汽轮发电机组框架式基础的动力分析优秀毕业论文.pdf

西安建筑科技大学 硕士学位论文 汽轮发电机组框架式基础的动力分析 姓名：王姗 申请学位级别：硕士 专业：建筑与土木工程 指导教师：史庆轩;柳长江 20030901 西安建筑科技大学工程硕士论文 汽轮发电机组框架式基础的动力分析 专业：建筑与土木工程 作者：王姗 指导教师：史庆轩教授 柳长江副教授 摘要 大型框架式动力机器基础是发电厂支承汽轮发电机组的常用型式，而基础的振动问题则是整 个基础设计的关键。本文在分析国内外汽轮发电加钼基础动力设计理论研究现状的基础上，利用 有限元原理建立了框架式基础的有限元模型，在此陕皇幽 止利用s a p 9 0 有限元分析系统，对 1 2 0 0 0 k w 汽轮发电机组基础进行动力分析计算，并对该机组基础采用动力机器基础设计规范 ( g b 5 0 0 4 0 - - 9 6 ) 中所允许的两自由度法进行动力分析，通过与采用有限元法计算结果相比较， 对现有设计中存在的问题进行了分析并提出了解决方法，为今后的汽轮发电机组基础设计提供一 些有益的参考。 论文首先指出汽轮发电机组基础动力分析的意义，并对国内外汽轮发电机朗基础动力分析 的研究现状进行了回顾及评述：其后，利用有限元原理建立了汽轮发电机组框架式基础的动力 计算模型，根据动力学理论对该模型提出了自由振动分析和动力响应分析的方法，针对某工程 1 2 0 0 0 k w 汽轮发电叽组的动力基础进行了动力设计。包括确定该基础的结构型式，建立基础的 计算模型，利用有限元分析软件s a p 9 0 对其进行固有特性和动力响应计算，并对计算结构进行 分析后又进行了多方案的比较，从中得出一些有意义的结论。 论文还利用动力机器基础设计规范( g b 5 0 0 4 0 - - 9 6 ) 中所允许的两自由度法对上述基础 进行了动力分析。通过对两自由度法简化计算结果与采用有限元法按空间框架进行计算的结果的 比较，可知空间框架基础按平面框架进行计算的两自由度法虽然考虑了空间影响，但仍存在很大 的误差，在当今计算机技术高度普及的今天该方法不宜再采用。论文最后总结了框架式汽轮发电 机组基础固有频率的分布特点；指出框架式基础底板本身对基础的动力响应影响不大，认为动力 分析方法中振幅法优于共振法；并指出框架式基础设计时，在满足承载力和稳定性的前提下，柱 子应以柔为佳；设计中可以通过调整质点的质量来达到控制基础振幅的目的。 关键词：汽轮发电机组 框架式基础有限元动力分析 西安建筑科技大学工程硕士论文 d y n a m i ca n a l y s i so f t h ef r a m e df o u n d a t i o nf o rt h es t e a m t u r b i n e - g e n e r a t o r s e t m a j o r ：c o n s t r u c t i o n a n dc i v i l e n g i n e e r i n g a u t h o r ：w a n g s h a n t u t o r s ：p r o f s h iq m g x u a n a s s o c i a t ep r o f l i uc h a n g j i a n g x 1 ) s t r a c t t h e l a r g e - f i a m e d m a c t i n ef o u n d a t i o ni s c o m m o n l y u s e di n s u p p o r t i n g t h es t e a m t u r b i n e - g e n e r a t o r s e ti np o w e r s t a t i o n s ，a n dt h ev i b r a t i o no f t h ef o u n d a t i o ni st h ek e ye l e m e n to f t h e w h o l ef o u n d a t i o nd e s i g n t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep r e s e n tr e s e a r c ho nd y n a m i ct h e o r yo ft h es t e a m t u r b i n