擾流防舞器直徑對防舞效果的影響

擾流防舞器直徑對防舞效果的影響

在電網(wǎng)完全冷卻后，導(dǎo)線在風(fēng)負(fù)荷作用下會發(fā)生變化。這是一種低頻率、強烈的自激振動。振動可能導(dǎo)致電、金屬絲、導(dǎo)線斷裂、桿塔等輕微的自激振動，這嚴(yán)重危害。為了避免動亂的發(fā)生，許多國家的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了各種舞蹈預(yù)防措施，如壓重、抗噪聲、振動輪廓、干擾噪聲和反跳反舞器等。其中，抗壓舞器可以提高導(dǎo)線的質(zhì)量，增加動態(tài)旋轉(zhuǎn)的輪廓，并減少動態(tài)旋轉(zhuǎn)的振幅范圍。缺點是，當(dāng)風(fēng)速超過輪廓的風(fēng)速時，導(dǎo)線仍然會移動，振動的范圍比沒有壓力源的舞動率更大。失聲搖擺和抑聲環(huán)可以提高導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)的固有頻率，并且不符合橫向振動的頻率，因此不能抑制跳舞。分散配置的失聲擺舞效果不理想，后部配置的失聲桿不能直接用于舞蹈。這表明，抗彎誤差通過壓力密度的方法不能顯著提高扭曲誤差的頻率，但由于重量的增加，這種方法在隨后的幾次舞蹈中發(fā)揮了良好的抗舞作用。結(jié)果表明，失聲桿通過壓力密度的方式可以抑制跳舞。由于強調(diào)導(dǎo)線阻力系數(shù)，空氣動力學(xué)阻力器可以增加導(dǎo)線阻力系數(shù)來抑制舞蹈。缺點是它顯著地增加了導(dǎo)線的氣動力負(fù)荷。干擾流量避聲器是利用金屬或塑料制成的、用螺釘在導(dǎo)線上旋轉(zhuǎn)的干擾流量避聲器。干擾流避聲器由金屬或塑料制成，以旋轉(zhuǎn)到掃掠器和導(dǎo)線的干擾流量繩子。干擾流避聲器與導(dǎo)線組成的主體截面不同，因此，每個截面上的空氣動態(tài)能量將共同抵消，從而達到抑制欺詐的目的。由于干擾流量避聲器通常采用輕材料制成，導(dǎo)線重量的增加很小，干擾流避聲器無法像空氣動力學(xué)阻尼器那樣顯著增加導(dǎo)線的氣動力負(fù)荷。因此，干擾流避聲器是一種經(jīng)濟有效的舞動器，可以廣泛應(yīng)用于我國。惲俐麗等以新月形覆冰導(dǎo)線的氣動力系數(shù)為依據(jù),通過理論方法近似計算安裝擾流防舞器后覆冰導(dǎo)線截面的氣動力系數(shù),沒有考慮沿著導(dǎo)線方向的三維流效應(yīng),對安裝擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線截面形狀作了較大近似.劉文杰用尼龍繩模擬導(dǎo)線、聚氯乙烯軟管模擬擾流防舞器,進行輸電導(dǎo)線及安裝了擾流防舞器的輸電導(dǎo)線的風(fēng)振響應(yīng)試驗;試驗結(jié)果表明,擾流防舞器使得導(dǎo)線風(fēng)振響應(yīng)振幅大大減小.迄今為止,對擾流防舞器導(dǎo)致的氣動力改變以及防舞效果的試驗和理論研究非常有限.本文對新月形覆冰輸電導(dǎo)線、安裝了擾流防舞器的無覆冰導(dǎo)線及安裝了3種不同直徑的擾流防舞器的新月形覆冰輸電導(dǎo)線分別進行風(fēng)洞試驗,測定它們的三分力氣動力系數(shù)曲線,根據(jù)鄧哈托舞動理論和尼戈爾扭轉(zhuǎn)舞動理論研究擾流防舞器的防舞效果及擾流防舞器直徑對防舞的影響.1氣動輪廓、高度美國線路預(yù)制器件公司于1979年最早研制了擾流防舞器,該防舞器的長度為4.3m,由干擾段和兩端的握固段組成,如圖1所示.干擾段是擾流防舞器起防舞作用的部分,由擾流繩在導(dǎo)線上螺旋纏繞2圈組成,長度為3.6m,可使導(dǎo)線所受氣動力在各個截面彼此抵消;握固段的作用是將導(dǎo)線固定在導(dǎo)線上,每端握固段的長度為0.35m.