汽轮发电机组框架式基础计算分析

高 等 利

(京鼎工程建设有限公司，北京 100011)

1 概述

汽轮发电机组系统主要包括汽轮机、发电机、基础和地基等部分。其基础设计主要是研究机器动荷载作用下基础的反应和振动波的能量在土中的传播。采用的基础形式主要有大块式基础和框架式基础两种。其中框架式基础的结构形式和力学特性相对比较复杂，施工周期也比较长，但是它可以节省建筑材料，并且方便放置管道、凝汽器等其他附属设备，利于操作和检修。所以，汽轮发电机组基础优先选用框架式基础。

一般情况下，基础设计需满足具有良好的动力特性、良好的刚度、足够的强度稳定性和耐久性、不影响仪器设备的正常使用等的要求，并使成本尽量最低。目前汽轮发电机组基础的设计方法有很多，但总的来说有振幅法和共振法两种。振幅法就是将基础的振幅控制在一定的范围之内，以免基础发生过大的振动位移；共振法就是控制基础的自振频率远离机器的扰力频率，以避免发生共振。这两种方法都有优点和缺点，振幅法需要确定机器的扰力、基础的阻尼和允许振幅的标准等问题，比较复杂；而共振法只要把频率计算准确即可，比较简单。这两种方法表面上看虽然有较大的差别，但实质上都是以基础的振幅越小越好为出发点。现行GB 50040—96动力机器基础设计规范采用振幅法，有一定的局限性，因此本案例两种方法同时控制，既控制振幅在一定的范围内，又控制频率在一定的范围内。

2 框架式基础的布置

根据相关规范和大量的工程经验，汽轮发电机组框架式基础可按如下原则布置：

1)基础应与四周脱开独立布置，并留适当的变形缝。

2)基础应尽可能对称，为避免和减少扭矩，荷载应尽量布置在构件的中心线上。

3)汽轮发电机组框架式基础一般分为顶板、柱子和基础底板三部分，为了确保机器的正常运转，可按下述原则确定各部分的布置：a.底板应有足够的刚度，可以调整地基的不均匀沉降，并且能很好的嵌固柱子，所以底板厚度不宜小于柱截面高度，也不宜小于基础顶板厚度，可取底板长度的1/10～1/15。b.柱的刚度宜小，但必须满足强度和稳定性的要求，并且其长细比不宜大于14，其截面尺寸不宜小于柱净高度的1/10～1/12。c.顶板应有足够的质量和刚度，其外形和受力应简单，并且避免偏心荷载，顶板厚度不宜小于其净跨度的1/4～1/5，且不得小于800 mm。

3 某工程中汽轮发电机组框架式基础的设计

3.1 工程概况

表1 荷载表 kN

设计资料如下：基本风压：ω0=0.70 kN/m；基本雪压：S0=0.30 kN/m；抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅳ类。安全等级为二级，设计基准期50年。发电机的功率为51.51 MW，转速为3 000 r/min。

此汽轮发电机组由凝汽器、汽轮机和发电机三部分组成，其中凝汽器没有振动荷载直接放在地面上，凝汽器基础和汽轮机、发电机基础脱开。根据汽轮机、发电机基础底座的荷载分布特征、动力作用特点及机器底座外形，采用框架式基础。

3.2 荷载表及荷载分布

本工程中汽轮发电机组的荷载表和荷载分布图见表1，图1。

3.3 动力分析

1)分析模型。

选择合适的模型能够更好的接近工程的实际状况，正确的分析各个构件受力情况，从而保证设计结果的准确性。对计算模型采取以下基本假定：

a.纵横梁和柱子在连接节点处正交于一点；

b.机器的质量作为附加质量，施加在几个节点上；

c.柱脚固定在基础底板上。

根据GB 50040—96动力机器基础设计规范，当框架式基础按空间多自由度体系进行振动计算时，对于转速不小于3 000 r/min的机器基础，地基可按刚性考虑，此时框架式基础底板本身对框架式基础的动力响应影响不大。并且，底板的主要作用是增加框架式基础的接触面积，防止框架式基础沉降和增加系统稳定性，而对框架式基础本身的动力特性影响不大。因此，为便于计算除去基础底板，不考虑底板对基础的影响，柱底按刚接考虑。

整体模型如图2所示，操作平台下的墙采用壳单元，平台的梁及柱采用梁单元。用质量为零的刚性连杆模拟机器的转轴，以模拟机器实际重心的位置及不平衡力的位置。

2)用时程函数添加动荷载。

不平衡力为简谐运动，可模拟为SIN的函数，采用时程分析方法，以此评估基础系统强迫振动下的位移反应。

3)动力分析结果。

a.自然频率：

发电机转速r=3 000 r/min，发电机频率H=3 000/60=50 Hz。为了避免发生共振，结构的自然频率必须符合以下两个要求：

第一服务频率(基本自然频率)f1>1.25fm，或f1≤0.8fm;

最接近服务频率fm的自然频率fn≤0.9fm及fn+1≥1.1fm。

从表2可以看出：

第一服务频率(基本自然频率)f1=17.44 Hz≤1.25fm=1.25×50=62.5 Hz。

最接近服务频率fm的自然频率f8=42.06 Hz≤0.9fm=0.9×50=45 Hz，f9=56.90 Hz≥1.1fm=1.1×50=55 Hz。

综上所述，结构的自然频率已经避开了发电机组的工作频率。

表2 基础前20阶模态下的频率

b.节点位移：

表3 基础动力计算允许振动线位移

我国GB 50040—96动力机器基础设计规范明确规定对基础的动力计算采用振动线位移控制的方法(振幅法)，即计算的振动线位移应小于允许振动线位移值，其允许振动线位移见表3。

此发电机组工作转速为3 000 r/min，从表3可以得出，汽轮发电机组正常运转时基础的允许振动线位移为0.02 mm。从图3和表4可以看出，基础顶板主要节点位移均不大于0.02 mm，满足规范要求。

表4 基础顶板主要节点位移 mm

4 结语

本文结合工程实际，对汽轮发电机组基础的设计做了基本的介绍。采用STAAD通用计算软件进行基础的动力计算，并应用于工程设计，且实践证明该汽轮发电机组基础一直运行良好，由此得到以下结论：

1)STAAD软件建模时，应合理简化并合理考虑附加质量及扰力的实际分布。

2)基于安全的考虑，可从频率和振幅两方面同时控制基础的动力特性。

3)对于转速不小于3 000 r/min的旋转式机组基础，可不考虑底板对基础的影响，柱底按刚接处理。