e - g e n e r a t o rs e t , a n d s e t su pa f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f f r a m e df o u n d a t i o nb a s e do i lf i n i t ee l e m e n t t h e o r y b a s e d o n t h i s m o d e l , t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e f o u n d a t i o n a l e c a l c u l a t e d a n d a n a 聃e x t t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a l e a l s o a n a l y s e d b y u s i n g t h e t w o d e g r e e s o f f r e e d o m m e t h o d , w h i c h i s p e n n i s s i b l ei n r e g u l a t i o n so nm a c h i n ef o u n d a t i o nd e s i g n ，a n di sc 唧a l e d w i t ht h er e s u l t s o b t a i n e df o m at h ef i n i t ee l e m e n tm e l h o d , i ti sc o n c l u d e dt h a ts o m ep r o b l e m se x i s ti nt h ep r e s e n t d e s i g n ，a n ds o m e s o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r d t h i sw i l lp r o v i d es o m eu s e f u lr e f e r e n c e sf o rf u t u r es t e a m t u r b i n e - g e n e r a t o r s e tf o u n d a t i o n d e s i g n f i r s t l y , t h em e a 面a go f d y n a m i ca m 驷i s o nt h es t e a m t u r b i n e - g e r 七n a t o rs e tf o u n d a t i o ni sp o i n t e d o u t r e n e wa n dc o m m e n to nt h ep r e s e l lr e s e a r c ho n d y n a r 面ca n a l y s i so f d o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a l s t e a mt u r b i n e g e n e r a t o rs e l sa i - e p r e s e n t e d t h e nad y n a m i cc a l c u l a t i n gm o d e lo ft h e f l a m e d f o u n d a t i o n o f t h es t e a m t u r b i n e - g e n e r a t o rs e t i ss e t 印b a s e d o n f i n i t ee l e m e n t t h e o r y t h e n d y n a m i c a n a 岍i s m e t h o d s a r c p u t f o r w a r d b a s e d o n d y n a m i c s t h e a y t h e d y n a m i c d e s i g n o f t h e f o u n d a t i o n o f t h es p e c i 丘c1 2 ，0 0 0 k ws t e a mt u r b i n e g e n e