PDF《大流量下文氏管路激振的诊断与分析》

第17卷增刊 2004年8月振动工程学报Journal of Vibration Engineering V01.

17 NO.S Aug.2004 大流量下文氏管路激振的诊断与分析 邢桂菊1 李文忠1 李晓杰2 白敏丽2 (1鞍山科技大学材料科学与工程学院鞍山,114044)(2大连理工大学工程力学系和动力系大连,116023) 摘要本文采用DY一3动态数据采集分析系统,对一大型热风炉振动的助燃空气输送管路进行了综合诊断分 析,指出在大流量气体的输送条件下,管路上垂直安装的文氏流量管是振动的要害部位,以及系统激振力频率和管 路结构的共振危险频率.并通过流体流动的数值模拟,进一步揭示了流动激振机制,为高炉热风炉必要的二次工程 设计提供了有意义的借鉴. 关键词:文氏管;

热风炉;

输送管路;

共振频率;

激振力 中图分类号;

032 热风炉是向高炉冶炼提供热风的钢铁企业重要 的大型热工设备,它拥有许多管路,承担着各种高负 荷、大流量流体的输送任务.其中包括燃料气体和助 燃空气等管路系统.为了满足生产工艺上的要求,往 往需要将某段管路设置成各种角度的转弯、变径,或 者安装阀门、膨胀圈,以及加固定支承之类.文氏管 流量计是测定大流量流体的计量装置,由于它的收 缩和扩张管段的结构特征,使之具有特殊的流体力 学行为,如二次环流或边界层脱离的壁窝产生,会形 成一种激振力L1~2],当它与气源激振力如风机或煤 气管网压力波动频率、燃烧不稳定脉动频率[3 ]、以 及整个管路系统固有频率成分相重合或接近时,就 会出现复杂的耦合频率效应,导致共振现象的发生. 输送管路的振动问题涉及到很多的领域,又如 航空航天、海洋船舶、石油化工、核动力等.国内外有 大量的相关研究口~8].但是就钢铁冶金领域来说,还 很少有人对普遍使用的文氏流量管激振问题加以研 究.本文为了探讨某一热风炉输送助燃空气管路系 统在大流量下运转时出现强烈振动的成因机制,采 用实测和数值模拟的方法加以综合诊断和分析.

1 测试研究 1.1测试设备 测试仪器为DY一3便携式动态数据采集分析系 统,该系统可以根据需要设置若干个通路,每个通路 均安装有自动程序控制放大器,放大倍数为680倍. 系统配有大型组态豪华软件DASYLab.测量探头采 收稿日期:2004―04―30 用ADXI.105型力平衡式微机械加速度传感器,与 相应的放大器配合,其最高分辨率可达到牡g级,测 量范围在一5 g~+5 g之间,动态范围从直流到几 百赫兹,在整个测量范围内,非线性误差小于4-_0. 2%,横向灵敏度小于0.5%. 1.2测试诊断对象 主要以热风炉的一段助燃空气支管路为测试对 象.该管路具有3个90.弯管和1个文氏流量管段,在 上下3个部位安装了若干测量探头,见图I.某工况 测试参数为:助燃空气流量66

000 Nm3/h,预热温度 170.C,直管段直径1.8 m,平均流速21 m/s,收缩段 直径1 m,平均流速38 m/s,雷诺数最大值为1

203 000.同时对风机运转信号进行了测试评价. 测点1 测点2 点3 图1 管路特征和主要测试位置 I.3测试分析方法和结果 改变助燃空气输送量,由DY一3便携式动态数 据采集仪采集大小不同流量下各个测点信号,进行 万方数据 增刊 邢桂菊等:大流量下文氏管路激振的诊断与分析 以下数据处理和分析. (1)由时域分析,比较各测点信号振动幅值的大 小,得出中部文氏流量管处测点2的信号和下部弯 管处测点3的信号强度均远远大于上部测点1,可以 初步判定管系振动要害部位的大致范围. (2)根据函数的自相关和互相关性质,判断测点 信号的性质和两测点信号间在不同时刻的相似程度 等.3个位置的测点与风机测点信号呈相同周期性, 且具有100%的相关性,说明含有相同的激振力因 素. (3)对各测点时域信号进行频谱分析(FFT),得 出信号的频率结构和各频率分量的大小.各测点的 频率结构成分与助燃风机运转频率结构的主要成分 相同.即1.95 Hz,3.91 Hz,5.86 Hz,7.81 Hz,9.77 Hz.再将风机运转频率与管系测点平均幅值相对 比,得知风机运转频率是管系的基本激振力因素,管 系频率的高幅值是与其耦合叠加的结果. (4)用最大峰值统计法统计各频率成分在各种 幅值水平下的出现的波峰数值,称为频次门.在振动 时亥4具有高幅值频次的测点,是最危险的.得到测点 2是管路振动的要害部位的充分依据.图2为各测点 在各频率成分、4个幅值水平上出现的总频次曲线, 可见第2测点位居最高,为振动的要害部位;

