低位布置燃机基座考虑桩动刚度的动力分析与优化设计

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2019年中国电机工程学会年会论文集低位布置燃机基座考虑桩动刚度的动力分析与优化设计陈路遥，谈臻华东电力设计院有限公司，上海市200063DynamicAnalysisandOptimizationDesignofLowArrangedGasTurbineFoundationConsideringPileDynamicStiffnessChenLuyao,TanZhenEastChinaElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200063.摘要：本文研究了江苏华电通州2×200MW级燃机热电联产工程燃机基础的动力性能。本燃机基础为低位布置，底板与桩基连接。采用SAP2000软件建立燃机基础有限元模型，采用弹簧单元模拟桩基，考虑桩基动刚度。本文对两种方案进行燃机基础动力分析，优化燃机基础的动力性能。本文分别采用试验动刚度与《动规》计算动刚度进行动力分析，对比两种方法，《动规》方法计算得桩基动刚度较试验大，《动规》刚度计算得振动线位移曲线右移，峰值右移，说明基座下部桩基动刚度对燃机基座动力性能影响较大，不能忽略桩基刚度对低位布置燃机基座的影响。关键词：燃机基座；低位布置；桩动刚度；动力分析ABSTRACT:ThispaperstudiesthedynamicperformanceofJiangsuHuadianTongzhou2×200MWgasturbinepowerplant.Thegasturbinefoundationislowarranged,andthebottomplateisconnectedwiththepilefoundation.ThefiniteelementmodelofthegasturbinefoundationisestablishedusingSAP2000software.Thespringelementwasusedtosimulatethepile,andthedynamicstiffnessofthepileisconsidered.Inthispaper,twoschemesareusedtoanalyzethebasicdynamicsofthecombustionengineandoptimizethedynamicperformanceofthegasturbinefoundation.Dynamicstiffnessanalysisisusedtocalculatethedynamicstiffnessofthepile.Thedynamicstiffnessofthepileiscalculatedbycomparingthetwomethodsandtheregulationmethod.Thedisplacementcurveofthevibrationlineoffsetsrightandthepeakoffsetsright.Thedynamicstiffnessofthepilecanimpactthedynamicperformanceofthegasturbine.Sothepilestiffnessoflowarrangementgasturbinefoundationcan’tbeignored.KEYWORD:gasturbinefoundation;lowarrangement;piledynamicstiffness;dynamicanalysis1前言本燃机基座采用SAP2000有限元软件建模，有限元模型如图1所示。底板与侧壁选用江苏华电通州2×200MW级燃机热电联产SAP2000中厚壳单元，考虑横向剪切变形的影响。工程是Siemens机型9E级燃机基座。本燃机为多轴布置联合循环燃气轮发电机。此种类型的燃机基础低位布置，桩基与燃机底板相连，桩基数量及刚度对燃机基础的动力特性影响大，不可忽略。本文研究桩基动刚度对燃机基础动力特性的影响，对燃机基础动力性能分析并提出设计建议。2有限元模型图1燃机基座有限元模型

12019年中国电机工程学会年会论文集因桩身直径600mm，远小于底板厚2300mm，故忽略桩对底板的约束作用。燃机基座桩与底板壳单元采用无质量的刚性杆连接至基础底面，在基础底面定义桩弹簧，共55根。根据试桩报告，单桩抗压动刚度kpz=5.32x105kN/m，单桩抗剪动刚度kpx=kpy=0.44x105kN/m。图4三阶振型(5.33Hz)绕Z轴转动3特征值分析通过SAP2000特征向量分析方法进行结构模态分析，确定有限元模型的特征频率、振型和质量参与系数如表1及图2~5所示。图5六阶振型(17.35Hz)竖向平动表1基础特征频率及质量参与系数燃机基座由0-70Hz共有28阶振型，远少于周期频率振型质量参与比框架式基础。结构振型如上图所示，前几阶振型模态(sec)(Hz)UXUYUZ基本为燃机基座整体平动与转动，未见燃机基座10.1995.0298.2%0.0%1.1%弹性变形，可见燃机基座刚度较桩弹簧刚度大。20.1965.100.1%0.0%0.0%4轴承振动分析30.1885.330.0%0.0%0.4%4.1振动分析参数40.08511.730.5%0.0%9.4%轴承振动分析采用稳态分析方法。扰力取值50.07513.420.5%0.0%16.7%如式1所示。671.3220.05817.350.0%0.0%P=MGoigi=MGgi()%270.05518.160.4%0.7%65.3%=(W9.80665gi)(G)()（1）80.05518.250.0%13.8%3.2%90.05319.010.0%10.8%0.4%Mgi—作用在基础第i点(扰力点)的机器转100.04920.320.0%0.7%0.2%子质量；W—gi作用在基础第i点(扰力点)的机器转子重量；—机器的工作转速250rad/sec()；—强迫振动分析时的激振转速(rad/sec)；G=e=.25(mm/sec)—平衡质量等级；代入（1）式得：图2一阶振型(5.02Hz)横向平动Poi0.08Wgi。图3二阶振型(5.10Hz)纵向平动