r a l o rs e ti sc a u i e do u t t h es t y l eo ft h ef o u n d a t i o ni s c o n f i r m e da sf i a m e df o u n d a l i o r la c c o r d i n gt ot h em o d e lo ff o u n d a t i o nd y n a n 菌cr e s p o n s e sa r e c a l c u l a t e db yl a r g e s c a l ea n a l y s i ss o f t w a r e ，s a p 9 0 , f i n a l l y , m u l t i p l ed e s i g n so ft h ef o u n d a t i o na l e c o m p a r e d t og a i ns o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s t h ed y n a m i ca n a l y s i si sc o n d u c t e db y u s i n gt h e t w od e g r e e s o ff r e e d o m m e m o d , w h i c hi s p e r m i s s i b l ei n r e g u l a t i o n s o nm a c h i n ef o u n d a t i o nd e s i g n ( g b 5 0 0 4 0 - 9 6 ) t h er e s u l tf r o mt h e t w o d e 伊e e s o ff r e e d o m m e m o d b ys i m p l i f y i n gc a l c u l a t i o na r cc o m p a r e d w i t ht h er e s u l tf r o mt h ef i n i t e e l e m e n t m t h o u i 曲t h e t w od e g r e e s o ff r e e d o m m e l h o dc a l c u l a t i n gb y p l a n ef r a m ec o n s i d e r st h e 阳安建筑科技人学 ：程颂+ 论文 e f f e c to f s p a c e , i ts t i l lh a sc o n s i d e r a b l ee l l - o r t h e r e f o r e , d e s i g n i n gb ys i m p l i f i e dm e 血o di sn ol o n g e r p r e f e r a b l et o d a yd u et oh i g h l yp o p u l a t i s e dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n n m i c f r e q u e n c y d i s l r i b u t o n o f t h e f l a m e d s t e a m t u r b i n e - g e n e r a t o r s e t f o u n d a t i o na r e s t m a m a n z e d ；i t c a n b e e n s e e n t h a t t h e b a s e p l a t e o f t h e f r a m e d f o u n d a t i o n d o e s n o t h a v e m u c h e f f e c t o i l t h e d y n a m i c t s p o m e o f t h e f o u n d a t i o n , a n d t h a t t h e a m p l i t u d e m e t h o d i s b e t t e f t h a n t h e r e s o n a n c e m e t h o d a m o n g d y n a m i c a n a l y s i