以該防舞器的一個節(jié)距作為試驗對象,即擾流繩在導(dǎo)線上纏繞一圈.試驗在大連理工大學(xué)風(fēng)洞實驗室(DUT-1)進行,該風(fēng)洞是一座全鋼結(jié)構(gòu)單回流閉口式邊界層風(fēng)洞,采用全自動化的測量控制系統(tǒng).風(fēng)洞氣動輪廓長43.8m,寬13.1m,最大高度為6.18m;試驗段長18m,橫斷面寬3m,高2.5m,空風(fēng)洞最大設(shè)計風(fēng)速為50m/s.試驗的測力系統(tǒng)采用日本NITTA公司制造的IFS智能力覺感測系統(tǒng),型號為IFS-45E12A-25I-63EX,該系統(tǒng)為六分力式高頻測力天平系統(tǒng),量程為水平力Fx=100N、Fy=100N,豎向力Fz=200N,扭矩Mx=My=Mz=11N·m,測力精度為1/16384.利用空心圓鋼管來模擬輸電導(dǎo)線.覆冰采用原子灰制作,它具有常溫下固化干燥速度快、附著力強、易打磨等特點,即先將原子灰附著在鋼管上,然后將原子灰打磨成覆冰的形狀.擾流防舞器采用粗繩制作,利用固體膠將擾流防舞器粘在鋼管上.將鋼管豎直放在風(fēng)洞的試驗段內(nèi),下端焊接在一塊方形鋼板上.通過由同步伺服電機和傳統(tǒng)機構(gòu)組成的角度轉(zhuǎn)動機構(gòu)來改變風(fēng)攻角.試驗?zāi)Ｐ头譃?類,共5種工況.工況1:沒有安裝擾流防舞器的覆冰輸電導(dǎo)線的試驗?zāi)Ｐ烷L度為1m,外徑為35mm.覆冰形式為易于發(fā)生舞動的新月形覆冰,最大覆冰厚度為21mm.模型截面及風(fēng)攻角示意圖如圖2所示.工況2:安裝了擾流防舞器的無覆冰輸電導(dǎo)線的試驗?zāi)Ｐ烷L度為1.8m,外徑為33.6mm;擾流防舞器在試驗導(dǎo)線上纏繞一圈,擾流繩的直徑為0.75D(26mm),其中D為試驗導(dǎo)線直徑.工況3~5:安裝了擾流防舞器的覆冰輸電導(dǎo)線試驗?zāi)Ｐ烷L度為1.8m,外徑為33.6mm;新月形覆冰,最大覆冰厚度為21mm;擾流防舞器在導(dǎo)線上纏繞一圈,擾流繩的直徑分為0.5D(16mm)、0.75D(26mm)及1.0D(34mm)3種情況.將安裝了擾流防舞器后的覆冰輸電導(dǎo)線延長度平均分為8等分,8個等分截面的示意圖和導(dǎo)線在風(fēng)洞中的試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示.2導(dǎo)線風(fēng)動力量表1,以5m/s的均勻風(fēng)風(fēng)速對覆冰導(dǎo)線的氣動力系數(shù)影響較小,可取試驗風(fēng)速為導(dǎo)線易于發(fā)生舞動的4~20m/s的任意風(fēng)速;通常不考慮湍流對氣動力系數(shù)的影響.結(jié)合以上兩點,以15m/s的均勻風(fēng)作為試驗風(fēng)速,湍流度很小,接近于零.風(fēng)對導(dǎo)線的作用力可以分解為3個分量,即:順風(fēng)向的阻力FD、垂直于風(fēng)向的升力FL和繞導(dǎo)線中心的扭矩M.將氣動力量綱一化,得到氣動力參數(shù)如下:CD=FD/(0.5ρu2DL),CL=FL/(0.5ρu2DL),CM=M/(0.5ρu2D2L).式中:CD、CL及CM分別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)及扭矩系數(shù),ρ為空氣密度,u為風(fēng)速,D為導(dǎo)線直徑,L為導(dǎo)線試驗段長度.2.1風(fēng)攻角對于覆冰導(dǎo)線升力系數(shù)的影響根據(jù)模型的對稱性測定風(fēng)攻角α=0°~180°、步長為5°的導(dǎo)線的氣動力系數(shù)曲線,如圖4所示.