基于GE 机型的落地式燃机基础设计分析研究

龙杨洋

（湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

近年来全球天然气的产量迅速增加，给以洁净天然气为燃料的燃气轮机创造了良好的条件。根据发改委的规划，到2020 年我国将建成装机容量5500 万kW 的燃机规模。同时，随着国际市场的发展，在设计中结合我国经验，将我国的技术标准与国际标准相接轨，设计出符合厂家、规范要求的燃机基座已成为我们面前一个新的任务。燃气轮机安装于大块式混凝土基础上，基础的位移限制通常以微米计。因此，如何控制基础变形成为了燃机基础研究最重要的内容。在缅甸某直通燃机联合循环发电项目中，配置了2 台GE 6F.01 燃气轮机，单台燃机额定功率40860kW。本文结合该工程实例，借助通用有限元软件ANSYS 建模，对基础性能进行了综合分析。

1 有限元模型

在建模时，原则上尽量按照基础结构设计图来实施，在不影响计算结果精度的前提下，对严重增加计算难度的局部作了忽略处理。利用6 面体8节点等参单元模拟结构，利用正交异性材料参数模拟钢筋混凝土材料。基础结构数值模型如图1 所示。

图1 设备质量布置方式图

2 基础自振特征分析

2.1 分析方法

通过模态分析，得到基础自振频率、振型等参数，同时得到结构在各方向上的模态参与系数和有效质量等参数。其中模态参与系数是振型和激励方向的函数，参与系数可以衡量该阶模态在其激励方向上对变位的影响程度。而模态的某一振型的某一方向的有效质量，为各个质点质量与该质点在该阶振型中相应方向对应坐标乘积之和的平方。模态参与系数和有效质量是在结构抗震设计中使用的概念，但这两个参数也从一定意义上反映了结构在受外力作用时可能参与振动的程度。

2.2 频率分析

表1 列出了基础模态分析部分结果。

从表1 中可以看出，模态分布较稀疏。从分析结果来看，87.25Hz（燃气轮轮机工作频率）附近各阶模态的振型参与系数和有效质量均不大，后面的强迫振动响应分析也证明了这一点，扰力点振动线位移的最大幅值并没有出现在87.25Hz 附近

表1 前5 阶及工作频率的模态频率及模态参与系数、有效质量（平动）

3 强迫振动响应分析

3.1 强迫振动的计算结果

为了更好的反映扰力点处的振动情况，分别取扰力作用点正下方基础平台上与其对应的位置处为测点进行分析。本工程燃机额定转速5235r/min，超出普通汽轮机基础（3000r/min 及以下）评价标准范畴，根据ISO 标准及《建筑工程容许振动标准》（GB50868 - 2013）的相关规定，功率大于3MW 、转速在3000～ 20000r/min 范围内的发电和机械驱动的重型燃气轮机基础，在时域范围内的容许振动值采用振动速度均方根值：

本工程燃机基础与发电机基础为整体设计，为了合理评价基础振动特性，燃机端容许振动值采用振动速度均方根值，电机端采用振动位移峰值。模型扰力作用点位置图如图2。

图2 模型扰力作用点位置图

表2 扰力作用下的总幅值，根据《动力机器基础设计规范》规定，当有m 个扰力作用下，质点振动线位移为各扰力下线位移、速度平方和的方根值。

表2 工作阶段基础上各点最大振动线位移、速度及相应转速

3.2 强迫振动的振幅曲线

基础各关键点振动幅值随转速变化的趋势大体相当。启动阶段和运行阶段最大振动速度均方根值分别为1.04mm/s 和4.19mm/s，发生在2 号扰力点正下方基础平台上，图3 给出了2 点Y 向振幅曲线图。

图3 2 点Y 向振幅曲线

4 结语

（1）根据ISO10816-1 规定，将机器（燃机与汽机）振动分4 个评价区域：A 区指新投产的机器，振动通常宜在此区域；B 区指振动在此区域内的机器可以不受限制地长期运行；C 区指振动在区域内机器不宜长期运行，但在适当的补救措施前，可以运行有限的一段时间；D 区指在此区域范围振动的机器已足够严重并将引起机器损坏，必须停止运行。燃机基础设计时，工作阶段中稳态下（额定转速）的振动限值应按A/B 区限值进行控制，启动、停机超速等瞬态下的基础振动限值可按C/D 区限值进行控制。根据ISO10816-4 规定，对于转速3000～20000r/min 燃机基础，A/B 区容许振动速度均方根值为4.5mm/s，C/D 区容许振动速度均方根值为14.7mm/s。ANSYS 计算结果显示，各扰力点的最大振动速度均方根值均小于容许值。表明本基础结构具有较优的动力特性，完全满足ISO 标准。

（2）ANSYS 计算结果显示，在启动阶段和运行阶 段， 电 机 端扰力点的最大振动线位移分别 为16.02μm和 17.18μm，发生在3 号扰力点正下方基础平 台 上。 根 据《动力机器基础设计规范》（GB50040-96），ANSYS 计算结果显示，各扰力点的最大振幅均小于容许值。表明本基础结构具有较优的动力特性，完全满足规范要求。

（3）从计算得到的幅频曲线上看，电机端振幅值比燃机端大，由此可看出，低转速对基础的影响比高转速要大。

（4）基础震动主要受自身刚度、质量分布和扰力特性的影响，跟土壤类别、软硬程度的关系不大。土壤对汽轮机基础起到承载作用，可以认为地基反立为恒值，同时土壤跟随基础震动的参与度不大，可以忽略地基和覆土的影响。