sm e t h o d s w h e nd e s i g n i n gaf l a m e df o u n d a t i o n , a sl o n ga st h el o b - b e a r i n gc a p a c i t ya n d s t a b i l i t yi se n s u r e d , af l e x i b l e p i l l a r i sb e t t q t h ea m p l i t u d eo f v i b r a t i o nc a n b ec o h e r e d t h r o u g h a 面u s t i n g t h ep a r t i c l eq u a l i t yi nf o u n d a t i o nd e s i g n k e yw o r d s ：s t e a m t u r b i n e - g e n e r a t o rs e t , f r a m e d f o u n d a t i o n , f i n i t ee l e m e n t ，d y n a m i c a r i a l y s i s 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：王埘目期：2 彩争 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或都分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：功睁导师签名：交办冱和期：局咖弓 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技人学工程硕士论文 1 1 引言 1 绪论 汽轮发电机组是火力发电厂的重要设备之一，也是发电厂的杨b 部分。汽轮发电机组是通 过其转子运动而实现能量转换，是精密度很高的大型旋转机器，因而对机器和基础的振动都有 很严格的要求。 汽轮发电机组系统主要包括汽轮机、发电机、基础 1 1 地基等部分。汽轮发电机组采用的基 础形式主要有两种：大块式基础，具有设计施工简单、建设周期短等优点，目前仍被一些 中小型汽轮发电机鲴所采用。二框架式基础，如图1 1 所示，具有经济性、便于布置其他附 属漫备等优点，这是目前大多数汽轮机组( 包括中、高转速) 所采用的类型。框架式基础是空 间多自由度振动体系，涉及的力学问题较为复杂，而且脚j 较为广泛。由于基础上面支撑的是 电厂最重要、最昂贵的汽轮发电机组，因此基础力学性能的好坏，直接关系到机组的动力特性 和电厂的安全运营，汽轮发电机组的基础设计应该满足以下五个方面的要求：( 1 ) 必须具有良 好的动力特性，使设计的基础在动力荷载作用下振幅最小：( 2 ) 必须具有良好的刚度，以保证 机器的安全运行；( 3 ) 必须具有足够的强度，稳定性和硎久陛。基础应该能够承受各种可能出 现的载荷，主要膏叵载( 包括设备自重、汽缸膨胀力、管道推力、凝汽器真空吸力和温差产生 的荷载) 、动力荷载、安装荷载和特殊荷载( 包括电机短路力矩、地震荷载) ；( 4 ) 机器的振动 不影响邻近建筑物、构筑物或仪器设备等的正常使用；( 5 ) 从经济角度考虑，应该使设计的基 础建造成本最低。因此汽轮发电机组基础的设计和建造是工! i k 建筑领域中的一项非常重要而又 复杂的课题。 台 图1 1 框架式汽轮发电机组基础结构示意图 西安建筑科技大学工程硕士论文 ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! g! ! ! ! ! ! 1 1 2 汽轮发电机组基础设计发展概况 在过去很长一段时间没有可靠的动力机器基础设计计算理论，对于汽轮发电机组基础等 动力机器基础，土建工程师只能当作静力问题来对待。设计师通常借助于以往成功的设计经验 完成保守的设计方案，而不考虑设计的经济性问题。动力机器基础设计只要求外形满足安装图 且基础有足够的重量，扰力不易撼动。尽管人们早就认识到将机器重量视为静载是不能满足要 求的，但只能采取用振动附加系数的方法来弥补。然而，附加系数的选取是个复杂而又困难 的问题，一旦选择彳i 当就可能出现较大的动应力，使棚器和基础产生剧烈振动，遭受严重的破 坏。西德的埃勒斯根据多年积累的实践经验，总结并提出了以经验为依据的附加系数法。