特别对 7.81 Hz,第2测点具有0.6 V的幅值频次独自遥遥 领先,进一步说明在该工况下这个要害部位的危险 频率成分为7.81 Hz,见图3. 图2各测点在各幅值水平下的总频资数 2管内流动数值模拟 对所测试的管段进行流动数值分析,从流体力学 行为中认识其激振力的作用.以图1所示的助燃空气 流动管路为物理模型,以实际操作参数为计算依据, 采用标准的K~￡方程、三维稳态的湍流控制方程组, 视助燃空气为不可压缩,进行了流动数值模拟. 图3各测点在7.81 Hz不同幅值下的频次数 为了证明管路中的文氏流量管段的流动特殊 性,对入口收缩到出口扩张段的区域,进行了切面剖 析,其各剖面均垂直于管中心.它的流动特征为: (1)在文氏管的入口和出口截面,均出现二次环 流或壁涡流,见图4中的(a)、(b).这是造成流动不 稳定的现象之一. (2)整个文氏管区域段大约有7 m左右,此间气 流流动呈现非线性的轴向脉动.气流先是向管中心 汇集,然后向管四周膨胀,接着又汇集,膨胀,呈渐密 (e) (D 图4文氏管区域段各个剖面流向和速度分布 万方数据

1160 振动工程学报第1 7卷 型的非周期性.见图4中的(c)、(d)、(e)、(f).它们 分别距离文氏管收缩段人口截面0.5 m、2.5 m、3.5 m、5.5 m.这种非周期性的汇集、膨胀、汇集而又膨 胀气流,对管壁必然施加以强烈的激振作用力;

反之 管壁及整个结构的振动又对气流造成极大地影响, 再继续实施于振动的管系. (3)轴向的速度梯度大于径向,径向的压差梯度 大予轴向.从而形成更加复杂而激烈的三维湍流流 动.

3 结论(1)热风炉助燃空气管路测点上的振动频率成 分与风机运转频率成分相一致,助燃风机运转是引 发振动的基本条件.输送助燃空气的管路结构的固 有频率信号加强,形成了共振的充要条件. (2)在大流量下文氏流量管段处于复杂而激烈 的三维湍流流动状态,集二次流、轴向非线性脉动流 于一体,构成了振动的要害部位,同时7.81 Hz在所 测定的工况下是危险频率. (3)风机的运转、管系结构与流体流量会影响输 送流体脉动力,反过来流体脉动力又会激励于管路 系统. 在大流量条件下,文氏流量管中的流速达到一 定值,是激励管路系统共振极其关键的因素,应该引 起人们注重二次工程设计. 参考文献11wao akiyama,kunio okiura,akira baba,et a1.Combus― tion・-driven oscillation in a furnace with multispud―-type gas burner(2nd Report,Oscillation Condition in an Op― posed―Firing Furnace).日本机械学会论文集(B编). 1992,58(555):3 477―3

481 2 Shinichi kagiya,koji hase.Effect of velocity fluctuation in an unburnt mixture flow on combustion noise.日本机 械学会论文集(B编).1997,63(614):3426--3431 3刘息族.孙玉东,吴有生.管道流固耦合振动及声传播的 研究现状及展望.船舶力学,2001,5(2):82―89 4邢桂菊,李晓杰,白敏丽.热风炉系统振动管路的流体力 学行为分析.冶金能源,2004,23(3):26―30 5[日]生井武文,井上雅弘(伊增欣译.崔荣林校).粘性流 体力学.北京:海洋出版社,1984:140一154

6 M P Paidoussis,J P Denise.Flutter of thin cylindrical shells conveying fluid.Transactions of the ASME. Sound&

vibration,1972;

20(1):9―26

7 D S Weaver,T E Unny.On The dynamic stability of flu― id―conveying pipes.Transactions of the ASME,Journal of Applied Mechanics,1 973,40:48―52 8王秉仁,李晓云,何青.送风管道振动的诊断与消除.嗓 音与振动控制,1995;

