塔器防振用圆柱形液体阻尼器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及塔器防振用圆柱形液体阻尼器。由圆柱形箱体、支座、进排液口、远传液位计和自动控制阀门构成；圆柱形箱体与支座通过粘接固定；支座与垫板通过螺栓连接，垫板焊接在塔体上；进液口设置于箱体顶部，排液口设置于箱体底部；远传液位计安装在液面的设定位置；自动控制阀门安装在排液管与进液管上；阻尼器呈对称排列。本发明的塔器防振用圆柱形液体阻尼器，起到了塔器发生共振时的防振措施，通过增加塔体的阻尼，使塔体振幅迅速衰减，减少塔顶共振时的振幅，从而降低共振对塔器造成的破坏。
【专利说明】塔器防振用圆柱形液体阻尼器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种塔器防振阻尼器，尤其是风诱导振动下的塔器防振用圆柱形液体阻尼器的开发设计。
【背景技术】
[0002]塔器是化工生产中最重要的设备之一，作为特种设备一旦发生事故危害极大。因此，保证塔器安全运行是非常必要的。
[0003]塔器的长径比比较大。因此，在运行期间，塔体不仅承受重力和操作压力等载荷，还会受到风载荷的很大影响。安装在室外的塔器，在风载荷作用下将产生两个方向的振动。一种是顺风向的振动，即塔的振动方向与风向平行；另一种是横风向振动，即振动方向垂直于风向，又称横风向振动或诱导振动。随着塔高的不断增加，塔器受风载荷的影响也会越来越大。较大的风载荷将诱导塔器振动。当振动频率与塔器的自振频率相当时会发生共振，导致设备破坏，造成严重后果。故塔器的防振技术有很大研究价值。
[0004]塔器防振的措施主要有三种，增大自振周期、采用扰流装置和增大阻尼比。对塔器来说，增大自振周期可能会破坏原有工艺条件，增加制造成本；由于平台、梯子等附件的存在，安装轴向翅片或螺旋型翅片等扰流装置并不适用于所有塔设备；通过增设减振器来增大阻尼比则是一个较为简便实用的方法，在烟囱或高耸建筑物中已得到广泛的应用。
[0005]目前，国内外常用的塔器防振方法主要为增设翅片和挡板等扰流构件，对于防风振减振器的研究仍很少。
【发明内容】
[0006]本发明所解决的问题的是塔器发生共振时的防振措施，通过增加塔体的阻尼，使塔体振幅迅速衰减，减少塔顶共振时的振幅，从而降低共振对塔器造成的破坏。
[0007]本发明目的是通过如下技术方案实现的:
[0008]该塔器防振用圆柱形液体阻尼器，由圆柱形箱体3、支座2、进排液口 5和6、远传液位计12和自动控制阀门9构成；圆柱形箱体3与支座2通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体I上；进液口 5设置于箱体3顶部，排液口 6设置于箱体3底部；远传液位计12安装在液面的设定位置；自动控制阀门9安装在排液管10与进液管8上；阻尼器个数可选用4个、6个和10个，呈对称排列。
[0009]优选圆柱形箱体与支座同为有机玻璃材料。
[0010]阻尼器安装在塔体顶部；优选阻尼器安装高度大于2/3塔高。
[0011 ] 优选阻尼器总质量与塔体自身质量(不含阻尼器质量)之比μ为1.7 %?2.3 %。
[0012]优选圆柱形箱体的高度为1.5倍液高，保证液面有充足的晃动空间。
[0013]优选箱体内液体晃动频率与塔体一阶固有频率之比为0.9?1.1。
[0014]当塔顶没有冷凝器时，需加设进排水管道。无法加设进排水管道时，可撤去进排液口，但需要定期检查箱体液位。
[0015]本发明是一种液体阻尼器。液体阻尼器的作用原理是:塔器在风荷载作用下发生振动时，阻尼器中的液体会随之一起运动，并引起表面波浪，这种水和波浪对箱壁的压力就构成了对塔体的减振力。通过适当调整水箱中液体的质量和晃动频率，能使液体阻尼器减振力达到最大。该减振力使得阻尼器与塔体之间产生相互作用，增大了塔体阻尼比。在
JB4710-2005中有塔顶一阶振幅yT1计算公式如下:_ = ^感；!土!其中yT1为塔顶
^ΛζΜ? ，
振幅，Q为升力系数，D为塔器外径，为一阶临界风速，H为塔高，P为空气密度，XJ
计算系数，ξ为塔体阻尼比，E为弹性模量，I为截面惯性矩。由上式可以看出，塔体阻尼比ζ与塔顶振幅yT1呈反比例关系。也就是说，塔体阻尼比越大，塔顶振幅yT1就越小。
[0016]安装圆柱液体阻尼器后，塔器的运动可用如下方程来描述:
[0017]Mi + Cx + Kx = F(t) - Ftw
[0018]其中:
m h
[0019]Ftlb = rpg I J (K - z)dzdB
? Ιβ
[0020]式中:M—塔器的质量；
[0021]C 一塔器的阻尼；
[0022]K一塔器的刚度；
