劉森林，王忠，陳其春，周光炳，王曉，孫鏑

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，成都610021）

“十四五”期間能源和生態(tài)環(huán)境規(guī)劃等將提出碳達(dá)峰和碳中和的具體路徑，從而推動(dòng)天然氣消費(fèi)需求持續(xù)增長(zhǎng)。天然氣發(fā)電投資成本低、運(yùn)行靈活，其在能源轉(zhuǎn)型中的橋梁作用和在電源中的支撐作用長(zhǎng)期內(nèi)不會(huì)改變。H 級(jí)燃機(jī)是目前世界上最高效、節(jié)能、環(huán)保的大容量燃?xì)廨啓C(jī)，在國(guó)際燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)中，主要有美國(guó)GE 公司的9HA.01 型燃機(jī)、德國(guó)SIMENS 公司的SGT5-8000H 型燃機(jī)、日本三菱日立公司的M701J型燃機(jī)和意大利的安薩爾多公司的GT36 型燃機(jī)［1-2］。目前，國(guó)內(nèi)首臺(tái)采用H 級(jí)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的項(xiàng)目——華電廣州增城燃?xì)饫錈犭娙?lián)供項(xiàng)目，于2020 年6 月14 日其1 號(hào)機(jī)組順利通過168 小時(shí)滿負(fù)荷試運(yùn)行，該項(xiàng)目采用的兩臺(tái)燃機(jī)為目前世界最先進(jìn)、凈效率最高的西門子SGT5-8000H 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，在節(jié)約能源、發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、降低企業(yè)用能成本等方面發(fā)揮巨大作用。

H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)作為一種新的大型特種設(shè)備動(dòng)力基礎(chǔ)，其具備優(yōu)良的動(dòng)力性能是燃機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的重要保證。H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力性能受到質(zhì)量、剛度和阻尼等因素的影響［3-4］。在設(shè)計(jì)中由于其動(dòng)力性能的復(fù)雜性，往往需憑取工程經(jīng)驗(yàn)和試算進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有一定的盲目性，并難以較清晰了解H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力性能走向。針對(duì)H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力性能，選取基礎(chǔ)厚度、混凝土彈性模量、動(dòng)擾力和阻尼比作為影響H 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵影響因素，以振動(dòng)控制點(diǎn)最大控制幅值作為動(dòng)力性能指標(biāo)，通過有限元ANSYS 參數(shù)化建模建立H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)不同基礎(chǔ)厚度、混凝土彈性模量、動(dòng)擾力和阻尼比的大量三維模型，采用諧響應(yīng)分析獲得不同參數(shù)模型下的最大控制振幅，建立H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)最大控制幅值與基礎(chǔ)厚度、混凝土彈性模量、動(dòng)擾力和阻尼比之間的關(guān)系，獲得對(duì)H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)全面清晰的動(dòng)力性能特征［5-6］。

1 H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)參數(shù)

1.1 H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)布置

國(guó)內(nèi)首臺(tái)西門子SGT5-8000H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm。燃機(jī)基礎(chǔ)形式為大塊式樁基基礎(chǔ)，根據(jù)廠家提供的H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)外形資料，其上設(shè)置設(shè)備支墩需滿足燃機(jī)布置要求，設(shè)其基礎(chǔ)厚度為TH，可確定發(fā)電機(jī)區(qū)基礎(chǔ)為17.45 m×7.2 m×TH，燃?xì)廨啓C(jī)區(qū)域基礎(chǔ)為23.69 m×8.7 m×TH，基礎(chǔ)下共采用44根?800 mm 旋挖成孔灌注樁。燃機(jī)基礎(chǔ)平面和剖面布置圖如圖1所示。

圖1 燃機(jī)基礎(chǔ)平面和剖面布置圖Fig.1 Gas turbine foundation plane and section layout

1.2 振動(dòng)分析方法與控制標(biāo)準(zhǔn)

H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)在正常運(yùn)行階段燃機(jī)基礎(chǔ)處于穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)［7-8］。采用ANSYS 中的諧響應(yīng)分析方法進(jìn)行求解，諧響應(yīng)分析用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，分析過程中只計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，不考慮激振開始時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)。假設(shè)一單自由度彈簧振子系統(tǒng)承受諧激勵(lì)荷載如圖2所示。