可知,阻力系數(shù)曲線呈現(xiàn)出兩端低中間丘狀突起的形狀,這反映了新月形覆冰導(dǎo)線在α=0°和α=180°時迎風(fēng)面積最小,當(dāng)α=90°時迎風(fēng)面積最大.當(dāng)α=180°和α=0°時迎風(fēng)面積雖然相同,但由于當(dāng)α=180°時迎風(fēng)面不如α=0°時接近于流線形,當(dāng)α=180°時的阻力系數(shù)略大于α=0°時的阻力系數(shù).由于對稱性,0°及180°風(fēng)攻角時升力系數(shù)均接近于零.當(dāng)風(fēng)攻角從0°增大到20°時,覆冰導(dǎo)線的上部輪廓線越來越不接近流線形,在分離點后會形成尾渦,而在此攻角范圍之內(nèi),覆冰導(dǎo)線的下部輪廓線仍然接近于流線形,渦脫落沒有上部明顯,因此,此風(fēng)攻角范圍內(nèi)升力系數(shù)隨風(fēng)攻角增大而增大.當(dāng)風(fēng)攻角超過20°以后,覆冰導(dǎo)線所受正壓區(qū)域在水平面上的投影面積越來越小,因此,導(dǎo)線所受的升力系數(shù)逐漸減小,當(dāng)α=80°時升力系數(shù)大致減小為零.當(dāng)風(fēng)攻角超過90°后,升力系數(shù)為負(fù),這是因為覆冰導(dǎo)線的上部區(qū)域所受壓力為正,尾渦在輪廓線的下部,正壓區(qū)域的面積和導(dǎo)線所受向下的正壓力越來越大,升力系數(shù)逐漸減小.當(dāng)風(fēng)攻角超過130°以后,覆冰導(dǎo)線輪廓線逐漸接近于流線形,尾渦越來越小,升力系數(shù)慢慢趨近為零.當(dāng)風(fēng)攻角超過160°以后升力系數(shù)變?yōu)檎?這說明尾渦重新出現(xiàn)在輪廓的上部,當(dāng)風(fēng)攻角為170°時升力系數(shù)達到極大值,然后很快減小為零.與升力系數(shù)曲線類似,由于對稱性,當(dāng)風(fēng)攻角為0°和180°時扭矩系數(shù)均接近于零.當(dāng)α=0°~30°時導(dǎo)線的扭矩系數(shù)基本為零,當(dāng)α=0°~90°時,導(dǎo)線所受阻力的作用點在導(dǎo)線形心的上部,阻力的力臂和阻力系數(shù)越來越大,所以扭矩系數(shù)逐漸增大.當(dāng)α=90°~130°時,導(dǎo)線所受升力的作用點在導(dǎo)線形心的右部,升力的力臂和向下的升力越來越大,因此,導(dǎo)線所受的扭矩繼續(xù)增大.在風(fēng)攻角超過130°后,雖然升力力臂繼續(xù)增大,但阻力和向下的升力都減小,扭矩系數(shù)逐漸減小.2.2對風(fēng)攻角的影響在安裝了擾流防舞器后,無覆冰時導(dǎo)線的截面由不會發(fā)生舞動的圓形變?yōu)橛?個相切的圓組成的組合截面,測定當(dāng)α=0°~360°時安裝了擾流防舞器的無覆冰導(dǎo)線的氣動力系數(shù),如圖5所示.可知,阻力系數(shù)關(guān)于180°風(fēng)攻角對稱,0°~180°風(fēng)攻角范圍內(nèi)阻力系數(shù)最大值約為1.5,最小值約為1.1.升力系數(shù)曲線大致關(guān)于180°風(fēng)攻角反對稱,在0°~180°風(fēng)攻角下升力系數(shù)最大值約為0.3,最小值約為-0.1,升力系數(shù)較平緩.扭矩系數(shù)曲線大致關(guān)于180°風(fēng)攻角反對稱,在0°~180°風(fēng)攻角下升力系數(shù)最大值約為0,最小值約為-0.25.根據(jù)鄧哈托舞動理論可知,當(dāng)鄧哈托系數(shù)St=CD+ue014CL/ue014α<0時導(dǎo)線會發(fā)生鄧哈托橫風(fēng)向舞動.