[0023]F(t)—作用在塔器上的风载荷；
[0024]Frai—圆柱液体液体阻尼器中水和波浪运动所产生的减振力；
[0025]f一塔器的加速度；
[0026]i一塔器的速度；
[0027]X—塔器的位移；
[0028]r一圆柱箱体的半径；
[0029]P 一液体的密度；
[0030]g—重力加速度；
[0031]b—圆柱形容器侧壁面处的波浪高度；
[0032]z—圆柱箱体液面以下高度
[0033]用计算机进行模拟计算，即用计算机建立塔器和圆柱液体阻尼器的模型，并将风载荷加载在塔模型上，模拟塔在风中的振动，最后提取塔顶振幅yT1。通过比较塔体安装阻尼器后塔顶振幅yT1与塔顶原始振幅yT1得到减振效果。对于既有液体又有固体的圆柱液体阻尼器，利用了 WORKBENCH进行双向流固耦合分析，即流体域与固体域的数据双向交换。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。在每一个耦合时间步内，固体与液体的计算结果，如塔器位移X、减振力Frai等相互交换，从而得到耦合计算结果。模拟计算时采用瞬态动力学分析，将风载荷以面压力的形式加载在塔器表面使塔体振动，计算软件根据上述公式计算液体施加在箱体壁面上的减震力FTU)，并传递到塔体上，在风载荷和液体减振力Frai共同作用下，计算得到塔顶振幅yT1。模拟完成后，制作塔器和阻尼器模型进行实验。施加力使塔器振动，通过压电式加速度传感器得到塔顶振幅yT1，通过动态测试分析仪收集实验数据，最终得到如下结论:
[0034]记液体晃动频率与塔体一阶固有频率之比为频率比。通过调节圆柱箱体的半径r与充液高度h，可改变液体的晃动频率，从而改变频率比。当液体晃动频率与塔体一阶固有频率之比小于I时，随着频率比的增加，阻尼比增加，减振效果变好。当频率比为I时，箱体内液体的运动与塔体的运动呈现π/2的相位差，减振力Ftui最大,减振效果最好。当频率比大于I时，随着频率比的增加，阻尼比减少，减振效果变差。为了保证减振效果，在使用过程中，应设置频率比为1，以获得最优减振效果。
[0035]记阻尼器总质量与塔体自身质量(不含阻尼器质量)之比为质量比μ。通过实验与模拟计算发现，当质量比μ大于2%时，阻尼器箱体半径过大，实际应用中会占用过大的空间；当质量比μ小于2%时，减振效果不理想，故设定阻尼器最优质量比μ为1.7%?2.3%。
[0036]液体阻尼器安装在塔器外部，可采用如下几种形式:
[0037]四个液体阻尼器为一组，呈90°排列，如图3所示。四箱体液体阻尼器结构如图4所示。
[0038]六个液体阻尼器为一组，呈60°排列，如图5所示。六箱体液体阻尼器结构如图6所示。
[0039]十个液体阻尼器为一组，分两层，呈72°排列，如图7所示。十箱体液体阻尼器结构如图8所示。
[0040]箱体进液、排液装置具体安装方式如图2所示。在实际运用中，考虑到在无风季节减轻阻尼器对塔体造成的额外质量负担，本发明采用如下进、排液方案:
[0041]化工塔器的顶部一般均设有冷凝器11，以冷凝塔顶的气相。故箱体进液口 5与塔顶冷凝器11的进水口相连，并通过自动阀9进行控制。在大风季节开启自动阀9，监测远传液位计12使液面达到设定值，起到减振的效果。箱体排液口 6与塔顶冷凝器11的排水口相连，并通过自动阀9进行控制。在无风季节开启自动阀9，排空箱体3内的液体。若塔顶没有冷凝器11，则需加设进液管8与排液管10，如果无法实现管道的安装，可撤去进排液口5和6，但需要定期检查箱体液位。
[0042]在选择阻尼器个数时可根据以下原则选择:
[0043]1、若现场安装位置较小，则选用四个一组的液体阻尼器。若空间较富裕，可选择六个或十个一组的液体阻尼器；
[0044]2、若通过计算发现，选择四个一组的液体阻尼器，箱体半径超过了塔体半径，则选择六个或十个一组的阻尼器以减少箱体半径。
[0045]圆柱液体阻尼器的减振效果随着箱体个数的增加变好。在质量比μ在2%附近、频率比为I的条件下，箱体个数为4时，塔体阻尼比变为原来的5.5倍，此时塔顶振幅yT1可减少81 %。箱体个数为6时，塔体阻尼比变为原来的5.9倍，此时塔顶振幅yT1可减少83%。箱体个数为10时，塔体阻尼比变为原来的6.5倍，此时塔顶振幅yT1可减少85%。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1箱体、支座、塔体具体连接方式；
[0047]图2箱体进液、排液装置具体安装方式；
[0048]图3四箱体圆柱液体阻尼器安装位置简图；
[0049]图4四箱体圆柱液体阻尼器结构简图；
[0050]图5六箱体圆柱液体阻尼器安装位置简图；
[0051]图6六箱体圆柱液体阻尼器结构简图；