圖2 單自由度彈簧振子系統(tǒng)Fig.2 Single-degree-of-freedom spring vibration system

此系統(tǒng)的動(dòng)力方程為：

該方程的解分為兩部分，一部分為齊次方程的解，即為阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)響應(yīng)，自由振動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間衰減直至最后消失。另一部分是特解，即為強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，不會(huì)隨時(shí)間衰減。這里進(jìn)行穩(wěn)態(tài)響應(yīng)求解，由于燃機(jī)基礎(chǔ)的激振力為簡(jiǎn)諧力，可以證明燃機(jī)基礎(chǔ)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也是簡(jiǎn)諧的，并且與激振力有同樣的頻率。

式中：s為振動(dòng)位移響應(yīng)的幅值（m）；?為振動(dòng)位移響應(yīng)的相位（rad）。

振動(dòng)位移響應(yīng)幅值s、振動(dòng)速度響應(yīng)幅值v和振動(dòng)加速度響應(yīng)幅值a三者之間存在的關(guān)系為：

對(duì)于燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)ISO 20816中指出，應(yīng)以軸承殼體或軸承座振動(dòng)速度為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于3 000 rpm燃?xì)廨啓C(jī)，新交付使用機(jī)器的振動(dòng)速度均方根不應(yīng)大于4.5 mm/s；對(duì)于3 000 rpm 發(fā)電機(jī)，新交付使用機(jī)器的振動(dòng)速度均方根不應(yīng)大于3.8 mm/s。同時(shí)，燃機(jī)廠家要求燃機(jī)基礎(chǔ)的振動(dòng)速度均方根不應(yīng)大于3.8 mm/s，即對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移峰值不應(yīng)大于17.1 μm。

1.3 動(dòng)擾力計(jì)算

燃機(jī)在運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)子不平衡便在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中產(chǎn)生不平衡力。燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力分析時(shí)，可按轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡等級(jí)確定動(dòng)擾力。該燃機(jī)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡等級(jí)為G2.5，阻尼比取2%，燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)的動(dòng)擾力根據(jù)ISO 1940/1規(guī)范按如下公式計(jì)算：

式中：Fi為任意頻率的擾力（N）；mg為轉(zhuǎn)子質(zhì)量（kg）；eper為轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心距（μm）；ωi為任意圓頻率（rad/s）；G為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡等級(jí)（mm/s）；F0為燃機(jī)額定轉(zhuǎn)速動(dòng)擾力（N）；ω0為燃機(jī)額定轉(zhuǎn)速的圓頻率（rad/s）。

將燃機(jī)的轉(zhuǎn)子質(zhì)量和振動(dòng)頻率帶入上式計(jì)算得到各振動(dòng)頻率時(shí)橫向和豎向的動(dòng)擾力，燃機(jī)基礎(chǔ)縱向的動(dòng)擾力一般可取為橫向或豎向動(dòng)擾力的0.5倍。由于計(jì)算時(shí)需要計(jì)算額定運(yùn)行頻率10%范圍內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)，這里給出當(dāng)振動(dòng)頻率為45 Hz、50 Hz和55 Hz時(shí)，發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的豎向和橫向的動(dòng)擾力如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)擾力表Tab.1 Unbanlance force table of generator and gas turbine

2 有限元多模型建立

2.1 模型可變參數(shù)選取

H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力性能由動(dòng)力方程可知跟質(zhì)量、剛度和阻尼三者有關(guān)系。質(zhì)量一般包含機(jī)械設(shè)備質(zhì)量和基礎(chǔ)自重質(zhì)量等，設(shè)備質(zhì)量由燃機(jī)設(shè)備決定，由燃機(jī)廠家提供，為滿足燃機(jī)設(shè)備的使用條件，燃機(jī)廠家一般會(huì)給出燃機(jī)基礎(chǔ)頂面的支墩布置情況，燃機(jī)基礎(chǔ)作為動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)，一般需與周邊基礎(chǔ)脫開，因此，燃機(jī)基礎(chǔ)的長(zhǎng)寬以及頂面的布置情況一般較為固定。燃機(jī)基礎(chǔ)的厚度變化影響著燃機(jī)基礎(chǔ)的質(zhì)量和截面剛度［9］。因此，將燃機(jī)基礎(chǔ)厚度作為影響燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力性能的主要可變參數(shù)。同時(shí)，混凝土材料在設(shè)計(jì)中也是可以選擇的，不同標(biāo)號(hào)的混凝土具有不同的彈性模量，影響著燃機(jī)基礎(chǔ)的剛度和動(dòng)力性能。因此，將混凝土彈性模量作為這里分析的另一可變參數(shù)［10］。

