí)，流體流經(jīng)圓柱表面時(shí)，邊界層會(huì)向兩側(cè)分開(kāi)，自由剪切層的最內(nèi)層與自由流的最外層相比，移動(dòng)得較慢，于是這自由剪切層就形成了卷起而不連續(xù)的渦，在圓柱背面就出現(xiàn)了規(guī)則的渦型，而渦隨著時(shí)間會(huì)呈周期性地產(chǎn)生和脫落。

圖5 1/4T卡門(mén)渦形成、脫落過(guò)程

3 卡門(mén)渦脫落頻率計(jì)算及分析

根據(jù)聲學(xué)振動(dòng)原理，管排橫向繞流的卡門(mén)渦流頻率的計(jì)算公式[1]為

式中:fK為卡門(mén)渦流頻率，Hz;St為斯特勞哈數(shù);u為氣流速度，m/s;D為管子外徑，m。

聲駐波與煙道寬度、氣流速度的關(guān)系式[1]為

式中:n為諧波系數(shù)，n=1，2，3，…n;C為氣流速度，m/s;B為煙道寬度，m。

由式(4)可以看出，只要存在駐波，其波長(zhǎng)和風(fēng)道寬度有很大的關(guān)系，第一階駐波波長(zhǎng)是風(fēng)道寬度的2倍;二階諧波波長(zhǎng)等于風(fēng)道寬度。

根據(jù)式(3)、式(4)、暖風(fēng)器以及附屬風(fēng)道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出空氣在流經(jīng)暖風(fēng)器過(guò)程中所形成的卡門(mén)渦流頻率和風(fēng)道的階聲駐波頻率，如表1所示。

表1 卡門(mén)渦流脫落頻率和駐波頻率計(jì)算表

表1中的斯特羅哈數(shù)是根據(jù)橫、縱向截距比值查圖6[7]得到的。由表1計(jì)算結(jié)果可以看出，氣流在經(jīng)過(guò)暖風(fēng)器及其附屬風(fēng)道時(shí)，卡門(mén)渦流脫落頻率與一階諧波頻率耦合即發(fā)生共振。

圖6 斯特羅哈數(shù)St

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，由圖4得出卡門(mén)渦脫落頻率約為50 Hz，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際計(jì)算后的卡門(mén)渦脫落頻率為45.97 Hz，數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際計(jì)算值相差約8%左右，有一定的誤差。主要原因是數(shù)值計(jì)算未考慮氣流溫升后粘度、密度變化的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生振動(dòng)是卡門(mén)渦脫落導(dǎo)致的。

由數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果計(jì)算分析，針對(duì)暖風(fēng)器及其附屬風(fēng)道振動(dòng)問(wèn)題，本文在振動(dòng)區(qū)域橫向和縱向分別加裝了2塊防振隔板，隔板厚度為3 mm，加裝防振隔板后，把流體截面區(qū)域劃分為9個(gè)小格，如圖7所示，破壞了渦的產(chǎn)生，消除了卡門(mén)渦脫落頻率與某階聲駐波頻率的耦合，也就消除了共振。實(shí)踐證明，加裝隔板措施使現(xiàn)場(chǎng)消振達(dá)到了很好的效果，從而驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖7 加裝隔板后風(fēng)道示意圖

4 結(jié)論

1)根據(jù)暖風(fēng)器改造后風(fēng)道振動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，流體經(jīng)圓柱繞流后會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的、周期性的卡門(mén)渦流，卡門(mén)渦脫落頻率為50 Hz。

2)根據(jù)聲學(xué)原理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況計(jì)算，卡門(mén)渦脫落頻率為45.97 Hz，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

3)一階諧波頻率與卡門(mén)渦脫落頻率耦合會(huì)產(chǎn)生共振。

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