[0052]图7十箱体圆柱液体阻尼器安装位置简图；
[0053]图8十箱体圆柱液体阻尼器结构简图。
[0054]其中:1-塔体，2-支座，3-水箱，4-液体，5-进液口，6-排液口，7-垫板，8-进液管，9-自动控制阀门，10-排液管，11-塔顶冷凝器，12-远传液位计
【具体实施方式】
[0055]根据附图对本发明做进一步的详细说明:
[0056]圆柱液体阻尼器由圆柱形箱体3、支座2、进排液口 5和6、远传液位计12、自动控制阀门9构成，阻尼器安装在塔体I顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体上；进液口 5设置于箱体3顶部，排液口 6设置于箱体3底部，如图1所示；远传液位计12安装在液面的设定高度处；自动控制阀门9安装在进液管8与排液管10上，如图2所示。在大风季节，开启自动控制阀门9，使液体达到设定高度以获得最好的减振效果。在无风季节，开启自动控制阀门9使箱体3中液体排出，减少阻尼器对塔体的附加载荷。
[0057]当箱体中液面晃动的频率与塔体一阶固有频率一致时，液体的运动与塔体的运动呈现η/2的相位差，此时液体提供的减振力Frai最大，减振效果最好。所以需设定箱体尺寸以满足频率比为I的要求。
[0058]在确定塔体质量m、阻尼器个数η、质量比μ、液体密度P后，对应任意塔体的一阶固有频率f
[0059]圆柱水箱的半径r、充液高度h可由下列方程解出:
j J?Ij
[0060]f =— j 1.341—toefcl 1.84*1 — I
* 2ττ^!Γ%Tj
[0061]T2U = ~—
enp
[0062]对应于任意一座塔，在知道了塔体的一阶固有频率f后，就可以通过上述两个公式确定圆柱水箱的底面半径r以及充液高度h。且箱体的高度H=L 5h，以保证液面有充足的晃动空间。
[0063]实例I
[0064]本实施例的圆柱液体阻尼器为四箱体的，如图3和图4所示。设置质量比μ为2.3%,设置频率比为I。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H= 1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体I顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体I上；进液口 5设置于箱体3顶部,排液口 6设置于箱体3底部。由实验验证,此时塔体阻尼比变为原来的5.5倍，塔顶振幅yT1可减少81 %。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为2.3%、频率比为I的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅yT1可减少约81 %。
[0065]实例2
[0066]本实施例的圆柱液体阻尼器为六箱体的，如图5和图6所示。设置质量比μ为
2.1%，设置频率比为I。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H = 1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体I顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体上；进液口 5设置于箱体3顶部，排液口 6设置于箱体3底部。由实验验证，此时塔体阻尼比变为原来的5.9倍，塔顶振幅yT1可减少83%。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为2.1%,频率比为I的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅yT1可减少约83%。
[0067]实例3
[0068]本实施例的圆柱液体阻尼器为十箱体的，如图7和图8所示。设置质量比μ为1.9%，设置频率比为I。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H = 1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体I顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体上；进液口 5设置于箱体3顶部,排液口 6设置于箱体3底部。由实验验证,此时塔体阻尼比变为原来的6.5倍，塔顶振幅yT1可减少85%。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为1.9%、频率比为I的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅yT1可减少约85%。
