馬永佳 劉德權(quán)

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

隨著我國電力建設(shè)的迅猛發(fā)展，高速汽輪機(jī)(轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min)以其高效率、低能耗的優(yōu)點(diǎn),在火力發(fā)電廠的應(yīng)用越來越多，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)行的國家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GBJ 40—79動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范及DL 5022—2012火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定對(duì)于汽輪機(jī)組基礎(chǔ)有關(guān)動(dòng)力反應(yīng)的條文均將轉(zhuǎn)速限制在3 000 r/min以下，對(duì)于轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min的高速汽輪機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尚無規(guī)定。本文以實(shí)際工程為例，通過用SAP2000有限元軟件分析框架式基礎(chǔ)在機(jī)器擾力作用下的動(dòng)力響應(yīng)，研究有限元?jiǎng)恿Ψ治龇ㄔ诟咿D(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的適用性。

1 振動(dòng)控制要求

1.1 動(dòng)力分析的目標(biāo)

動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)動(dòng)力分析的目標(biāo)[1]，是要使機(jī)組在正常使用時(shí)，其振動(dòng)限值控制在容許范圍內(nèi)，從而滿足機(jī)器的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，確保操作人員的良好工作環(huán)境，以及避免或減少振動(dòng)對(duì)周圍建、構(gòu)筑物或儀器、儀表等的不良影響，達(dá)到適用、安全且經(jīng)濟(jì)合理的要求。

1.2 振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

我國現(xiàn)行動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]通過限制基礎(chǔ)的振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度來控制基礎(chǔ)的動(dòng)力性能，高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的振動(dòng)控制值[3,4]取總振動(dòng)速度峰值v≤5 mm/s，其對(duì)應(yīng)的最大振幅A≤0.016 mm。為了獲得較佳的動(dòng)力性能，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)的固有頻率，尚須避開機(jī)組工作轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率，以避免產(chǎn)生共振。

2 動(dòng)力分析理論

2.1 基礎(chǔ)振動(dòng)計(jì)算模型

我國動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范體系采用質(zhì)量—彈簧—阻尼器模型作為動(dòng)力分析的模式，該模型假定基礎(chǔ)為有質(zhì)量的剛體，地基為無質(zhì)量的彈簧，并起阻尼器作用。彈性地基會(huì)降低動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的自頻，對(duì)低頻機(jī)器基礎(chǔ)影響較大，對(duì)高頻機(jī)器基礎(chǔ)影響較小[2]。故在計(jì)算振動(dòng)時(shí)，對(duì)于n≥1 500 r/min的設(shè)備基礎(chǔ)，一般不考慮地基的彈性影響[5]。

2.2 動(dòng)力荷載

作用在基礎(chǔ)上的動(dòng)力荷載主要指機(jī)器的擾力，機(jī)器的擾力值、作用位置等應(yīng)由機(jī)器制造廠商提供，當(dāng)缺乏資料時(shí)，高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)組垂直向和水平橫向的擾力可按式(1)計(jì)算，水平縱向的擾力可按式(2)計(jì)算[4]：

(1)

(2)

其中，Wg為轉(zhuǎn)子重力；n為工作轉(zhuǎn)速。

2.3 振動(dòng)效應(yīng)的合成

高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)組通常由高速汽輪機(jī)、變速箱和發(fā)電機(jī)組成，由于作用在基礎(chǔ)上各個(gè)設(shè)備的工作頻率不同，如何計(jì)算各擾力在基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)產(chǎn)生同方向的總振動(dòng)線位移，各有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有不同的規(guī)定。我國GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范未區(qū)分各擾力頻率是否相同，各振動(dòng)分量的合成均按式(3)進(jìn)行：

(3)

其中，Vik為第k個(gè)擾力作用下基礎(chǔ)i點(diǎn)的振動(dòng)速度。

但對(duì)于同一基礎(chǔ)上設(shè)置有多臺(tái)工作頻率不同的機(jī)器，各臺(tái)機(jī)器在基礎(chǔ)上產(chǎn)生的振動(dòng)是確定性的，由于頻率不同，各機(jī)器產(chǎn)生的擾力向量經(jīng)過一定時(shí)間后就要重合一次，此時(shí)即產(chǎn)生最大振動(dòng)，所以總振動(dòng)反應(yīng)就應(yīng)是各臺(tái)機(jī)器產(chǎn)生的振動(dòng)幅值的直接相加[3,6]。我國冶金工業(yè)部1977《制氧機(jī)等動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)暫行條例》和GB 51084—2015有色工程設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范均采用此思路對(duì)不同頻率擾力作用下基礎(chǔ)振動(dòng)進(jìn)行合成，即：