直到 二十世纪初期，才有了极为粗糙的机器基础设计理论，采用规定机器与基础的质量比这类经验 方法。但是，据此设计的基础还是屡屡出现事故。产生事故的原因不仅有设计理论不完善的原 因，而且在许多情况下，与基础施工、机器生产厂家提供的不可靠动力数据等因素有关。从二 十世纪三十年代起，对土动力学及机器基础进行了一系列的试验和理论研究，如德国土动力学 学会( d e g e b o ) 和麴剖氇基基础研究所( bh0c ) 等，在机器基础动力分柿干算理论方面， 出现了以且巴尔康( b apkah ) 为代表的质量弹簧计算模式和以e 赖斯纳( r 西s 锄e r ) 为代表的弹性半空间计算模式。从七十年代开始，随着有限元分析技术在工程中的应用和计算 机技术的发展，汽轮发电机组 许多国家根据各国国情相继制定了自己的动力机器寝蕊龌殳 十规范。我国以前没有动力机器 基础设计规范。七十年代前，在实际工作中基本沿用前苏联规范。从西方引进各中动力机器后， 迫切要求我国编制自己的动力机器基础设计规范。为了编制规范解决工程建设中的问题，我 国科研人员开始对基础动力特性等问题进行深入的分析与研究，并在1 9 7 9 年编制出版了我国自 己的动力柳船基础设计规范( g b j 4 0 - 7 9 ) 。随后出版和发表了许多有式：动力柄篇基础设计 的书籍和论文。如今，在广大科研人员的努力下，动力机器基础设计理论更趋于完善，1 9 9 6 年 正式颁布了中华人民共和国国家动力机器基础设计规范( g b j 5 0 ( m o - - - 9 6 ) 。 1 2 1 汽轮发电机组基础优化设计研究概况 我国火力发电厂动力机器基础科研、设计已取得了显著的发展。建国初期，作为火电厂 的特种结构动力机器基础，其设计方法基本沿用原苏联的方法。随着电力工业的高速发 展，科研、设计工作逐步深入，动力机器基础的设计得到了发展。5 0 年代末，电力建设研究 所等单位就提出了“轻型基础”的概念，开始了研究工作，设计并建成了一些“轻型基础”。 6 0 年代，我国开始进行汽轮发电机基础模型试验研究工作。7 0 年代初期，成功地建成了我国 2 两安建筑科技大学工程硕士论文 第1 台3 0 0 m w 装配式预应力钢筋混凝土基础。7 0 年代集中了全国的力量，组成了“汽轮机 组和电机基础”研究组，开展了较大规模的试验研究工作，对全国已投入运行的( 5 0 3 0 0 ) m w 各种类型的机组和基础进行了大量的振动实测，部分机组在投产前进行激振试验，从实践中 获得了十分宝贵的数据。在当时的条件下，编制了汽机基础动力计算专用程序，对汽轮发电 机基础空间动力特性进行研究分析，在大量研究成果的基础上，借鉴国外经验，提出了一套 比较完善的振动计算方法并制定了汽轮发电机基础结构选型准则。这些成果均反映在我国第1 本j f 式颁布的动力机器基础设计规范( g b j 4 0 - - 7 9 ) ( 以下简称动规) 中。当时，国际上 对汽轮发电机基5 出选型和动力分析存在2 种不同观点，我圉国家标准动规的正式颁粕执 行，标志着我国已建立了一整套完整的振动分析体系，可以指导国内汽轮发电机基础的设计， 同时可直接参与国际竞争。 建国初期，电力设计工作全面学习前苏联经验，汽轮发电机基础动力分析全棚前苏联 的设计方法，即单自由度体系、振幅控制的方法。当时，发电机组单机容量比较小，尽管人们 远没有能力提出基础动力优化设计问题，但通过实践，人们逐步意识到动力优化问题的存在， 电力建设研究所等对前苏联所采用的振幅计算公式进行了研究分析。得出基础的振幅取决于转 子重量wg 及基础的质量w 。在e 述分析的基础t ，弱攒亍了模型试验等工作。通过研究分析， 电力建设研究所、华东及华北电力设计院等率先提出了“轻型基础”的概念，并分别在半山电 厂( 1 2 m w 机组) 、天津第一发电厂( 2 5 m w 机组) 采用。 随着电力工业的发展，单机容量不断增加，对汽机基础振动提出了更高要求，特别是计算 技术的发展，使汽轮发电机基础的动力分析方法 ! 河能从单自由度体系过渡到空问多自由度体 系，蹦窗蓝形势发展的需要。7 0 年代中期，我国组织了支由设计、科研、高校等单位的专家 组成的课题研究组，集中发挥各自优势，就涉及汽轮发电机基础动力特性的各个方面进行了研 究分析，从研究工作的深度和广度来看，都是国外无可比拟的。