[0069]实例4
[0070]本实施例的圆柱液体阻尼器为四箱体的，如图3和图4所示。设置质量比μ为1.7%，设置频率比为0.9。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H= 1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体I顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体I上；进液口 5设置于箱体3顶部，排液口 6设置于箱体3底部。由实验验证，此时塔体阻尼比变为原来的4.8倍，塔顶振幅yT1可减少79%。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为1.7%、频率比为0.9的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅yT1可减少约79%。
[0071]实例5
[0072]本实施例的圆柱液体阻尼器为十箱体的，如图7和图8所示。设置质量比μ为
2.3%，设置频率比为1.1。在获得塔体自身质量m和塔体一阶固有频率f后，根据质量比和频率比两个条件由公式计算出箱体半径r和充液高度h。设置箱体高度H= 1.5h以保证液面有充足的晃动空间。将阻尼器安装在塔体I顶部。圆柱形箱体3与支座2同为有机玻璃制作，通过粘接固定；支座2与垫板7通过螺栓连接，垫板7焊接在塔体上；进液口 5设置于箱体3顶部，排液口 6设置于箱体3底部。由实验验证，此时塔体阻尼比变为原来的3.6倍，塔顶振幅yT1可减少72%。利用ANSYS与CFX进行双向流固耦合分析，根据实验模型尺寸建立有限元模型。其中固体部分在ANSYS软件中计算，采用SOLID单元建立塔体及圆柱液体阻尼器固体部分的有限元模型，其中塔体的单元材料参数与碳钢一致，圆柱箱体的单元材料参数与有机玻璃一致；流体部分在CFX软件中通过流体单元建立空气和水的流体域来模拟。圆柱箱体的尺寸r和充液高度h满足阻尼器总质量与塔体自身质量之比为2.3%、频率比为1.1的条件。模拟计算与实验结果一致，塔顶振幅yT1可减少约72%。
【权利要求】
1.一种塔器防振用圆柱形液体阻尼器，其特征是由圆柱形箱体、支座、进排液口、远传液位计和自动控制阀门构成；圆柱形箱体与支座通过粘接固定；支座与垫板通过螺栓连接，垫板焊接在塔体上；进液口设置于箱体顶部，排液口设置于箱体底部；远传液位计安装在液面的设定位置；自动控制阀门安装在排液管与进液管上；阻尼器呈对称排列。
2.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是阻尼器个数选用4个、6个或10个。
3.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是圆柱形箱体与支座同为有机玻璃材料。
4.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是阻尼器安装在塔体顶部。
5.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是阻尼器总质量与塔体自身质量之比为1.?%?2.3%。
6.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是圆柱形箱体的高度为1.5倍液高，保证液面有充足的晃动空间。
7.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是箱体内液体晃动频率与塔体一阶固有频率之比为0.9?1.1。
8.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是塔顶没有冷凝器时，需加设进排水管道。
9.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是无法加设进排水管道时，撤去进排液口，但需要定期检查箱体液位。
10.如权利要求1所述的圆柱形液体阻尼器，其特征是阻尼器安装高度最低不得小于2/3塔高。
【文档编号】F16F9/10GK104154159SQ201410348560
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】谭蔚, 徐乐, 田雅婧 申请人:天津大学