(4)

其中，Vi為擾頻ωi的擾力作用下基礎(chǔ)某點(diǎn)的振動(dòng)速度。

3 工程實(shí)例

表1 機(jī)組荷載表

3.1 工程概況

襄汾縣浦新發(fā)電有限公司2號(hào)發(fā)電機(jī)組工程15 MW發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速6 000 r/min，變速箱低速軸設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min。機(jī)組基礎(chǔ)為一層框架式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂板標(biāo)高7.000 m，長14.500 m，寬8.000 m，頂板厚1 800 mm，柱3列，每列2根，縱向柱距分別為5.030 m，8.245 m，橫向柱距4.700 m,柱截面尺寸均為800 mm×800 mm，發(fā)電機(jī)下設(shè)空氣冷卻器平臺(tái)，平臺(tái)板頂標(biāo)高2.500 m，板厚120 mm，風(fēng)道壁厚150 mm，混凝土C35?；A(chǔ)頂板平面圖和荷載作用點(diǎn)見圖1，機(jī)組荷載見表1。

3.2 模型建立

使用SAP2000有限元分析軟件建立計(jì)算模型如圖2所示，基礎(chǔ)頂板、空氣冷卻器平臺(tái)板和風(fēng)道板采用Shell單元，空氣冷卻器平臺(tái)梁采用框架梁單元，基礎(chǔ)柱采用框架柱單元，柱腳底部作為結(jié)構(gòu)嵌固端。

3.3 動(dòng)力分析

3.3.1模態(tài)分析

模態(tài)分析用于反映結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力學(xué)特性，也是其他動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。由于特征向量法獲取的結(jié)構(gòu)周期和振型只與結(jié)構(gòu)的剛度及質(zhì)量分布有關(guān)，無法反映動(dòng)力荷載的空間分布的影響。因此，本工程采用特征向量法獲得結(jié)構(gòu)的自振周期和頻率，而動(dòng)力穩(wěn)態(tài)計(jì)算則采用李茲向量法分析的結(jié)果?；A(chǔ)前10階振型對(duì)應(yīng)的自振頻率和周期見表2。

表2 基礎(chǔ)自振周期和頻率

3.3.2穩(wěn)態(tài)分析

表3 基礎(chǔ)振動(dòng)計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)態(tài)分析屬于頻域分析，用于求解結(jié)構(gòu)在簡諧荷載作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)?？蚣苁交A(chǔ)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力分析，應(yīng)在機(jī)器工作頻率的0.75倍～1.25倍范圍內(nèi)掃頻計(jì)算，對(duì)機(jī)器工作頻率本身可能變動(dòng)時(shí)，掃頻范圍應(yīng)取0.75f低～1.25f高之間。取擾力作用點(diǎn)為基礎(chǔ)振動(dòng)的控制點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果如表3所示。

3.4 結(jié)果分析

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，基礎(chǔ)的自振頻率遠(yuǎn)離各設(shè)備工作轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振。從表3可以看出，基礎(chǔ)各控制點(diǎn)最大的振動(dòng)速度小于5 mm/s，基礎(chǔ)的振動(dòng)的最大線位移小于0.016 mm，說明基礎(chǔ)柱和頂板尺寸滿足工程振動(dòng)需要，且留有一定的安全余量。

4 結(jié)語

1)高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)與設(shè)備廠家密切配合，了解廠家對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)的要求，努力做好設(shè)備參數(shù)的收集工作，根據(jù)汽輪機(jī)動(dòng)力設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行高轉(zhuǎn)速動(dòng)力設(shè)備機(jī)器基礎(chǔ)的動(dòng)力分析；

2)使用SAP2000計(jì)算程序?qū)Ω咿D(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行受迫振動(dòng)分析，得到所需的振動(dòng)結(jié)果，可以為類似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。