BSIETMidas汽輪機基礎設計培訓

應用MidasGen進行汽機基礎動力分析土建設計部張淵2020年8月04OPTION01OPTION02OPTION03OPTION框架式汽機基礎設計要點汽機基礎介紹Gen進行汽機基礎動力分析主要內(nèi)容分析結果后處理及建議汽機基礎介紹1Part汽輪發(fā)電機：由鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進入汽輪機內(nèi)膨脹推動葉片轉動而帶動發(fā)電機發(fā)電的旋轉機械，是發(fā)電廠的核心設備。汽機基礎：即承托汽輪發(fā)電機組設備的動力基礎。汽輪機電機轉速較快，一般是3000r/min,相當于50Hz。這主要是由于我國電網(wǎng)的標準頻率是50Hz，這是一個確定的數(shù)值。當m=1（兩極電機）時，轉速n=3000r/min；當m=2（四極電機）時，n=1500r/min。我們單位所做的工程基本上都是3000r/min，即50Hz。汽機基礎的結構形式有框架式基礎，也有板式基礎、塊式基礎。我公司采用框架式基礎。

轉子旋轉所產(chǎn)生的不平衡力主要靠基礎的剛度和質量來控制，這就需要基礎具有較好的動力性能，因此對結構設計提出更高的要求?？蚣苁狡麢C基礎設計要點2Part

起指導作用的相關國內(nèi)規(guī)范及標準

《動力機器基礎設計規(guī)范》（GB50040-96）

《建筑工程容許振動標準》（GB50868-2013）

1.荷載取值及線位移要求

對于3000r/min，75%工作轉速范圍是0~2250r/min。在此范圍內(nèi)允許振動線位移是1.5X0.02mm=0.03mm=30μm。同時在工作轉速±25%范圍內(nèi)的最大振動線位移作為工作轉速時的計算振動線位移，即2250r/min~

3750r/min范圍內(nèi)的最大振動線位移限值為20μm。

2.不同頻率下的擾力大小

3.承載力驗算時荷載分項系數(shù)承載力驗算時，動力荷載分項系數(shù)：4倍計算振幅時的擾力X混凝土疲勞系數(shù)2X荷載分項系數(shù)1.4=11.2。按照新的《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》，1.4改為1.5，因此4X2X1.5=12。

4.多擾力作用時的振動線位移對于同軸汽輪發(fā)電機，同一時刻擾力頻率相同，程序可以同時考慮多個擾力對結構的共同作用。對于汽輪機與發(fā)電機采用變速箱相連的不同軸機組，同一時刻擾力頻率不同，程序就需要分別計算擾力作用下的振動線位移，而這時兩個線位移的疊加，可采用5.27公式。同軸汽輪發(fā)電機頻率相同程序自動計算不同軸汽輪發(fā)電機頻率不同5.2.7條人為計算

關于采用振動線位移法。規(guī)范規(guī)定對基礎的動力計算采用振動線位移控制的方法，即計算的振動線位移應小于允許振動線位移值。也有人主張采用共振法，即基礎的固有頻率要避開機器的繞力頻率。規(guī)范采用振動線位移控制而不采用頻率控制，主要原因是因為框架式基礎采用多自由度體系計算，其固有頻率密集，要使基礎的固有頻率避開機器的工作轉速是難以實現(xiàn)的。采用振動線位移控制的方法從其概念上來說是允許共振，只要振動線位移滿足要求即可。

關于允許振動線位移的規(guī)定。原水利電力部汽輪機組運轉規(guī)程中規(guī)定3000r/min的汽輪機組軸承振動線位移的合格標準為0.025mm。根據(jù)實際現(xiàn)場多臺運行基礎的振動實測結果，軸承振動線位移與基礎振動線位移的平均比值約為1.4。通過限制基礎的振動來控制軸承的振動，那么基礎的振動線位移幅值應控制在0.025/1.4=0.018mm以下范圍。通過大量已建汽輪機基礎的現(xiàn)場實測，其出現(xiàn)的95%以上的振動線位移均在0.012mm以下，僅個別測點超過0.02mm。規(guī)范最后確定，汽輪機基礎的允許振動線位移取0.02mm較為合適。

關于僅控制豎向振動線位移。按原有的振動線位移計算公式上分析，計算的豎向振動線位移幅值總是大于橫向和縱向的振動線位移，而三個方向的允許振動線位移是相同的，當豎向振動線位移小于允許值時，其他兩個方向的振動線位移也必然滿足要求，按照空間多自由度系統(tǒng)計算結果也是豎向振動線位移大于其他兩個方向的振動線位移。Gen進行汽機基礎（實體單元）動力分析3Part

