高烈度区弹簧隔振汽机基础的设计分析

廖　莹　黄小玲

(1.中核华纬工程设计研究有限公司，江苏 南京　210019；2.江苏省电力设计院，江苏 南京　211102)



高烈度区弹簧隔振汽机基础的设计分析

廖莹1黄小玲2

(1.中核华纬工程设计研究有限公司，江苏 南京210019；2.江苏省电力设计院，江苏 南京211102)

以烈度为8度区域某工程汽机基础设计为背景，针对常规固定式基础地震加速度响应超限等问题，提出采用弹簧隔振汽机基础的优化设计方案，并对隔振基础进行模态、谐响应以及地震响应谱分析，结果表明，弹簧隔振方案在不增加工程造价的情况下，大幅度减少基础底板的钢筋混凝土用量，具有较高技术和环保价值。

高设防烈度，弹簧隔振，汽机基础，响应谱分析

0　引言

某2×660 MW煤电工程位于抗震设防烈度为8度(0.242g)区域，其汽轮机型号为西门子HMN二次再热机型，同类机型在国内没有设计、投产先例。此类机型汽机基础的设计常借鉴国内的设计习惯和经验，采用固定式基础。

汽机基础的设计需解决两个问题：一是基础在动扰力作用下的振动位移必须满足规范或厂家要求，以确保机组在正常工况下安全、稳定运行；二是基础上的设备在地震作用下的加速度响应必须满足厂家要求，以避免地震作用对设备产生破坏性影响。

弹簧隔振技术在调节基础不均匀变形、振动控制等诸方面具有常规结构无法比拟的优势，在欧洲火电工程、我国核电工程中已被广泛应用。本文即以高烈度区汽机基础设计为背景，提出弹簧隔振基础方案，以大型有限元软件ANSYS为平台，对弹簧隔振基础进行动力性能、地震响应计算分析，并与固定式汽机基础进行技术、经济性比较。

1　隔振方案及分析模型

HMN二次再热机型与HMN机型在荷载量级上基本相同，其主要区别在于汽机头部增设了一个用于二次再热的中压缸，隔振台板的外形、厚度基本沿用常规HMN基础，并对局部部位进行尺寸拉长等调整。

1.1隔振设计参数

隔振体系的动力学方程如下：

自由振动方程：

(1)

强迫振动方程：

(2)

(3)

式中：Fsinωt——振动力；

m——设备及基础的总质量；

k——弹簧支撑的刚度系数；

ω——激振力的圆频率；

ωn——设备及台板的自振圆频率；

η——隔振系统的绝对传递系数。

竖向隔振传递系数取为0.01，主机设备质量为2 025 t，基础台板重量为2 020 t，隔振系统的阻尼主要取决于弹簧阻尼器，系统阻尼比取为0.2，由此换算出弹簧总竖向刚度为5 250 000 kN/m，弹簧总水平刚度取竖向刚度的1/6。

1.2隔振设计方案

基础台板外形参考HMN常规基础，保持台板厚度、宽度不变，基础长度及局部尺寸依据二次再热机型进行针对性调整，中间层采用现浇混凝土梁板式结构。框架柱布置基本沿用HMN机型布置，汽机区域增设一排柱，详细方案如图1所示。

1.3隔振计算模型

有限元计算采用ANSYS软件，计算模型如下：基础本体以六面体Solid45模拟；设备质量以Mass21单元模拟，弹簧用Combin14模拟；不考虑混凝土材料的非线性性质；在转子轴线高度位置建立轴承座模拟点，通过刚性杆单元与基础连接。

2　计算结果及分析

2.1基础模态分析

通过模态分析，获得基础结构的各向自振频率及模态，可对基础的振动特性做初步评价。弹簧隔振基础前2阶振型见图2，图3，由模态分析可以得出如下结论：弹簧隔振基础前两阶模态为运转层台板的整体平动，弹簧隔振器以下结构基本未参振。相比于固定式基础，隔振基础的1阶频率均有降低，尤其是竖向1阶降低幅度明显。

