基于不同標(biāo)準(zhǔn)半速汽機(jī)剛性基礎(chǔ)動(dòng)力特性分析

劉 偉

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100095)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

基于不同標(biāo)準(zhǔn)半速汽機(jī)剛性基礎(chǔ)動(dòng)力特性分析

劉 偉

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100095)

以國內(nèi)某AP1000核電站半速汽輪發(fā)電機(jī)剛性基礎(chǔ)為例，分別根據(jù)廠家標(biāo)準(zhǔn)及我國GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，采用SAP2000軟件進(jìn)行有限元建模及動(dòng)力特性分析，并對(duì)采用不同標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，不同標(biāo)準(zhǔn)下剛性基礎(chǔ)幅頻曲線雖有差異，但均能滿足各個(gè)規(guī)范限值要求。

剛性基礎(chǔ)，動(dòng)力特性，半速機(jī)

汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)承載著電廠最重要也是最昂貴的設(shè)備，不論是常規(guī)火力電廠還是核電站，汽輪機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)都極為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系重大。相比于常規(guī)火力發(fā)電站，核電站蒸汽參數(shù)不及常規(guī)火力發(fā)電站，為了輸出同樣的功率，核電站汽輪機(jī)需要更大的蒸汽流量。當(dāng)?shù)蛪号牌讛?shù)量相同時(shí)，核電站汽輪機(jī)末級(jí)葉片的長度通常要長得多。汽輪機(jī)末級(jí)葉片長度受到材料強(qiáng)度的制約，不能任意加長。為了能加長汽輪機(jī)末級(jí)葉片長度，又不超過材料強(qiáng)度的限制，只有降低汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速，即采用半速機(jī)組。目前國內(nèi)外的半速機(jī)基礎(chǔ)主要有兩種形式，一是采用彈簧隔振基礎(chǔ)，用彈簧將擾力產(chǎn)生的振動(dòng)過濾掉，使得基座不受動(dòng)力荷載的作用影響。另一種就是采用剛性基礎(chǔ)，通過計(jì)算，調(diào)整汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的剛度,避開汽輪機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率范圍,以免發(fā)生共振。

隨著我國核電建設(shè)的高速發(fā)展，核電裝機(jī)容量不斷增加，所采用機(jī)組類型也不盡相同。相應(yīng)的，半速汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型也不相同，有的采用剛性基礎(chǔ)，也有的采用彈簧隔振基礎(chǔ)。在進(jìn)行汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)時(shí)，國內(nèi)通常所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(簡稱“動(dòng)規(guī)”)。國際上也會(huì)遵循相應(yīng)設(shè)備廠家的技術(shù)要求或參照國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 10816—2)。不同的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或技術(shù)要求在計(jì)算原則、擾力取值、判定標(biāo)準(zhǔn)等方面都會(huì)存在不同。

本文將以國內(nèi)某大型AP1000三菱機(jī)型的半速機(jī)組的剛性基礎(chǔ)為例，利用大型通用有限元軟件SAP2000分別采用我國《動(dòng)規(guī)》和廠家要求兩套標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)值分析，并對(duì)兩套標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法和結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析方法和對(duì)比結(jié)果將為后續(xù)核電半速汽機(jī)剛性基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供有意義的參考。

1 我國《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和三菱廠家標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

在汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，不論是遵循我國《動(dòng)規(guī)》或依據(jù)三菱廠家標(biāo)準(zhǔn)，都要對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析。但在擾力取值大小、擾力點(diǎn)作用位置和方式、允許振動(dòng)幅值和結(jié)構(gòu)阻尼比的取值大小上均有不同。

1.1 強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析時(shí)的擾力

擾力是指在進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)相應(yīng)計(jì)算時(shí)所采取的激振力。按照我國《動(dòng)規(guī)》進(jìn)行分析時(shí)《動(dòng)規(guī)》中有規(guī)定：機(jī)器的擾力值、作用位置等亦由機(jī)器制造廠提供，當(dāng)缺少擾力資料時(shí)，任意轉(zhuǎn)速下的擾力值，可按下式計(jì)算：

其中，n0為任意轉(zhuǎn)速；n為機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速；Poi為機(jī)組任意轉(zhuǎn)速下的擾力值,kN；對(duì)于半速機(jī)取Pgi=0.16Wgi(垂直方向和橫向),Pgi=0.08Wgi(縱向),kN，Wgi為作用在基礎(chǔ)擾力點(diǎn)處的轉(zhuǎn)子重量,kN。根據(jù)上式可知，擾力值大小是隨頻率變化的。

按照三菱廠家的標(biāo)準(zhǔn)，引用ISO 1940/1—2004，該機(jī)組的不平衡等級(jí)為G5.0，則在25 Hz下的擾力公式為：

Pgi=Wi·(2πf)·G/9.81=

Wi×(2π×25)×0.005/9.81=0.08Wi。

其中，Pgi為i點(diǎn)的不平衡擾力，kN；Wi為i點(diǎn)的轉(zhuǎn)子重量，kN；G為不平衡等級(jí)，m/s；f為工作頻率，1/s。

當(dāng)任意轉(zhuǎn)速時(shí)，同《動(dòng)規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一樣隨頻率變化。