(1):31―35 Diagnosis and Analysis of the Simulation Effect and Vibration of Venture with Large Flow Volume Xing Guijul Li Wenzhon91 Li Xiaojie2 Bai Minli2 (1 College of Material Science and Engineeringi Anshan University of Science and Technology Anshan,114044) (2Department of Engineering Mechanics and Department of Power Engineering,Dalian University of Technology Dalian,116023) Abstract The paper overall diagnoses and analyzes the vibrating ducts fixed in a large scale hot blast stove system by using DY一3 dynamic data acquisition and analysis system.These ducts are used to transport oxidizer.The venturi installed vertical― ly is pointed out tO be the vital part for arousing ducts vibration under large flow volume condition.The system stimulation force frequency and ducts structure resonant dangerous frequency are also exposed.Computation fluid dynamics techniques are used to effectively illuminate the flow stimulation effect and vibration mechanism.The research here is very significant for the second necessary engineering design of ducts system of hot blast furnace. Key words:Venturi;

hot blast furnace;

transportation ducts;

resonant frequency;

stimulation force 第一作者邢桂菊女,教授,1955年生.

电话:(0412)5929555;

E―mail:[email protected] 万方数据 大流量下文氏管路激振的诊断与分析 作者: 邢桂菊, 李文忠, 李晓杰, 白敏丽, Xing Guiju, Li Wenzhong, Li Xiaojie, Bai Minli 作者单位: 邢桂菊,李文忠,Xing Guiju,Li Wenzhong(鞍山科技大学材料科学与工程学院,鞍山,114044) , 李晓杰,白敏丽,Li Xiaojie,Bai Minli(大连理工大学工程力学系和动力系,大连 ,116023) 刊名: 振动工程学报 英文刊名: JOURNAL OF VIBRATION ENGINEERING 年,卷(期): 2004,17(z2) 引用次数: 1次 参考文献(8条) 1.Iwao akiyama.kunio okiura.akira baba Combustion-driven oscillation in a furnace with multispud- type gas burner

1992 2.Shinichi kagiya.koji hase Effect of velocity fluctuation in an unburnt mixture flow on combustion noise

1997 3.刘忠族.孙玉东.吴有生 管道流固耦合振动及声传播的研究现状及展望[期刊论文]-船舶力学 2001(2) 4.邢桂菊.李晓杰.白敏丽 热风炉系统振动管路的流体力学行为分析[期刊论文]-冶金能源 2004(3) 5.生井武文.井上雅弘.伊增欣.崔荣林 粘性流体力学

1984 6.M P Paidoussis.J P Denise Flutter of thin cylindrical shells conveying fluid

1972 7.D S Weaver.T E Unny On The dynamic stability of fluid-conveying pipes.Transactions of the ASME

1973 8.王秉仁 送风管道振动的诊断与消除[期刊论文]-噪声与振动控制 1995(1) 相似文献(5条) 1.期刊论文 邢桂菊.李晓杰.白敏丽.尚策.李文忠.XING Gui-ju.LI Xiao-jie.BAI Min-li.SHANG Ce.LI Wen-zhong 热风炉输送管路内涡流激振作用的流动特征 -钢铁2005,40(9) 以具有3个90°弯头和1个文氏管为特征的鞍钢新1号高炉热风炉助燃空气输送管路为物理模型,进行了流场仿真计算,预测到圆管内二次流旋涡、边界 层分离的壁涡以及纵向旋转变化等同时存在的复杂流动特征,与过去的研究结果相一致,证实了管路中旋涡和非线性汇集、膨胀流与管壁之间的相互作用 ,是造成热风炉管路系统出现共振的激振力之一.从而提醒人们要注重合理的管路设计与工艺参数的结合,同时为热风炉系统的振动诊断分析提供了一种依 据和方法. 2.会议论文 邢桂菊.李文忠.李晓杰.白敏丽 大流量下文氏管路激振的诊断与分析

2004 本文采用DY-3动态数据采集分析系统,对一大型热风炉振动的助燃空气输送管路进行了综合诊断分析,指出在大流量气体的输送条件下,管路上垂直安 装的文氏流量管是振动的要害部位,以及系统激振力频率和管路结构的共振危险频率.并通过流体流动的数值模拟,进一步揭示了流动激振机制,为高炉热 风炉必要的二次工程设计提供了有意义的借鉴. 3.期刊论文 邢桂菊.武永刚.XING Gui-Ju.WU Yong-Gang 热风炉管路模型共振与极限共振的频谱特征 -物理测试 2007,25(6) 以高炉热风炉输入管路为背景,按1:120比例建立了有多个90°转弯和一个文氏管的水力模型,考察了不同入口流速激励下管路共振和极限................