燃機(jī)基礎(chǔ)的厚度通常為2~3 m，這里略微放大分析范圍選取燃機(jī)基礎(chǔ)的厚度變化范圍為1.5~3.5 m，計(jì)算模型的厚度變化增量為0.1 m，共21個(gè)厚度值；燃機(jī)基礎(chǔ)的混凝土選取C20~C50，其彈性模量為25.5~34.5 GPa，計(jì)算模型的混凝土彈性模量變化增量為1 GPa，共10 個(gè)混凝土彈性模量值；對(duì)基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量組合起來的共21×10=210 個(gè)模型進(jìn)行分析，得到燃機(jī)基礎(chǔ)在各類基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量下的動(dòng)力性能。H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)的厚度和彈性模量變化區(qū)間如表2所示。

表2 H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)關(guān)鍵影響因素取值Tab.2 Values of key influencing parameters of H-class gas turbine foundation

2.2 有限元多模型建立

采用AYSYS 參數(shù)化建模建立燃機(jī)基礎(chǔ)的整體模型，將H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)厚度設(shè)為TH，混凝土彈性模量設(shè)為EX，通過參數(shù)化改變H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)的厚度TH和混凝土彈性模量EX，從而獲得具有不同參數(shù)的H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)模型。燃機(jī)基礎(chǔ)模型中基礎(chǔ)底板及支墩采用SHELL43 單元模擬；設(shè)備質(zhì)量采用MASS21單元模擬；設(shè)備轉(zhuǎn)子質(zhì)量點(diǎn)與基礎(chǔ)臺(tái)板之間采用通過設(shè)為剛性桿的BEAM4 單元連接；樁基采用COMBIN14單元模擬水平和豎向三向的剛度；燃機(jī)動(dòng)擾力和振動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)為Node4001~Node4004。根據(jù)相關(guān)實(shí)際地勘報(bào)告及《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50040—20）規(guī)定計(jì)算，混凝土灌注樁的單樁豎向動(dòng)剛度為kv=1.33×106kN/m，單樁水平動(dòng)剛度為kh=1.86×105kN/m。鋼筋混凝土密度為2.5×103kg/m3，泊松比為0.2；重力加速度為9.81 m/s2。燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型如圖3所示。其中，X軸為基礎(chǔ)縱向，Y軸為基礎(chǔ)豎向，Z軸為基礎(chǔ)橫向。

圖3 H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型Fig.3 Finite element model of H-class gas turbine foundation

3 多模型模態(tài)分析

模態(tài)分析作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，其能反應(yīng)出結(jié)構(gòu)自身固有的振動(dòng)特性。本文對(duì)燃機(jī)基礎(chǔ)不同基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量的多個(gè)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到燃機(jī)基礎(chǔ)的自振頻率、振型與模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)等模態(tài)信息，可初步判斷基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量對(duì)燃機(jī)基礎(chǔ)自身動(dòng)力特性的影響。在ANSYS 軟件中采用分塊蘭索斯法進(jìn)行模態(tài)分析，提取出燃機(jī)基礎(chǔ)前50 階的模態(tài)信息，選取基礎(chǔ)厚度分別為1.5 m、2.5 m、3.5 m 和彈性模量分別為25.5 kN/mm2、31.5 kN/mm2、34.5 kN/mm2的燃機(jī)基礎(chǔ)模態(tài)計(jì)算結(jié)果，部分模態(tài)頻率如表3所示。

