GE大块式燃机基座设计分析

GE大块式燃机基座设计分析XXX1方伟定2钟金周2（1.xxxxxxxx；2.浙江省电力设计院杭州310012）摘要：按GE厂家要求，运用有限元ANSYS程序对两个分别为天然地基和桩基的大块式燃机基座进行计算，发现其中的桩基基座不能满足厂家要求。通过对基座不同方案研究比较，认为在动力分析时，为使计算更接近实际情况，大块式燃机基座需按国内动规要求考虑桩和土的参振质量。最后从计算结果中得到一些有益的结论。关键字：大块式燃机基座；参振质量；动力分析中国分类号：XXX文献标识码：A文章编号：TheAnalysisandDesignoftheBlockTypeFoundationforGE’sGas-Turbine-GeneratorPedestalFANGWEIDING2ZHONGJINZHOU2（1.xxxxxxxx；2.ZhejiangElectricPowerDesignInstitute,Hangzhou310012,China）Abstract:BythecomparisonandanalysisofthedynamicresponsebetweenthenaturalfoundationpedestalandthepilefoundationpedestalinaFEA-methodofANSYSprogram,itisshowedthatonlythepilefoundationcouldnotmeettheGE’srequirements.Theresearchofthedeferentpedestalmodelssuggestedthattheparticipatingmassofpile-soilshouldcomplywiththeChinesecodewhichcouldmakethecalculationclosertotheactualconditions.Meanwhile,someusefulconclusionsaredrawnfromtheanalysisresults.Keyword:BlockTypeFoundationforGE’sGas-Turbine-GeneratorPedestal；ParticipatingMass；DynamicAnalysis1概述某2X100MW燃机电厂采用6FA燃气-蒸汽联合循环机组，厂家为GE公司。燃气轮机额定转速为5235rpm，发电机额定转速为3000rpm，中间通过传动装置连接。基座为大块式基础，由13.1m*6.95m*2.6m（部分3m）和9.5m*4.3m*3.79m长方块组成，基础总长约22.6m。采用直径800灌注桩基础，共25根。燃机基座布置如图1。根据厂家要求，我们运用通用有限元程序ANSYS对燃机基座建模进行动力分析。以往同类工程基座的地质条件都较好，基本采用天然地基，动力计算满足厂家要求。本工程采用桩基，计算后发现等效荷载法不能满足厂家要求。为此需要进一步对这两种情况进行深入分析比较。图1燃机基座平面和剖面图2建模大块式基础与地基（或桩基）直接连接，基础顶面放置设备，把大块式基础简化为厚板单元不再合适，需实体建模，采用SOLID45单元模拟。顶面设备与基座的连接支架采用刚臂模拟，程序中采用梁BEAM4。设备质量采用单元MASS21模拟。天然地基根据动规计算地基的抗压、抗剪和抗弯刚度，在程序中设置弹簧来模拟。桩基础可将工程桩简化为弹簧，工程桩的水平和竖向刚度采用三个弹簧单元COMBIN14模拟，即水平x，y方向及竖向z方向。重力加速度为9810mm/s2。混凝土C30，材料参数为：弹性模量取30GPa，柏松比取0.2，密度取2.5×10-9t/mm3。根据桩基动刚度试验报告，工程桩的单桩水平动刚度Kh,Dynamic=4.4×108N/m，竖向动刚度Kv,Dynamic=2.05×109N/m。