BSIETMidas汽輪機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)培訓(xùn)

應(yīng)用MidasGen進(jìn)行汽機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力分析土建設(shè)計(jì)部張淵2020年8月04OPTION01OPTION02OPTION03OPTION框架式汽機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)汽機(jī)基礎(chǔ)介紹Gen進(jìn)行汽機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力分析主要內(nèi)容分析結(jié)果后處理及建議汽機(jī)基礎(chǔ)介紹1Part汽輪發(fā)電機(jī)：由鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)膨脹推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是發(fā)電廠的核心設(shè)備。汽機(jī)基礎(chǔ)：即承托汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備的動(dòng)力基礎(chǔ)。汽輪機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，一般是3000r/min,相當(dāng)于50Hz。這主要是由于我國電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率是50Hz，這是一個(gè)確定的數(shù)值。當(dāng)m=1（兩極電機(jī)）時(shí)，轉(zhuǎn)速n=3000r/min；當(dāng)m=2（四極電機(jī)）時(shí)，n=1500r/min。我們單位所做的工程基本上都是3000r/min，即50Hz。汽機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式有框架式基礎(chǔ)，也有板式基礎(chǔ)、塊式基礎(chǔ)。我公司采用框架式基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不平衡力主要靠基礎(chǔ)的剛度和質(zhì)量來控制，這就需要基礎(chǔ)具有較好的動(dòng)力性能，因此對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出更高的要求?？蚣苁狡麢C(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)2Part

起指導(dǎo)作用的相關(guān)國內(nèi)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50040-96）

《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50868-2013）

1.荷載取值及線位移要求

對(duì)于3000r/min，75%工作轉(zhuǎn)速范圍是0~2250r/min。在此范圍內(nèi)允許振動(dòng)線位移是1.5X0.02mm=0.03mm=30μm。同時(shí)在工作轉(zhuǎn)速±25%范圍內(nèi)的最大振動(dòng)線位移作為工作轉(zhuǎn)速時(shí)的計(jì)算振動(dòng)線位移，即2250r/min~

3750r/min范圍內(nèi)的最大振動(dòng)線位移限值為20μm。

2.不同頻率下的擾力大小

3.承載力驗(yàn)算時(shí)荷載分項(xiàng)系數(shù)承載力驗(yàn)算時(shí)，動(dòng)力荷載分項(xiàng)系數(shù)：4倍計(jì)算振幅時(shí)的擾力X混凝土疲勞系數(shù)2X荷載分項(xiàng)系數(shù)1.4=11.2。按照新的《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，1.4改為1.5，因此4X2X1.5=12。

4.多擾力作用時(shí)的振動(dòng)線位移對(duì)于同軸汽輪發(fā)電機(jī)，同一時(shí)刻擾力頻率相同，程序可以同時(shí)考慮多個(gè)擾力對(duì)結(jié)構(gòu)的共同作用。對(duì)于汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)采用變速箱相連的不同軸機(jī)組，同一時(shí)刻擾力頻率不同，程序就需要分別計(jì)算擾力作用下的振動(dòng)線位移，而這時(shí)兩個(gè)線位移的疊加，可采用5.27公式。同軸汽輪發(fā)電機(jī)頻率相同程序自動(dòng)計(jì)算不同軸汽輪發(fā)電機(jī)頻率不同5.2.7條人為計(jì)算

關(guān)于采用振動(dòng)線位移法。規(guī)范規(guī)定對(duì)基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算采用振動(dòng)線位移控制的方法，即計(jì)算的振動(dòng)線位移應(yīng)小于允許振動(dòng)線位移值。也有人主張采用共振法，即基礎(chǔ)的固有頻率要避開機(jī)器的繞力頻率。規(guī)范采用振動(dòng)線位移控制而不采用頻率控制，主要原因是因?yàn)榭蚣苁交A(chǔ)采用多自由度體系計(jì)算，其固有頻率密集，要使基礎(chǔ)的固有頻率避開機(jī)器的工作轉(zhuǎn)速是難以實(shí)現(xiàn)的。采用振動(dòng)線位移控制的方法從其概念上來說是允許共振，只要振動(dòng)線位移滿足要求即可。

關(guān)于允許振動(dòng)線位移的規(guī)定。原水利電力部汽輪機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)程中規(guī)定3000r/min的汽輪機(jī)組軸承振動(dòng)線位移的合格標(biāo)準(zhǔn)為0.025mm。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場多臺(tái)運(yùn)行基礎(chǔ)的振動(dòng)實(shí)測結(jié)果，軸承振動(dòng)線位移與基礎(chǔ)振動(dòng)線位移的平均比值約為1.4。通過限制基礎(chǔ)的振動(dòng)來控制軸承的振動(dòng)，那么基礎(chǔ)的振動(dòng)線位移幅值應(yīng)控制在0.025/1.4=0.018mm以下范圍。通過大量已建汽輪機(jī)基礎(chǔ)的現(xiàn)場實(shí)測，其出現(xiàn)的95%以上的振動(dòng)線位移均在0.012mm以下，僅個(gè)別測點(diǎn)超過0.02mm。規(guī)范最后確定，汽輪機(jī)基礎(chǔ)的允許振動(dòng)線位移取0.02mm較為合適。