安裝了擾流防舞器的無覆冰導(dǎo)線的鄧哈托系數(shù)如圖6所示.可知,在安裝了擾流防舞器后無覆冰導(dǎo)線的鄧哈托系數(shù)在所有風(fēng)攻角下都大于零,因此,擾流防舞器的安裝不會使導(dǎo)線在沒有結(jié)冰時發(fā)生鄧哈托橫風(fēng)向舞動.根據(jù)尼戈爾扭轉(zhuǎn)舞動理論可知,當(dāng)導(dǎo)線的扭矩系數(shù)曲線斜率為負(fù)時導(dǎo)線可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)舞動.由圖5可知,當(dāng)α=0°~50°及310°~360°時扭矩系數(shù)斜率為負(fù)值,負(fù)斜率的絕對值不大,約為0.4.導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)機械阻尼和氣動力阻尼的合值為式中:ζαT為總扭轉(zhuǎn)阻尼,I為轉(zhuǎn)動慣量,ζα為扭轉(zhuǎn)機械阻尼比,ωα為扭轉(zhuǎn)角頻率.LHGJT-440導(dǎo)線外徑約為33mm,與試驗導(dǎo)線接近.該導(dǎo)線每米的轉(zhuǎn)動慣量I=3.6×10-4kg·m2,截面扭轉(zhuǎn)剛度為GJp=400N·m2·rad-1,ζα取0.06.當(dāng)扭轉(zhuǎn)系數(shù)的負(fù)斜率絕對值最大為0.4時,計算得到當(dāng)導(dǎo)線跨度為100m時導(dǎo)線發(fā)生扭轉(zhuǎn)舞動的風(fēng)速最小為102m/s,當(dāng)跨度為400m時導(dǎo)線發(fā)生扭轉(zhuǎn)舞動的最小風(fēng)速為25.5m/s,檔距越大,扭轉(zhuǎn)舞動的臨界風(fēng)速越小;因此,擾流防舞器在檔距越小的情況下越安全,檔距越大越不安全.2.3覆冰導(dǎo)線風(fēng)攻角對稱軸升力系數(shù)曲線的影響安裝了3種不同直徑的擾流防舞器的新月形覆冰輸電導(dǎo)線的氣動力系數(shù)曲線如圖7所示.由圖7(a)可知,安裝了0.75D及1.0D直徑擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線的阻力系數(shù)曲線差別不大,它們都關(guān)于180°風(fēng)攻角對稱.當(dāng)α=0°~180°時的阻力系數(shù)曲線與沒有安裝擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線的阻力系數(shù)曲線形狀相同,但阻力系數(shù)大于沒有安裝擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線的阻力系數(shù),這是因為擾流防舞器增大了導(dǎo)線的迎風(fēng)面積.安裝了0.5D直徑擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線的阻力系數(shù)曲線稍有不同,它的對稱軸大致在160°風(fēng)攻角,比0.75D及1.0D時的阻力系數(shù)曲線陡峭,最大值和最小值都略大一些.由圖7(b)可知,在3種情況下的升力曲線形狀比較相似,從趨勢上看它們都關(guān)于180°風(fēng)攻角反對稱,但數(shù)值上只有1.0D直徑的情況比較吻合,其他2種直徑的情況不吻合.與圖4對比可知,當(dāng)α=0°~180°時安裝了擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線的升力系數(shù)曲線與沒有安裝擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線的升力曲線形狀很相似,都在α=20°時有最大升力系數(shù),當(dāng)α=20°~120°時升力系數(shù)都隨風(fēng)攻角增大而減小,均在α=170°時有一升力系數(shù)極大值.