3大块式燃机基座动力分析比较根据GE厂家要求，动力计算包括两部分：一部分是等效荷载法计算，另一部分为动刚度计算。这两部分都满足要求了，动力计算才能满足。等效荷载法要求计算动力放大系数，动力放大系数对于燃气轮机和发电机高频设备来说，要计算出最接近0.9~1.1n（n为设备额定转速）且具有明显质量参与的自振频率，根据这个自振频率计算放大系数（见下式）。把放大系数乘以厂家给定的动力荷载得到等效静力荷载，然后再施加等效静力荷载计算基础顶面的位移，位移限值在发电机区域是53微米，燃机区域是46微米。222/2/11nn，动力放大系数；，阻尼比，按德国规范《机器基础：具有旋转零件的机器用柔性支承结构》DIN4024第一部分取0.02；，基础自振频率；n，设备额定频率。3.1等效荷载法计算首先应进行模态分析，主要用于确定大块式燃机基础的固有振动特性，即基础的固有频率和振型。天然地基燃机基座（已有工程，相同机型，2010年发电）的自振频率及各方向的质量参与系数详见表1。表1天然地基燃机基座自振频率及各方向的质量参与系数振型序号自振频率X向质量参与系数Y向质量参与系数Z向质量参与系数15.904920.6816041.42E-031.57E-0429.45937.88E-040.535541.79E-02311.49191.28E-021.47E-042.41E-04411.65335.88E-042.89E-020.970125514.20081.32E-030.4328481.15E-02615.43090.3023898.66E-045.56E-05从表中可以看出，自振频率15.43Hz最接近45~55Hz，且有较大的质量参与（质量参与系数为0.302）。代入公式，放大系数为0.105。等效静荷载作用下位移满足要求。本次工程采用桩基时，发现自振频率为31.73Hz，等效静荷载作用下最大位移为0.096mm，大大超出位移限值0.053mm。为满足厂家要求，我们通过改变大块式基础的板厚，增加板厚1m，通过计算，等效静荷载作用下最大位移为0.075mm，超出位移限值0.053mm。根据文献[4]的振动试验，桩和土的参振质量明显，不可忽略，又根据动规3.3.19要求，计算预制桩或打入式灌注桩桩基的固有频率和振动线位移时，可按下式计算其竖向、水平向总质量。msz=m+m0；msx=m+0.4m0；m0=ltbdρ。msz为桩基竖向总质量；msx为桩基水平向转向总质量；m0，桩和土的参振质量；lt为桩的折算长度；b为基础底面的宽度；d为基础底面的长度；ρ为桩和土的混合密度。对于本次工程，桩基长都大于15m，按动规取lt=2.4m，ρ取2t/m3，bd即为底面积，则m0=2.4*132*2=634t。因竖向和水平的参振质量不同，在ANSYS程序计算中，可通过底面均匀增加质量单元MASS21来处理，通过单元实常数分别定义竖向和水平的不同质量。为便于分析比较，把天然地基燃机基座（已有工程）定义为方案一，本次采用桩基但未考虑桩土参振质量的基座方案定义为方案二，把方案二增加板厚1m的方案定义为方案三，把方案二按动规要求考虑桩土参振质量的方案定义为方案四，表2为各方案的计算结果。下图2为方案四等效静荷载作用下的基座的位移云图。从表中可以看出，频率的计算关系到动力放大系数的大小。本方案中，天然地基的水平剪切总刚度和竖向总刚度基本相同，竖向抗压刚度略小；桩基的竖向抗压总刚度约为水平剪切总刚度的5倍左右。天然地基和桩基的水平剪切总刚度基本相同。从天然地基与桩基刚度比较可看出，总刚度越大，较大质量参与且最接近机器额定频率的基座自振频率越大，对高频燃机基座动力计算越不利。在设计时，在满足沉降及承载力等要求的前提下，可减少桩基数量或减小桩径。