關(guān)于僅控制豎向振動(dòng)線位移。按原有的振動(dòng)線位移計(jì)算公式上分析，計(jì)算的豎向振動(dòng)線位移幅值總是大于橫向和縱向的振動(dòng)線位移，而三個(gè)方向的允許振動(dòng)線位移是相同的，當(dāng)豎向振動(dòng)線位移小于允許值時(shí)，其他兩個(gè)方向的振動(dòng)線位移也必然滿足要求，按照空間多自由度系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果也是豎向振動(dòng)線位移大于其他兩個(gè)方向的振動(dòng)線位移。Gen進(jìn)行汽機(jī)基礎(chǔ)（實(shí)體單元）動(dòng)力分析3Part

1.選擇頻率范圍

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)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(jì)算分析，查看特征值結(jié)果。每一個(gè)振型的頻率便是一個(gè)需要計(jì)算的擾力頻率。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析之前，首先要進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算，為后續(xù)設(shè)備靜止到運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)頻率穿越結(jié)構(gòu)自振頻率，共振影響分析做準(zhǔn)備。結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度有關(guān)，材料等級(jí)、截面尺寸及邊界條件確定后，結(jié)構(gòu)剛度隨之確定。結(jié)構(gòu)質(zhì)量有兩個(gè)影響因素，一個(gè)是結(jié)構(gòu)自重轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，另一個(gè)是荷載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量。在動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)分析中，只考慮恒荷載轉(zhuǎn)化的質(zhì)量，忽略活載轉(zhuǎn)化的質(zhì)量。

選擇振型除滿足1.25倍汽輪機(jī)頻率，尚應(yīng)滿足振型參與質(zhì)量為90%的基本要求，滿足該要求則可認(rèn)為多自由度體系振動(dòng)參與度符合要求。

2.根據(jù)振型頻率建立時(shí)程荷載工況

每個(gè)振型頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)程荷載工況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，需要建立83個(gè)工況?？紤]到后面頻率密集，每三個(gè)取一個(gè)工況。一共取20個(gè)時(shí)程荷載工況。分析類型：線性。分析方法：振型疊加法。時(shí)程類型：周期。分析時(shí)間：為保證結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，取不小于20倍振型周期。分析時(shí)間步長：不大于振型周期/20。阻尼計(jì)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(gè)振型頻率計(jì)算對(duì)應(yīng)的擾力大小A，并輸入對(duì)應(yīng)振型頻率。擾力大小A的計(jì)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(diǎn)，且每處作用的荷載值不同，所以需要建立20X4=80個(gè)時(shí)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(diǎn)動(dòng)力荷載的形式施加到擾力作用的節(jié)點(diǎn)上。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的擾力作用分為三個(gè)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(dòng)力荷載的節(jié)點(diǎn)是8個(gè)，所以需要施加20X8X3=480個(gè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載。顯示施加的擾力荷載，勾選顯示中的節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載。

5.動(dòng)力分析時(shí)，Gen中必要的設(shè)置勾選“將自重轉(zhuǎn)換為質(zhì)量”。另外需要將設(shè)備自重轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。施加板底約束。本工程為樁基，因此設(shè)置點(diǎn)約束。天然地基的抗壓剛度系數(shù)可按照3.3.2條進(jìn)行選取。分析結(jié)果后處理及建議4Part

1.振動(dòng)結(jié)果的查看結(jié)果表格->時(shí)程分析->位移/速度/加速度。填寫擾力作用的節(jié)點(diǎn)號(hào)，勾選所有時(shí)程工況。檢查Dx，Dy，Dz時(shí)候有超限的情況。本工程需要檢查20X8X3=480個(gè)振動(dòng)線位移結(jié)果。一般將所施加節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)單獨(dú)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(jié)果”中的周期、頻率及得出對(duì)應(yīng)的擾力幅值A(chǔ)。通過手動(dòng)添加一個(gè)時(shí)程工況，一個(gè)諧振荷載函數(shù)，施加一個(gè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載，然后導(dǎo)出mgt文件，學(xué)習(xí)相關(guān)命令流格式。編寫時(shí)程工況、諧振函數(shù)、節(jié)點(diǎn)動(dòng)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(dǎo)入到模型中。

3.后處理位移結(jié)果可以采用Excel編輯成圖，更加直觀。

4.采用梁板單元計(jì)算實(shí)際上規(guī)范所采用的也是梁單元進(jìn)行的設(shè)計(jì)。對(duì)比實(shí)體單元和梁板單元。實(shí)體單元個(gè)數(shù)26360，梁板單元模型4072，6.47倍。實(shí)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(shí)體單元模型分析時(shí)間2425.55S，梁板單元模型分析時(shí)間243.17S，9.97倍，分析速度大大加快。采用梁板單元分析時(shí)應(yīng)注意將立柱分割單元，不能為單個(gè)單元。底板剛度大，因此梁板單元分析時(shí)，柱可從柱根開始建模。采用梁板單元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)頻率采用實(shí)體單元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)頻率采用梁板單元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)第1模態(tài)T1=0.398s采用實(shí)體單元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)第1模態(tài)T1=0.404s采用實(shí)體單元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)第2模態(tài)T2=0.371s采用梁板單元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)第2模態(tài)T2=0.362s采用梁板單元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)第3模態(tài)T3=0.335s采用實(shí)體單元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)第3