研究工作取得了丰硕的成果， 1 9 7 9 年基于研究成果而颁发了我国第本“动力柄器基础设计规范”，提出了套完整的空间 多自由度的结构动力分析方法。凭借动力分析方法的发展，依据“轻型基础”的广泛实践，通 过大量的研究分析，使汽轮发电机基础动力优化设计大大向前跨了步。作为我国汽轮发电机 基础动力优化设计发展第2 阶段的重要标志是“动力机器基础设计规范”的颁布和实施。“动规” 十分明确地提出了基础的选型原则，“动规”中首先强调“汽轮发电机组的框架式基础宣按空间 多自由度力学模型进行多方案分析，台露煳定框架的型式和尺寸”，同时指出在般情祝下基 础选型可按“顶板应有足够的质量和刚度，在满足强度和稳定性要求的前提下宜适当减小拄的 刚度，结合地基的刚度综合分析，并确保底板有一定的刚度”。应该说，“动规”提出的基础选 型原则较“轻型基础”的概念更为准确、全面地揭示了基础动力优化设计的内在规律。依据“动 规”提出的原则和方法，建成了批经过运行实践证明其动力性能良好的基础。 为适应电力工业形势发展的需要，我国从不同国家引进了汽轮发电机组，特剐是8 0 年代 西安建筑科技大学工程硕士论文 从美国西屋公司引进了3 0 0 ，6 0 0 m w , 汽轮发电机组制造技术，同时也引进了美国的汽轮发电 机基础的设计技术。美国的汽轮发电机基础的计算方法和选型原则与我国“动规”差别很大。 上述情况造成了各种不同风格、各种类型的汽机基础同时存在的局面，表面上看各种不同风 格的汽机基础都能保证机组的正常运行。到底什么样的基础动力性能好、有利于机组长期安 全运行? 华北电力设计院、大连理工大学、电力建设研究所等单位组织技术人员借助现代科学 技术，特别是计算技术的发展，在更高层次上开展了汽轮发电机基础动力优化设计研究。自 1 9 8 8 年开始，通过近1 0 年的艰苦工作，取得了较好的成果，达到了预定的目标。基于提高机 组运行安全眭及降低基础造价的要求，以减少结构自重和结构动响应幅值为目标，建立了汽 轮发电机基础多刚示优化设计数学模型；针对汽轮发电机基础动力优化设计问题，同时考虑 了基础构件尺寸和节点位置两类设计变量，在形状优化和尺寸优化混合的较高层次上实现了 基础结构型式的优选和构件尺寸的优化；在提出多自由度结构动力响应灵敏度半解析求解方 法的基础上，提出了新方法。在程序系统中实现了动力响应对结构尺寸和结构形状设计变量 的灵敏度分析的有效算法并在程序系统中实现了动力优化问题的序列线性规划算法，采用一 系列行之有效的方法对优化模型和优化算法进行了改进；用开发的动力优化程序，对各种类 型( 几乎涉及到建成的各容量等级的机组及具有特点的各种基础) 的汽轮发电6 基础进行计算 分析。将模型试验的结果与动力优化趋势进行对比。对顶层纵、横梁及柱子、中间平台、底 板分别计算其控制点振幅的灵敏度。对过去实践中遇到的些现象，借助结构动力优化理论 的突破，通过大量动力优化分析，在更高层次t 对涉及汽轮发电机基础动力特性的一些问题 作出解释，进一步探讨汽轮发电机基础动力特性的内在规律。主要研究成果体现在下述几个 方面( 1 ) 针对汽轮发电机基础动力优化问题建立了多目标优化设计模型。该模型在优化目标函 数的构造和设计变量的选取匕较好地反映汽轮发电机基础结构设计实践的特点。具有较好 的可行性和可解性。( 2 ) q 当v 灵敏度分析的半解析方法进行了深入研究的勘出e ，提出了动力 响应灵敏度分析的振型空间法、振型空间加速算法、李兹空间法、直接迭代法等方法。以汽 轮发电机基础结构为分析对象，对上述方法的计算精度和计算效率进行了综合比较。在此基 础上，确定了以振型空间法作为程序系统中动力响应灵敏度分析的算法。( 3 ) 对优化目标函数 的构造进行了探讨，将k s 函数引入了目标函数，不但使目标函数成为可微函数，而且在目 标函数中同时考虑了多个具有较大振幅的扰力点，使得同时降低多点的振幅成为可能。( 4 ) 开 发的汽轮发电机基础动力优化程序系统，反映了本课题理论研究工作的成果，采用了一系列 行之有效和较为成熟的算法，遵照我国动力机器基础设计规范的规定，能够完成汽轮发 电桃基础动力优化阀题的数值求解。程序能够为科研和工程直接使用。( 5 ) 在深入研究、计算 分析的基础上，进一步在更高层次上验证了我国“动力机器基础设计规范”规定的基础选型 原则的正确性，即基础的顶板( 纵、横梁啦洧足够的质量和刚度，基础的柱子在满足强度和稳 定性要求的前提下宜适当减小刚度，基础的底板应有一定的刚度。