燃機(jī)基礎(chǔ)的第一階頻率為5.16~5.46 Hz，由基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量變化帶來的頻率變化幅度大約為5%。燃機(jī)基礎(chǔ)的頻率隨著基礎(chǔ)厚度的增加而減小，隨著彈性模量的增加而增加。同時(shí)，燃機(jī)基礎(chǔ)的頻率和振型呈現(xiàn)出一定的相似性，其隨著基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量的改變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化，并未出現(xiàn)過大變化。燃機(jī)的額定運(yùn)行頻率fm=50 Hz，燃機(jī)基礎(chǔ)的部分頻率（主要在17 階到20 階之間）處于45 Hz 和55 Hz 之間，此時(shí)自振頻率與燃機(jī)基礎(chǔ)的額定運(yùn)行頻率相近，為避免燃機(jī)基礎(chǔ)因共振現(xiàn)象而產(chǎn)生過大振幅［11-12］。因此，需要對(duì)基礎(chǔ)在正常運(yùn)行頻率10%范圍內(nèi)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并控制基礎(chǔ)各控制點(diǎn)的振幅情況，以保證基礎(chǔ)在正常運(yùn)行狀態(tài)下具有良好動(dòng)力性能。

表3 H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)不同模型模態(tài)頻率Tab.3 Modal frequencies of different models of H-class gas turbine foundation

4 燃機(jī)響應(yīng)面分析

為建立H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力性能響應(yīng)面關(guān)系，在ANSYS 軟件中對(duì)不同基礎(chǔ)厚度（1.5 m~3.5 m）和混凝土彈性模量（25.5~34.5 GPa）的模型進(jìn)行正常運(yùn)行頻率10%范圍內(nèi)（45 Hz到55 Hz）的諧響應(yīng)分析，每個(gè)模型分別提取各單獨(dú)擾力工況下轉(zhuǎn)子節(jié)點(diǎn)的三個(gè)方向振幅，按同一方向擾力各節(jié)點(diǎn)同一方向振幅的平方和開方（SRSS）求得該模型該方向的控制振幅，并選取每個(gè)模型控制振幅中的最大值作為該模型的最大控制振幅［13］。因此，對(duì)應(yīng)210 個(gè)不同基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量模型得到210 個(gè)最大控制振幅，將基礎(chǔ)厚度、混凝土彈性模量和最大控制振幅繪制在三維坐標(biāo)中，并擬合出最大控制振幅與基礎(chǔ)厚度、混凝土彈性模量之間的響應(yīng)面關(guān)系如圖4 所示。圖中，X軸為混凝土彈性模量EX（GPa），Y軸為基礎(chǔ)厚度TH（m），Z軸為最大控制振幅（μm）。

圖4 H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)最大控制振幅響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface of the maximum control ampli?tude of the H-class gas turbine foundation

由圖4 可知，H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)最大控制振幅與基礎(chǔ)厚度、混凝土彈性模量之間的響應(yīng)面呈現(xiàn)出S 型曲面特征，兩端相對(duì)較平，中間增長(zhǎng)較快。根據(jù)響應(yīng)面呈現(xiàn)出的特征，將燃機(jī)基礎(chǔ)最大控制振幅響應(yīng)面劃分為S1，S2 和S3 三個(gè)區(qū)域。三個(gè)區(qū)域具有的特征如下：

1） 燃機(jī)響應(yīng)面S1 區(qū)域?yàn)楦哒駝?dòng)區(qū)域，即0.333EX+TH≤11.5區(qū)域。該區(qū)域基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量均相對(duì)較小，基礎(chǔ)的質(zhì)量和剛度較小，對(duì)應(yīng)的最大控制振幅較大，最大控制振幅達(dá)16.8 μm 非常接近振動(dòng)幅值限值17.1 μm，并較小范圍內(nèi)的調(diào)整基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量對(duì)基礎(chǔ)的動(dòng)力性能改善較小，若燃機(jī)基礎(chǔ)處于該區(qū)域內(nèi)，應(yīng)注重燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力分析，保證基礎(chǔ)的動(dòng)力性能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）燃機(jī)響應(yīng)面S2 區(qū)域?yàn)檎駝?dòng)快速增大區(qū)域，即11.5＜0.333EX+TH≤12.5 區(qū)域。該區(qū)域基礎(chǔ)的最大控制振幅對(duì)于基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量均較為敏感，最大控制振幅的變化范圍為6~14 μm，基礎(chǔ)的最大控制振幅隨基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量的增大而減小，處于該區(qū)域內(nèi)的燃機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)同時(shí)控制基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量，以考慮其各自變化對(duì)基礎(chǔ)動(dòng)力性能的影響。