2.2谐响应分析结果

谐响应分析可获得结构在激振力作用下的振动位移响应，汽机基础典型轴承座点的振动幅频曲线如图4所示，振动传递率对比曲线如图5所示。

1)在0.9倍～1.15倍工作转速范围内。

固定式基础、弹簧隔振基础振动位移均较小。后者稍大于前者且均远小于规范限值17.1 μm；隔振基础在低频率阶段的峰值点更加密集，峰值小于固定基础，在启动阶段具有更好的动力性能；采用弹簧隔振之后基础具有与固定式基础相近的振动性能。

2)隔振效果。

启动初始阶段(0 rpm～500 rpm)横、竖向的传递率比值基本大于1，表明弹簧隔振基础振动传递大于固定式基础；启动阶段之后，传递率比值迅速衰减，1 000 rpm后横向稳定在0.039、竖向稳定在0.04，正常运行阶段弹簧隔振基础的振动对框架柱影响可以忽略。

2.3地震作用响应谱分析

轴承座在基本地震作用下的加速度限值为0.3g，通过地震响应谱分析获得各轴承座点的加速度响应，同时对作用在结构上的

地震力进行统计分析，结果如表1所示。

表1　谐响应分析对比表

1)弹簧隔振基础的地震加速度响应仅为固定式基础0.31倍～0.33倍，弹簧隔振能大幅度降低结构及设备在地震作用下的加速度响应；弹簧隔振基础的地震位移响应略大于固定式基础，但增加幅度均不大。

2)柱顶反力响应。

地震作用下弹簧隔振基础的柱顶地震力与重量的比值仅为固定式基础的0.31倍～0.4倍，弹簧隔振基础的柱顶反力明显小于固定式基础，具有良好减震效果。

3　结语

通过弹簧隔振基础的模态分析、谐响应分析以及地震反应谱分析，并通过与常规固定式基础进行对比，可以得出如下结论：

1)隔振基础相比固定基础，在各个方向上的1阶振型频率更低，且参振质量更小。

2)弹簧隔振基础在启动阶段的振动位移要普遍小于固定基础，对机组检修及冲高转速更加有利。

3)弹簧隔振基础的振动传递率要远低于固定式基础，前者仅为后者的4%。

4)弹簧隔振基础可以大大降低设备的地震响应，满足高烈度区汽机基础设计要求。

5)弹簧隔振基础的地震作用力仅为固定式基础的30%～40%，可大大降低基座地震力。

此外采用弹簧隔振，可以忽略激振力对框架柱、中间层及底板的影响，可以按静力结构进行设计，可大为节省底板的工程量。实际设计表明，660 MW级单台机组可节省混凝土方量约2 000 m3，基本抵消弹簧隔振器费用，其环保效益显著。

[1]GB 50463—2008，隔振设计规范[S].

[2]朱彤，陈春雷.动力机器框架式基础的隔振研究[J].振动与冲击，2010，29(2)：121-124.

[3]周雷靖.核电站1000 MW半速汽轮发电机组弹簧隔振基础强迫振动模型试验[J].武汉大学学报(工学版)，2007,40(S1):480-483.

On design analysis of spring vibration isolation TG-foundation in areas with high seismic fortification intensity

Liao Ying1Huang Xiaoling2

(1.China Nuclear Industry Engineering Design and Research Co., Ltd, Nanjing 210019, China;2.Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

Taking some engineering TG-foundation design at some area with 8-degree seismic fortification intensity as the background, the paper points out the optimal design scheme for the spring vibration isolation TG-foundation according to the ultra-limitation of the regular fixed foundation seismic accelerator response, undertakes the model analysis, harmonic response analysis and response spectrum analysis, and indicates the spring vibration isolation can greatly reduce the reinforced concrete at the foundation plates with higher technical and environment-friendly value without increasing the engineering cost.

high seismic fortification intensity, spring vibration isolation, TG-foundation, response spectrum analysis

1009-6825(2016)25-0051-02

2016-06-27

廖莹(1983- )，女，硕士，工程师，一级注册结构工程师；黄小玲(1982- )，男，硕士，高级工程师

TU352

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