某储能发电机组公共底座设计及分析

陈秋红，李东超，杨延涛，陈彦，贾奕健，王昊

（1.中国船舶重工集团公司 第七一一研究所，上海 200090；2.船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 200090）

0 引言

储能发电机组是在标准柴油发电机组的柴油机和发电机之间增加大惯量飞轮进行机械储能，以满足瞬变负荷功率频繁突加突卸的用电需求，适用于负荷频繁突变且用电品质要求较高的环境[1]，以及负载做周期性波动的脉冲发电机组[2]。储能发电机机组可靠、环保、经济，是颇具发展前景的一类发电机组蓄能技术[3]。储能发电机组主要由柴油发动机、发电机、储能装置（含储能飞轮）和公共底座组成。公共底座作为储能发电机组的基座，是机组安全起吊和稳定运行的基础。因此公共底座的强度和刚度必须满足起吊工况和运行工况的需求，才能保证机组安全和工作性能。

以某码头电站的储能发电机组公共底座为研究对象，完成了公共底座的结构设计，并采用有限元静力分析方法对公共底座的强度和刚度进行了计算和分析。分析结果及实际使用结果表明，公共底座设计满足要求。

1 公共底座设计

公共底座整体采用焊接框架结构，纵梁及横梁均采用矩形钢。矩形钢截面抗弯系数大，抗弯能力强，可保证公共底座在水平及垂直方向都具有较好的刚度。根据储能发电机组设备布置方式，公共底座由发动机支座、发电机支座、储能装置支座、纵梁和若干横梁组成。公共底座侧面设计4个吊耳，用于公共底座吊装及组装后储能发电机组的整体起吊。公共底座三维模型如图1所示。

图1 公共底座三维模型

2 有限元分析模型

2.1 三维模型建立

为了更好地模拟公共底座变形和应力，同时在三维软件中建立了发动机、发电机及储能装置的简化三维模型。发动机及发电机的实际结构比较复杂，在保证其质量、质心位置与原结构一致的前提下，建立简化的三维模型即可满足要求。储能发电机组三维模型如图2所示。考虑计算的经济性，忽略公共底座上的安装孔、倒角、圆角等特征。将完成的三维模型导入有限元分析软件，进行静力学分析。

图2 储能发电机组有限元分析模型

2.2 材料属性

公共底座矩形钢及钢板材质均采用Q235-B，静力学分析所需要的材料属性定义如表1所示。

表1 公共底座材料属性

2.3 网格划分

发动机和发电机形状规则，故采用六面体网格，单元尺寸为80 mm；其余部分均采用自适应网格，网格大小为40 mm。网格划分结果：模型的节点总数为484 177，单元总数为173 546，网格模型如图3所示。

图3 储能发电机组有限元网格

2.4 工况设置

根据储能发电机组不同工况，分别对公共底座在发电机组整体吊装和发电机组运行两种工况进行受力分析。

2.4.1 起吊工况

大型设备吊装时起重设备运行缓慢，可近似认为机组吊耳处的起吊力与重力及其他附加载荷（如风载、附着力等）始终平衡。考虑装配误差、不均匀受力系数及其他附加载荷（如风载、附着力等），起吊工况载荷按照2倍重力载荷考虑。

边界条件：约束4个吊耳底面X向、Y向、Z向的位移，3个方向的位移均为0。

载荷：1）机组整体施加2g重力加速度；2）在4个吊耳吊孔处平均施加、合计为F=2G的起吊力（G为机组整体重力载荷）。

2.4.2 运行工况

运行工况时，发电机组仅受重力和柴油机运转过程中因柴油机燃烧过程及曲轴旋转产生的附加振动载荷，分析中取2g的重力载荷作为计算载荷。

约束：约束底部24个安装底板的X向、Y向、Z向的位移，3个方向的位移均为0。

载荷：机组整体施加2g重力加速度。

3 静力分析结果

3.1 发电机组起吊工况

3.1.1 公共底座最大von-Mises等效应力分析结果

起吊工况时公共底座最大von-Mises等效应力为160.5 MPa，位于纵梁与发动机支座接触部位。总体Von -Mises等效应力云图及局部位置应力云图如图4所示。