3） 燃機(jī)響應(yīng)面S3 區(qū)域?yàn)榈驼駝?dòng)區(qū)域，即0.333EX+TH＞12.5區(qū)域。該區(qū)域基礎(chǔ)有較大的質(zhì)量和剛度，基礎(chǔ)的最大控制振幅均較小，大約為5 μm，燃機(jī)基礎(chǔ)具有相對(duì)穩(wěn)定和富裕的動(dòng)力性能，較小范圍內(nèi)的調(diào)整基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量依然能夠保證燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力性能處于優(yōu)良位置，處于該區(qū)域內(nèi)的燃機(jī)基礎(chǔ)具有良好的動(dòng)力性能，并能夠抵抗實(shí)際工程中因相關(guān)參數(shù)變化而對(duì)動(dòng)力性能的影響。

H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)實(shí)際工程設(shè)計(jì)中根據(jù)動(dòng)力和靜力以及施工條件，選定基礎(chǔ)厚度為2.5 m，混凝土采用C35，彈性模量為31.5 GPa。其動(dòng)力性能的最大控制振幅為圖4響應(yīng)面圖中的紅三角位置，該點(diǎn)位于響應(yīng)面S3區(qū)域，最大控制振幅為5.84 μm＜17.1 μm（限值），同時(shí)其在靠近S2 區(qū)域位置，使得其在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上具有一定的經(jīng)濟(jì)合理性，同時(shí)具有較低的最大控制振幅和富裕的動(dòng)力性能，是較優(yōu)的H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

為了更清晰的了解具體燃機(jī)基礎(chǔ)在各工況下的振動(dòng)情況。按實(shí)際工程H級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)TH=2.5 m，EX=31.5 GPa。在相應(yīng)燃機(jī)不平衡擾力作用下，其各轉(zhuǎn)子控制點(diǎn)的部分振幅值如圖5 所示。燃機(jī)基礎(chǔ)最大振幅出現(xiàn)在電機(jī)端節(jié)點(diǎn)4002，運(yùn)行頻率54 Hz 時(shí)最大振幅為5.84 μm＜17.1 μm（限值）。在額定轉(zhuǎn)速50 Hz 頻率時(shí)，燃機(jī)基礎(chǔ)控制點(diǎn)的最大振幅均小于2 μm，燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力性能能夠滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和廠家的要求。

5 動(dòng)擾力和阻尼比敏感性分析

5.1 動(dòng)擾力敏感性分析

圖5 燃機(jī)基礎(chǔ)各轉(zhuǎn)子控制點(diǎn)振幅值（TH=2.5 m，EX=31.5 GPa）Fig.5 Amplitude of each rotor control point of gas turbine foundation（TH=2.5 m，EX=31.5 GPa）

燃機(jī)基礎(chǔ)在計(jì)算振動(dòng)線位移時(shí)，一般應(yīng)采用機(jī)器制造廠提供的動(dòng)擾力值。缺乏資料時(shí)，可以根據(jù)動(dòng)平衡等級(jí)按相關(guān)規(guī)范確定［14］。根據(jù)國(guó)際ISO 1940—1 Table 1 動(dòng)平衡等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，燃機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡等級(jí)為G2.5。在進(jìn)行動(dòng)力分析未提供動(dòng)擾力時(shí)，保守做法常常可以按動(dòng)平衡等級(jí)G6.3 計(jì)算動(dòng)擾力，G6.3動(dòng)擾力是G2.5動(dòng)擾力的2.52倍，擾力在這個(gè)區(qū)間變化很大，對(duì)結(jié)果有著不可忽視的影響。分別取動(dòng)平衡等級(jí) G2.5，1.5 倍 G2.5，2 倍 G2.5，2.5 倍 G2.5 和G6.3計(jì)算動(dòng)擾力對(duì)燃機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力分析，阻尼比取0.02。取振幅最大的Z向擾力節(jié)點(diǎn)4002 不同動(dòng)擾力下Z向振幅如圖6所示。

由圖6可知，節(jié)點(diǎn)4002在G6.3的動(dòng)平衡等級(jí)下最大的Z 向振幅發(fā)生在54 Hz 為14.72 μm＜17.1 μm（限值），相對(duì)于G2.5 的峰值5.84 μm 增大了2.52倍，并等于動(dòng)擾力增大倍數(shù)。因此，燃機(jī)基礎(chǔ)控制點(diǎn)的振幅隨著動(dòng)擾力的增大而增大，并且振幅增大的比例與動(dòng)擾力增大的比例相等。這里取G6.3計(jì)算的最大振幅仍能夠滿足振幅控制標(biāo)準(zhǔn)，燃機(jī)基礎(chǔ)具有較好的動(dòng)力性能。