这些成果使在我国已取得 4 两安建筑科技大学工程坝士论文 成功实践经验的“轻型”汽轮发电机基础的选型在理论上得到了进一步的证明。“动规”中强 调：“汽轮机组的框架式基础宣按多自由度空f i l j 力学模型进行多方案分析，合理地确定框架的 型式和尺寸。”在实际工作中要真正做到这一点难度很大。目前，就可依据的研究成果，通过 开发的程序进行计算，对多方案进行自动搜索，寻找框架式基础的合理型式及基 出各杆件能 达到合理匹配的断面尺寸，以确定基础动力性能最优的方案。 在国际研究领域中，新加坡学者r m ，m 和m k l i m ( 1 9 9 7 ) 提出一种从有限的测试数据 中推导出结构设计灵敏度的新方法，建立了频口i i g j 数的灵敏度与特征值和特1 止- l 口j 里t m 的灵敏度之 削的关系，为采用实验方法确定特征值和特征向量的灵敏度提供了理论依据；澳大利亚新南威 尔士大学的t a n d j i r i a ，v 等( 1 9 9 9 ) 采用有限元技术和优化方法对桩基础的优化设计技术进行 研究，灵敏度的计算过程中采用了半解析法；波兰学者s i 即虹e 、】l i i c z ，z b i g n i e w 等( 1 9 9 8 ) 对放 置在非均匀士壤e 的刚性块状机器基础优1 乜问题进行研究，并采用序列线性规划法建立起半空 间地基上的块体基础在竖直激振力作用下的动力优化模型；他们( 1 9 9 6 ) 还建立了z e 夕卜力动力 和力矩作用下的埋置块状机器基础的形杉洲也数值计算模型：并考虑基础租土壤的动力相互作 用；澳大利亚学者1 1 l i 印p 趾，s ( 1 9 9 7 ) 为了使工程结构的非线性有限元分析与优化方法相结 合，提出了灵敏度的判附酷和双点约莉肋i 法，并通出棵止射r 质上的徽的动力特性 分析进行验证。 1 2 2 汽轮发电机组系统隔振、抗振的研究概况 随着电力工业的发展，汽轮发电机组的容量越来越大，对运行环境的要求也越来越高， 大容量机组带来的一个突出问题就是振动和噪声，这既是当前急需解决的公害又是旋转机器 运行所不可避免的，为了消除和刚氐机组运行所产生的振动和噪声，除了对机器制造的精度 和动平衡技术进行严格要求外，种行之有效的方法是采取相应的隔振措施，既在汽轮发电 机组基础中使用隔振装置。自6 0 年代德国首先采用弹簧支承的滞宅发创膳黜以来，国内外 学者对此进行了深入地研究。吉林省电力勘测设计院的方学文( 2 0 0 0 ) 指出，汽轮机弹簧支 承隔振基础是理想的低频调基础，它不受下部支承结构的影响，可以自由地选择系统的自振 频率，它消除了机器支承结构和下部支承结构之间的动力耦合作用，具有良好的动力和抗震 性；清华大学的戴计亮等( 1 9 9 6 ) 对某3 3 0 m w 发蝴机座的隔搦暴缬挂行测试分析，他 们的研究结果有助于进行大功率汽轮发电机组的隔振系统设计 n m a k r i s g lm c c o n s t a m i n o u ( 1 9 9 2 ) 建立了弹簧骷滞阻尼隔振系统的横向1 竖向穗动耦合动力响应分析模型，他们的理 论分析和实验研究结果表明，弹簧一粘滞阻尼隔振系统具备良好的隔振和抗震性能；印学者 j 蛐酣，k s d a t t a ，t x ( 1 9 9 3 ) 借助于三维模型分析了在基础上加载弦波激励下隔振基础 对扭摆耦台系统动力响应的影响，他们在1 9 9 5 年又采用状态空间法计算了基础上加载随机激 励下隔振基；础对各向异性结构模型的随机响应。 两安建筑科技大学j 二程硕士论文 竺! ! ! ! ! ! ! 烹! ! ! 皇= 墨! ! 蔓苎! ! ! ! ! ! ! ! ! 烹鼍烹! ! 置! 曼鼍! ! !鼍 1 2 3 汽轮发电机组系统动力学建模的研究概况 进入七十年代后，国内外学者对汽轮发电机组系统动力学建模技术进行了大量的研究工作。 i k a i 】f j a 和b w d i m m i c k ( 1 9 9 7 ) 对_ 台核电汽轮发电机组的基础进行了现场测试分析。并采 用三维梁单元对框架式基础中的平台和立柱部分进行建模；m c g u i r e ( 1 9 7 9 ) 采用动态子结构 技术，引入连接轴承座与基础的柔度系数，分析了考虑轴系、转子、油膜、轴承座和基础等部 件的转子系统的自由振动和强迫振动，计算结果和实验结果吻合较好：加拿大学者a b o u l - e l l a ( 1 9 7 9 ) 则应用平面动应变解分析桩，并建立了包括除汽机外壳以外的所有部件的动力学模型， 采用动态刚度矩阵法建立其数学模型，并对系统进行了数值分析。 