图4 公共底座von-Mises等效应力云图（吊装工况）

根据机械设计手册[5]，当σs/σb=0.55～0.7时，最小许用安全系数取1.4～1.8。机组吊装过程为静载且仅为有限次数的加载，因此取较小的安全系数S=1.4，则起吊工况许用应力：

最大von-Mises等效应力160.5 MPa＜[σ]L=167.9 MPa。

3.1.2 公共底重要部位应力分析结果

发动机支座及下端横梁、发电机支座及下端横梁、轴承支座及下端横梁处为重要承载焊缝，由图5可以看出，最大焊缝应力位于纵梁上与发电机支座接触的位置，最大von-Mises应力数值为157.63 MPa＜[σ]L=167.9 MPa。

图5 公共底座重要焊接部位von-Mises等效应力云图（起吊工况）

图6 吊耳von-Mises 等效应力和变形结果

3.1.3 公共底座吊耳分析结果

起吊工况时，吊耳的最大应力位于吊耳孔中心和吊耳上端与纵梁吊耳加强板的接触边缘，最大von-Mises应力值115.75 MPa ＜[σ]L=167.9 MPa。吊耳最大变形位于吊耳的最外缘，最大变形为0.1028 mm。吊耳强度和刚度满足设计要求。

3.1.4 公共底座刚度分析结果

起吊工况时公共底座最大变形为2.9 mm，位于公共底座纵梁的发动机端部。参照GB 50017-2017《钢结构设计规范》[4]，受弯构件变形容许值为l/400。公共底座宽度方向l=2050 mm，变形容许值为5.125 mm。起吊时公共底座刚度满足规范要求，变形云图如图7所示。

图7 公共底座变形云图（起吊工况）

3.2 发电机组行工况

3.2.1 公共底座刚度结果

根据机械设计手册[5]，当σs/σb=0.55～0.70时，最小许用安全系数取1.4～1.8。机组运行过程中有轻微冲击，因此许用安全系数取1.8，则运行工况许用应力[σ]O=σs/S=235/1.8=130.6 MPa。运行工况von-Mises等效应力云图如图8所示,最大应力位于发动机支座处下面的底部安装板位置，最大值为98.5 MPa＜[σ]O=130.6 MPa。

图8 公共底座von-Mises等效应力云图（运行工况）

3.2.2 重要部位强度结果

公共底座发动机支座及下端横梁、发电机支座及下端横梁、轴承支座及下端横梁处为重要承载焊缝。Von-Mises等效应力云图如图9所示。最大von-Mises应力位置在发动机支座处，最大应力值为58.477 MPa＜[σ]O=130.6 MPa。

图9 重要焊接部位von-Mises等效应力云图（运行工况）

3.2.3 公共底座刚度分析结果

公共底座的变形会影响发电机组运行过程中轴系的对中精度，因此需控制公共底座变形＜0.1 mm。经分析，运行工况下公共底座最大变形为0.095 mm＜0.1 mm，公共底座变形云图如图10所示。

图10 公共底座变形云图（运行工况）

运行工况下，还需控制发动机支座顶部安装板、发电机支座顶部安装板、储能装置顶部安装板的垂向变形，防止对发动机、发电机及储能装置的轴系轴承造成损坏。提取运行工况下各安装板垂向变形，如表2所示。由表2可以看出，各板垂向变形均＜0.1 mm，且变形方向一致，因此各安装板变形对机组运行状态无明显影响，可满足机组运行要求。

表2 安装板垂向变形结果提取

4 结论

1）通过有限元分析软件对储能发电机组公共底座的强度和刚度进行了分析，分析结果表明，公共底座在起吊和运行时的强度和刚度，均满足设计要求。

2）该储能发电机组已经完成组装和台架性能试验，期间进行了多次起吊转运作业，起吊过程中公共底座整体及吊耳处均无明显变形。卸载后检查，吊耳耳孔无变形、裂纹等损坏，公共底座焊缝完好。复测机组对中数据，对中数据良好。台架试验性能测试结果良好，性能指标均满足设计要求。

3）实际运行结果表明，本文所使用的公共底座有限元分析方法合理，结果较为可靠，可应用于相似的工程项目，提高公共底座设计的可靠性。