圖6 Z向擾力節(jié)點(diǎn)4002不同動(dòng)擾力下Z向振幅Fig.6 Z-direction displacement amplitude of node 4002 under different Z-direction unbalance force

5.2 阻尼比敏感性分析

阻尼對(duì)燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力分析結(jié)果影響很大，阻尼比參數(shù)的設(shè)定，往往是關(guān)注的重點(diǎn)［15-16］。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ACI 351.3R—18 中7.2.3.2 條建議混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.02，我國(guó)最新發(fā)布的《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50040—2020 中B.1.7 條也對(duì)阻尼比的取值由原來的0.062 5 改為了0.02~0.062 5 區(qū)間，并提及當(dāng)振動(dòng)擾力值小于轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡等級(jí)G6.3對(duì)應(yīng)的荷載時(shí)，阻尼比宜取小值。動(dòng)規(guī)中阻尼比取值范圍區(qū)間變大，為研究不同阻尼比帶來的影響，分別取阻尼比0.02，0.03，0.04，0.05，0.062 5對(duì)燃機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力分析，動(dòng)平衡等級(jí)取G2.5。取振幅最大的Z向擾力節(jié)點(diǎn)4002不同阻尼比下Z向振幅如圖7所示。

圖7 Z向擾力節(jié)點(diǎn)4002不同阻尼比下Z向振幅Fig.7 Z-direction displacement amplitude of node 4002 under different damping ratio

由圖7 可知，節(jié)點(diǎn)4002 在50 Hz 處阻尼比為0.02 時(shí)Z向振幅為 0.697 μm，阻尼比為 0.062 5 時(shí)Z向振幅為1.188 μm，振幅隨著阻尼比的增加不但未減小還增大了1.7 倍；節(jié)點(diǎn)4002 在54 Hz 處阻尼比為0.02時(shí)Z向振幅為5.84 μm，阻尼比為0.062 5時(shí)Z向振幅為2.528 μm，振幅隨著阻尼比的增加而減小為原來的0.43 倍。因此，阻尼變化帶來的振幅變化不再是單調(diào)的，而是跟整個(gè)結(jié)構(gòu)體系和動(dòng)力特性相關(guān)，阻尼的增大可能增大也可能減小其振幅。

6 結(jié) 論

通過有限元軟件ANSYS 參數(shù)化建模，選取不同的燃機(jī)基礎(chǔ)厚度、混凝土彈性模量、動(dòng)擾力和阻尼比建立不同的H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)整體模型，并進(jìn)行正常運(yùn)行狀態(tài)下的諧響應(yīng)分析獲得每個(gè)模型的最大控制振幅，清晰地展示了H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)在不同參數(shù)變化下的動(dòng)力振幅的變化特征。

1）燃機(jī)基礎(chǔ)的第一階頻率為5.16~5.46 Hz，由基礎(chǔ)厚度和混凝土彈性模量變化帶來的頻率變化幅度大約為5%。

2）H 級(jí)燃機(jī)基礎(chǔ)最大控制振幅與基礎(chǔ)厚度、混凝土彈性模量之間的響應(yīng)面呈現(xiàn)出S 型曲面特征，并可根據(jù)響應(yīng)面呈現(xiàn)出的特征，劃分為S1 高振動(dòng)區(qū)域，S2 振動(dòng)快速增大區(qū)域和S3 低振動(dòng)區(qū)域三個(gè)區(qū)域。

3）燃機(jī)基礎(chǔ)實(shí)際工程參數(shù)計(jì)算的最大控制振幅為5.84 μm，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和廠家的17.1 μm 限值。并位于響應(yīng)面S3 區(qū)域，具有較低的最大控制振幅和富裕的動(dòng)力性能。

4）燃機(jī)基礎(chǔ)控制點(diǎn)的振幅隨著動(dòng)擾力的增大而等比例增大；而阻尼變化帶來的振幅變化不是單調(diào)的，阻尼的增大可能增大也可能減小其振幅。