1.2 振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于不同的設(shè)備可以依據(jù)廠家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果沒有標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該遵照相應(yīng)的國際、國家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于剛性基礎(chǔ)振動(dòng)控制，我國《動(dòng)規(guī)》采用振幅法。控制基礎(chǔ)擾力作用點(diǎn)的振動(dòng)線位移，不控制頻率。其中規(guī)定，宜取在工作轉(zhuǎn)速±25%頻率范圍內(nèi)計(jì)算的最大振動(dòng)線位移作為工作轉(zhuǎn)速時(shí)的計(jì)算振動(dòng)線位移。對(duì)于半速汽輪機(jī)，《動(dòng)規(guī)》中基礎(chǔ)擾力點(diǎn)的允許振動(dòng)線位移在±25%工作轉(zhuǎn)速內(nèi)為40 μm。對(duì)從啟動(dòng)到75%工作轉(zhuǎn)速頻率范圍內(nèi)的計(jì)算振動(dòng)線位移，應(yīng)小于1.5倍的允許振動(dòng)線位移，即在啟動(dòng)過程中振動(dòng)線位移應(yīng)小于60 μm。三菱廠家標(biāo)準(zhǔn)引用ISO 10816標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行振動(dòng)控制。根據(jù)ISO 10816標(biāo)準(zhǔn)各擾力點(diǎn)的振動(dòng)速度均方根值不大于2.8 mm/s。換算成振動(dòng)線位移后，各擾力點(diǎn)在±25%工作轉(zhuǎn)速內(nèi)最大振動(dòng)線位移限值25 μm。在小于75%工作轉(zhuǎn)速內(nèi)最大振動(dòng)線位移不應(yīng)大于1.5倍的允許振動(dòng)線位移。

1.3 阻尼比的取值

進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析，必然會(huì)涉及到阻尼比，不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)阻尼比的規(guī)定相差較大。我國《動(dòng)規(guī)》中規(guī)定阻尼比可取6.25%，為常量。三菱機(jī)組廠家技術(shù)要求中規(guī)定阻尼比可取恒定值5%。

2 有限元模型建立

以國內(nèi)某大型AP1000三菱機(jī)型的半速機(jī)組的剛性基礎(chǔ)各項(xiàng)參數(shù)為依據(jù)，采用大型通用有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)值建模。大型汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)一般形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)值模型的準(zhǔn)確與否非常重要，直接關(guān)系到分析結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。因此，模型應(yīng)力求更真實(shí)、準(zhǔn)確和直觀地反映結(jié)構(gòu)自身的力學(xué)行為。模型對(duì)基礎(chǔ)柱腳假定為固結(jié)，僅對(duì)頂板和柱子建模,柱子底部設(shè)置固定約束。把汽輪機(jī)基礎(chǔ)模擬成三維框架，梁柱采用三維梁單元，剪力墻采用柱加剛性梁進(jìn)行模擬。汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等設(shè)備不建在模型當(dāng)中，設(shè)備重量作為外加荷載作用在基座上。基礎(chǔ)桿系單元模型拉伸顯示見圖1。

3 模態(tài)分析

采用SAP2000中的模態(tài)分析模塊進(jìn)行自由振動(dòng)特性分析，選用特征向量法，振型階數(shù)100，并設(shè)置截?cái)囝l率35 Hz。

根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果，汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)X(縱)向第一階自振頻率為2.53 Hz，Y(橫)向第一階自振頻率為3.66 Hz，Z(豎)向第一階自振頻率為18.2 Hz。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)在各個(gè)方向上的第一階振型都在機(jī)器正常運(yùn)行頻率的80%以內(nèi)，所以本基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，結(jié)構(gòu)形式是可取的。

4 強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析

本節(jié)分別按照《動(dòng)規(guī)》和三菱廠家標(biāo)準(zhǔn)，采用SAP2000的頻域分析模塊進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析，采用振型疊加法進(jìn)行計(jì)算。分別按照三菱廠家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行分析計(jì)算。

4.1 按照三菱廠家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)迫振動(dòng)分析結(jié)果

按照三菱廠家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 按照廠家標(biāo)準(zhǔn)分析結(jié)果

4.2 按照GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范強(qiáng)迫振動(dòng)分析結(jié)果

按照《動(dòng)規(guī)》計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 按照《動(dòng)規(guī)》分析結(jié)果

從以上兩種計(jì)算結(jié)果可知，由于擾力取值以及阻尼比取值不同，按照廠家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算與按照《動(dòng)規(guī)》計(jì)算的各擾力點(diǎn)最大振幅及相應(yīng)頻率點(diǎn)都有所差異。兩種標(biāo)準(zhǔn)下擾力點(diǎn)的計(jì)算最大振幅均能滿足各自限值要求。

5 結(jié)語

本文以某三菱機(jī)型核電半速機(jī)組剛性基礎(chǔ)為例，利用大型有限元軟件SAP2000分別建立了數(shù)值模型，并進(jìn)行了模態(tài)分析和強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析。結(jié)果顯示，不同標(biāo)準(zhǔn)下剛性基礎(chǔ)幅頻特性雖有差異，但均能滿足各個(gè)規(guī)范限值要求。目前國內(nèi)核電機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)一般按照廠家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，關(guān)于我國《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于核電半速機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的適用性，仍需要進(jìn)一步探討。

Analysis on dynamic characteristics of half speed vehicle rigid foundation based on different standards

Liu Wei

(NationalNuclearPowerPlanning&DesignInstitute,Beijing100095,China)

Taking the rigid foundation of half speed turbine generator of a domestic AP1000 nuclear power plant as an example, respectively according to the manufacturer’s standard and our GB 50040—96PowerMachineFoundationDesignSpecification, this paper made finite element modeling and dynamic characteristics analysis using SAP2000 software, and compared the results of different standards, the results showed, although the rigid foundation amplitude frequency curves had some difference in different standards, but could meet various specification limit value requirement.

rigid foundation, dynamic characteristic, half speed machine

2015-04-23

劉 偉(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0036-02

TH113

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