表2各方案主要计算结果比较方案水平剪切总刚度Kx(N/m)竖向抗压总刚度Kz(N/m)较大质量参与且最接近机器额定频率的基座自振频率（Hz）动力放大系数发电机后轴承处等效静荷载（10^4N）桩顶（天然地基为角点）位移（mm）等效静荷载作用点位移（mm）基础转动产生位移与总位移的比一9.37E+099.01E0915.40.111.40.00920.04150.777二1.01E+105.13E1031.730.678.80.04770.09620.504三1.01E+105.13E1028.380.486.20.03310.07450.556四1.01E+105.13E1025.750.364.70.02530.05190.512根据桩基基础方案，加大板厚可以减小振动响应，但是由此引起基础转动产生的位移所占比重也越大，主要是由于加大板厚也相应增加了扰力的扰力矩，因此这两者需要综合平衡。表中基础转动产生位移与总位移的比最大的是方案一天然地基方案，达到77.7%，天然地基竖向刚度减小后，转动位移增加，这点可从侧填土填料和压实系数考虑，也可以增加刚性地面，以减小振动位移。桩基基础方案应当按国内动规要求考虑桩和土的参照质量，这样将更加接近基座的实际工作情况。厂家在计算中一味要求计算较大质量参与且最接近机器额定频率的基座自振频率，然后按此自振频率来计算放大系数，笔者认为过于局限。假设天然地基地质条件很好，甚至为基岩，这样竖向总抗压刚度很大，势必引起较大质量参与且最接近机器额定频率的基座自振频率也较大。按这个频率来计算等效静力荷载将更大，因此53微米的位移限值不易满足。如按发电机前端导向支座处等效静力集中荷载100kN作用在长4300m宽1200高为3000的C30混凝土上，光剪切变形就达4.6微米。这种等效静力法相当于是动力分析中的“共振法”设计原则，但是要使高转速机器避开基础的自振频率是不可能的[5]，特别是在机器启停机时。应该允许采用振幅法，即通过施加激振力来计算基础实际响应，从而达到控制振动的目的。另一方面，在计算放大系数时，系统阻尼比按DIN4024取0.02。而在实际桩基动刚度测试中，其桩基的阻尼比至少0.26以上，对于大部分埋置的整个燃机基座来说，系统阻尼比取0.02偏小，导致动力放大系数计算偏大。图2方案四等效静荷载作用下位移云图图3方案四发电机前端对称支座点水平扰力作用3.2动刚度计算根据厂家要求，为了检验基础的动刚度，需要在燃机、传动齿轮或发电机关于轴对称的支座上分别施加激振力来计算。竖向为FT=5kN*sin[2π（nt/60）t]，横向Fv=5kN*sin[2π（nt/60）t+π/2]。nt为燃机或发电机的额定转速。限值为横向位移3.5微米，竖向为2.0微米。图3方案四发电机前端对称支座点水平扰力作用，为图4~5分别为方案四发电机前端对称支座点（9629和9654节点）在水平和竖向扰力作用下的振动线位移幅值与频率曲线（简称幅频曲线）图。从曲线可以看出，在厂家要求的扰力作用下，在发电机额定工况50Hz时，扰力点的水平向振动线位移为0.3微米，小于限值3.5微米，竖向振动线位移为0.042微米，小于限值2.0微米，满足要求。其它对称支座在给定的扰力作用下均满足要求，在此省略。图4方案四X向幅频曲线图5方案四Z向幅频曲线4结论（1）大块式燃机基础直接支承在天然地基或桩基上，地基土的参振质量不可忽略，特别是桩基基础，桩和土的参振质量应按国内动规要求考虑，使计算模型更接近燃机基座的实际情况。（2）对于燃机等高频机器的大块式基础，基础的基频小于燃机的额定频率，特别是采用桩基时，地基刚度取低，结果将会偏不安全，设计时可在满足沉降和承载力等前提下，采取尽量减少或减小桩基等方式，降低地基刚度，而此时在启动或停机时也需满足动力要求。（3）为减少大块式燃机基础振动，可通过适当加高基础埋深，增加阻尼，但是增加基础厚度后也增加了扰力矩，二者需要综合考虑。设计时可从侧填土的材料和压实密度以及增加刚性地坪等方面来考虑，以消散机器动能，有效控制基础在扰力作用下的动力响应。（4）桩基阻尼比按桩基动刚度试验报告可知最小为0.26，对于与测试条件相同的埋置燃机基座，系统阻尼比取0.02将导致动力计算与实际情况相差较大。（