比較3種直徑對應(yīng)的升力系數(shù)曲線可知,當(dāng)α=20°~120°時0.75D直徑下的升力曲線下降最平緩,當(dāng)α=160°~180°時0.75D直徑下的升力曲線幾乎沒有下降.可以看出,0.75D直徑的擾流防舞器的防舞效果比另外2種直徑好.由圖7(c)可知,0.75D與1.0D直徑擾流防舞器對應(yīng)的扭矩系數(shù)曲線均大致關(guān)于180°風(fēng)攻角反對稱,0.5D直徑的扭矩系數(shù)曲線偏差較大.與圖4比較可知,當(dāng)α=0°~180°時,直徑為0.75D的擾流防舞器對應(yīng)的扭矩系數(shù)曲線與覆冰輸電導(dǎo)線的扭矩系數(shù)曲線趨勢最接近,它們均在α=120°附近有最大的扭矩系數(shù),其他2種情況則是在α=50°附近扭矩系數(shù)最大.比較3種直徑擾流防舞器對應(yīng)的扭矩系數(shù)曲線可知,0.75D直徑的擾流防舞器的扭矩系數(shù)曲線最平緩,它的最大值和最小值均小于另外2種情況,因此,從尼戈爾扭轉(zhuǎn)舞動機理來看,0.75D直徑的擾流防舞器的效果優(yōu)于另外2種直徑.2.4擾流防舞器直徑的影響覆冰輸電導(dǎo)線及安裝了不同直徑擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線的鄧哈托系數(shù)如圖8所示.沒有安裝擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線在α=20°、170°~185°及335°時鄧哈托系數(shù)都小于零,因此覆冰導(dǎo)線若不安裝擾流防舞器則容易發(fā)生鄧哈托橫風(fēng)向舞動.安裝了0.5D直徑擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線僅當(dāng)α=155°時鄧哈托系數(shù)才小于零,安裝了1.0D直徑擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線僅當(dāng)α=55°時鄧哈托系數(shù)才略小于零,而安裝了0.75D直徑擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線在任何風(fēng)攻角時鄧哈托系數(shù)均大于零,因此,3種直徑的擾流防舞器都具有一定的防舞效果,其中以0.75D直徑的擾流防舞器的防舞效果為最佳.這與美國線路預(yù)制器件公司推薦擾流防舞器直徑為導(dǎo)線直徑的0.75倍是完全吻合的.覆冰導(dǎo)線及安裝了3種不同直徑的擾流防舞器的覆冰導(dǎo)線的扭矩系數(shù)斜率k曲線,如圖9所示.可知,無論有沒有安裝擾流防舞器,覆冰導(dǎo)線的扭矩系數(shù)負(fù)斜率的風(fēng)攻角范圍都比較大,特別是當(dāng)安裝直徑為0.5D及1.0D的擾流防舞器時扭矩系數(shù)曲線負(fù)斜率的范圍大于沒有擾流防舞器的情況,0.75D直徑擾流防舞器的扭矩系數(shù)曲線負(fù)斜率的范圍與沒有擾流防舞器的情況差不多.雖然擾流防舞器不能減小扭矩系數(shù)曲線負(fù)斜率的范圍,但擾流防舞器可使扭矩系數(shù)曲線負(fù)斜率的絕對值減小,當(dāng)無擾流防舞器時扭矩系數(shù)曲線負(fù)斜率的絕對值最大約為1.75,而當(dāng)安裝直徑為0.5D的擾流防舞器時扭矩系數(shù)曲線負(fù)斜率的絕對值最大值下降約1.25,當(dāng)安裝直徑為0.75D的擾流防舞器時扭矩系數(shù)曲線負(fù)斜率的絕對值最大值下降約0.8,當(dāng)安裝