1.選擇頻率范圍

對結構進行特征值分析，根據(jù)規(guī)范5.2.3條，找到0~1.25倍汽輪機頻率的所有振型,即0~3750r/min(0~62.5Hz)范圍內(nèi)所有振型。分析->特征值

通過試算得出所需振型數(shù)量。先假定振型數(shù)量，計算分析，查看特征值結果。每一個振型的頻率便是一個需要計算的擾力頻率。

進行結構振動分析之前，首先要進行結構自振頻率計算，為后續(xù)設備靜止到運行時，振動頻率穿越結構自振頻率，共振影響分析做準備。結構的質量和剛度有關，材料等級、截面尺寸及邊界條件確定后，結構剛度隨之確定。結構質量有兩個影響因素，一個是結構自重轉換為質量，另一個是荷載轉換為質量。在動力設備基礎分析中，只考慮恒荷載轉化的質量，忽略活載轉化的質量。

選擇振型除滿足1.25倍汽輪機頻率，尚應滿足振型參與質量為90%的基本要求，滿足該要求則可認為多自由度體系振動參與度符合要求。

2.根據(jù)振型頻率建立時程荷載工況

每個振型頻率對應一個時程荷載工況，根據(jù)計算結果，需要建立83個工況?？紤]到后面頻率密集，每三個取一個工況。一共取20個時程荷載工況。分析類型：線性。分析方法：振型疊加法。時程類型：周期。分析時間：為保證結構振動進入穩(wěn)態(tài)，取不小于20倍振型周期。分析時間步長：不大于振型周期/20。阻尼計算方法：振型阻尼。所有振型阻尼比：0.0625。

3.擾力荷載的創(chuàng)建

創(chuàng)建諧振荷載函數(shù)，根據(jù)每個振型頻率計算對應的擾力大小A，并輸入對應振型頻率。擾力大小A的計算：Poi=0.2Wgi*(n0/3000)2，規(guī)范5.2.5條。本工程有4處擾力作用點，且每處作用的荷載值不同，所以需要建立20X4=80個時程荷載函數(shù)。

4.擾力荷載的施加

將諧振荷載函數(shù)需要通過節(jié)點動力荷載的形式施加到擾力作用的節(jié)點上。每個節(jié)點上的擾力作用分為三個方向，根據(jù)規(guī)范5.2.2條，X方向系數(shù)為0.5，Y和Z方向系數(shù)為1.0。（X方向是垂直于擾力方向，所以乘以折減系數(shù)0.5）本工程需要施加動力荷載的節(jié)點是8個，所以需要施加20X8X3=480個節(jié)點動力荷載。顯示施加的擾力荷載，勾選顯示中的節(jié)點動力荷載。

5.動力分析時，Gen中必要的設置勾選“將自重轉換為質量”。另外需要將設備自重轉化為質量。施加板底約束。本工程為樁基，因此設置點約束。天然地基的抗壓剛度系數(shù)可按照3.3.2條進行選取。分析結果后處理及建議4Part

1.振動結果的查看結果表格->時程分析->位移/速度/加速度。填寫擾力作用的節(jié)點號，勾選所有時程工況。檢查Dx，Dy，Dz時候有超限的情況。本工程需要檢查20X8X3=480個振動線位移結果。一般將所施加節(jié)點的節(jié)點號單獨編，以方便前處理和后處理。

2.前處理建議采用命令流格式輸入通過在excel中整理和編輯“周期與振型結果”中的周期、頻率及得出對應的擾力幅值A。通過手動添加一個時程工況，一個諧振荷載函數(shù)，施加一個節(jié)點動力荷載，然后導出mgt文件，學習相關命令流格式。編寫時程工況、諧振函數(shù)、節(jié)點動力荷載的命令流文件。通過“工具->MGT命令窗口”將編寫好的命令流文件導入到模型中。

3.后處理位移結果可以采用Excel編輯成圖，更加直觀。

4.采用梁板單元計算實際上規(guī)范所采用的也是梁單元進行的設計。對比實體單元和梁板單元。實體單元個數(shù)26360，梁板單元模型4072，6.47倍。實體單元模型有效自由度103866，梁板單元模型有效自由度26211，3.96倍。實體單元模型分析時間2425.55S，梁板單元模型分析時間243.17S，9.97倍，分析速度大大加快。采用梁板單元分析時應注意將立柱分割單元，不能為單個單元。底板剛度大，因此梁板單元分析時，柱可從柱根開始建模。采用梁板單元分析時，結構頻率采用實體單元分析時，結構頻率采用梁板單元分析時，結構第1模態(tài)T1=0.398s采用實體單元分析時，結構第1模態(tài)T1=0.404s采用實體單元分析時，結構第2模態(tài)T2=0.371s采用梁板單元分析時，結構第2模態(tài)T2=0.362s采用梁板單元分析時，結構第3模態(tài)T3=0.335s采用實體單元分析時，結構第3