22019年中国电机工程学会年会论文集表2轴承振动扰力值大振动线位移38.05um，远大于振动限值17.1um。转子重扰力方案B振动线位移满足限值要求，故增大3号轴转子位置（kN）（kN）承处柱截面为600×800可明显减小3号轴承处发电机轴承横向振动线位移。W134327.44（励端）4.3《动规》与试验方法对比发电机轴承GB50040-96《动力机器基础设计规范》3.3W231425.12（汽端）节提出通过地基土层参数计算地基动刚度。《动汽轮机轴承规》计算得地基动刚度与试验结果有差别，研究W320416.32（发电机端）地基动刚度对结构动力特性的影响，以保障机组汽轮机轴承安全稳定运行。W430624.48（扩散器端）本节依据《动规》计算动刚度，并与试验结说明：燃气轮机扰力由G2.5确定果对比，研究地基动刚度对燃机基座动力性能的动力计算恒定阻尼比2%；分析截止频率65影响。（Hz），采样频率范围±20＋50﹙Hz﹚；评估频表4竖向动刚度kN/m率范围；±10＋50﹙hz﹚；扰力在评估频率范围土层hiCptCptAp为常数。④223.1912000524545⑤1.210000226194.2方案优化对比分析根据初步动力分析，判断3号轴承处横向水⑥16.3700083127平动位移较大，拟通过增大3号轴承处柱截面、⑥24.311000081242增加底板厚度（原底板厚为2200mm）来降低3kpz1.08E+06号轴承处横向振动位移，如下表计算2个方案，表5水平动刚度kN/m其中方案A为机务初步提资方案，方案B为改进方案。土层Czihi11−1表3动力分析对比方案Czi11++22hhii−1hhdd备选方案底板厚度(mm)3号轴承处柱截面④238000231.61E-05方案A2300600×600⑤8000242.29E-05方案B2300600×800⑥18000292.65E-05kpx6.10E+04表6《动规》与试验结果对比动刚度kpz(kN/m)kpx(kN/m)《动规》1.08E+066.10E+04试验5.32E+054.40E+04《动规》/试验2.031.39经计算，竖向与水平动刚度《动规》方法均较试验方法大，竖向动刚度《动规》方法为试验图6两方案3号轴承横向振动线位移方法的2倍，水平动刚度为试验方法的1.39倍。比较各方案3号轴承处横向振动线位移如图采用特征向量法计算结构频率，如表7所示。6所示。扰力在评估范围内为常数，分析结果如由表可见，动规刚度计算得频率较试验刚度计算图6所示。由图可见，方案A三号轴承处在工作频率大，各阶振型相近。频率[45Hz,55Hz]范围内横向振动线位移超限，最

32019年中国电机工程学会年会论文集表7试验刚度与动规刚度特征频率对比图9《动规》横向振动线位移模态试验刚度动规刚度15.025.9625.106.0035.336.24411.7311.92513.4213.76617.3520.25718.1624.29818.2524.62图10试验横向振动线位移919.0124.921020.3225.71采用稳态分析方法，分别计算两种动刚度结构动力响应，如图7~12所示。图11《动规》纵向振动线位移图7《动规》竖向振动线位移图12试验纵向振动线位移由上图可见，按照《动规》及试验动刚度计算，结构动力响应均满足标准要求。两种动刚度各方向振动曲线形状相近，《动图8试验竖向振动线位移规》动刚度计算的振动线位移幅频曲线较试验曲线右移，振动峰值右移，为《动规》桩基刚度较试验刚度大所致。两种算法最大振动线位移如表8所示。表8两种算法最大振动线位移两种算法最大振动线位移《动规》试验umax(μm)6.265.60竖向频率（Hz)46.4954.90位置BRG_4BRG_3

42019年中国电机工程学会年会论文集umax(μm)11.5811.15(3)本文根据GB50040-96《动力机器基础设横向频率（Hz)52.0052.00计规范》计算桩基动刚度，计算得竖向动刚度《动位置BRG_4BRG_4规》方法为试验方法的2倍，水平动刚度为试验umax(μm)4.206.77方法的1.39倍。动规刚度计算得频率较试验刚度纵向频率（Hz)55.0054.90计算频率大，各阶振型相近。位置BRG_1BRG_1(4)经动力计算，两种动刚度计算得各方向由上表可见，竖向、横向最大振动线位移《动振动曲线形状相近，《动规》动刚度计算得振动线规》刚度计算大于试验刚度，纵向最大线位移《动位移幅频曲线较试验动刚度计算得曲线右移，振规》刚度小于试验刚度。动峰值右移。通过上述分析，基座下部桩基动刚度的改变(5)基座下部桩基动刚度的改变对燃机基座对上部结构动力分析影响较大，不能忽略桩基刚动力分析有影响，不能忽略桩基刚度对低位布置度对低位布置燃机基座的影响。燃机基座的影响。5结论参考文献(1)根据《桩的动刚度试验报告》得出的桩基刚度模拟桩基，对燃机基座进行特征值分析，[1]方伟定，钟金周.GE大块式燃机基座设计分析[J].武汉大学学报（工学版）2013,46:216-219.燃机基座由0-70Hz共有28阶振型，远少于框架[2]杨辉.巴基斯坦某燃机联合循环电厂工程燃气轮发电机基础式基础。前几阶振型基本为燃机基座整体平动与动力特性数模分析[D],西安建筑科技大学;2012年.[3]黄小玲,沈涛,朱祝兵,代泽兵.结合实例对9E型燃机基础的转动，未见燃机基座弹性变形，可见燃机基座刚动扰力和动力特性探讨[J].特种结构,2012,29(6):68-73.度较桩弹簧刚度大。[4]王浩,赵学毅.燃机基座动力分析[J].武汉大学学报（工学(2)对燃机基座进行动力分析，因经动力计版）.2010,43:225-226算，机务提资3号轴承处振动线位移超限，对机作者简介：务提资3号轴承处柱截面进行优化，将柱截面由陈路遥（1988-），男，江苏，研究生，工程师，电力土建结构设计，600×600扩大为600×800，大大减低3号轴承新能源结构设计处横向振动线位移。经动力分析，优化后的燃机基座扰力所有轴承支撑点的振幅均小于规范允许限值17.1μm，从而提出燃机基座的设计方案。