八十年代以来，随瞢计算机技术的飞速发展，对大型发电机组系统进行整体结构动力学分 析和预估设计的工 乍j 茳 了新阶段，加拿大学者a b o u l - e l l a 和n o v a k ( 1 9 8 0 ) 建立了汽轮发电 机组基础系统手完整的动力学模型，整个系统包括桩、基础底板、空阳j 框架、包含盘片的柔| 生 轴系以及粘弹性油膜滑动轴承，机壳和其它附属设备处理为分布或集中质量；1 9 9 5 年，l i u 和 n o v a k 建立了更为完整的动力学模型，将机壳采用板壳单元进行离散，并对汽轮机，发电机基 础系统的整体动力学进行建摸分柝；郑兆昌等( 1 9 8 4 ) 贝岈硼固定界面模态综合珐汾析了转子_ 轴承_ 基础系统的动力特性计算问题：王正( 1 9 8 4 ) 则以大型汽轮发电机组及其框架式基础为背 景，采用阻抗匹配法、配合以r i c e a l i 传递矩阵法和模态分析弦，列大型转子轴承基础系统进 行了动力特性分析。英国学者s m a r t ，m t f f u ( 1 9 9 8 ) 等提出种汽轮发电机组基础动力参数 估计模型，并对之进行了仿真分析和实验验证，表明该模型具有良好的估计精度；巴西学者 d ! c a ，n p o sb a n n w a n 等( 1 9 9 8 ) 提出f 巾汽轮发引难聃疑渗数的i - 9 , 另) j 方法，利用转子和机重 上的振动数据对基础结构的模态参数进行估计；美国g i i b e i t 公司的s e d 瑚，s a i l 击j 采用解析法 得到了汽轮发电机组基础的非线性动力响应的近似解，分析过程考虑了土壤的非线性、粘滞阻 尼和埋置作用。但是，研究中最具代表性的是国内清华大学的郑兆昌等( 1 9 9 2 ) 及国外加拿大 学者l i u 和n 0 1 l a k ( 1 9 9 5 ) 的工作，两者都对大型汽轮发电扪_ 组 豌辞她基系统进行了整体动力 学分析。前者采用模态综合技术进行动力分析，用三维梁单元建立转子系统、基础框架结构的 运动议程，通过弹性薄板的李兹( r i l z ) 函数 近1 以解的形式来描述基础底板，用弹性半空间理 论建立土= 嚷模型，最后编制了程序并对某5 0 0 m w 汽轮发电叽细进行计算分析，通过e 嚏自滇态 应变能大小的方法确定系统的临界转速，而通过分析系统复特征值可得到系统的失稳转速，计 算所得失稳转速与国外提供的数据比较接近。【i u 和n o v a k ( 1 9 9 5 ) 则对汽轮发电机组系统进 行了更为全面的建模分析，重点讨论了汽机和发电机外壳及土的各向异性对系统动力响应的影 响，文中将汽轮机和发电机外壳采用四边形板壳单元的动力有限元模型来描述，该板壳单元由 五节点九自由度的四个线曲率三角形协调元构成；转轴以空间梁单元建模；转子等效为刚体圆 盘；轴承油膜则等效为弹簧阻尼组，相应的弹性和阳尼系数根据轴承参蜘西过雷谱溯陧的数值 西安建筑科技大学工程硕士论文 角得到：平台和立柱以空间梁单元建模；底板采用九节点等参厚板单元建模；岩土介质则假设 为横观各向同性的分层阻尼弹性体，并由岩土动态格林函数得到的复刚度矩阵描述：然后把各 个部分的模型综合、最后采用这种方法对一中3 0 0 m w 汽轮发电机组基础系统进行了分析，分 析了机组基i 皓地基系统的自由响应以及在转子不平衡或震波激励下的强迫响应，并开展了相 应的分析计算软件。近些年来，有些学者对该系统建立了更为复杂的模型，如张宇等( 1 9 9 8 ) 采用现代非线性理沦和数值方法，对转子轴承一基础的非线性动力学进行了分析，研究了系统 在临界点附近的复杂动力学行为，结果指出基础的刚度与转子则度之问产生内乓振是机组出现 异常振动的服凼之一。 1 3 汽轮发电机组基础动力分析方法 在国际上汽轮发电丰鹏基础的设计方法种类很多，通常人们将其分为两大类，即常说的振 幅法和共振法。前苏联、捷克及我国现行动力机器基础设计规范均采用振幅法，而西欧、 日本等国则普遍采用共振法。 1 3 1 振幅法 振幅法的特点是认为基础的振幅是决定其动力性能的主要特征，因而以限制基础的振幅在 一定许可范围之内作为基础设计的准则。 该方法规定在机组正常运行状态下汽机基础扰力作用点的计算垂直振幅不得超过允许 值。因此，计算汽机基础各个扰力作用点的转速振幅衄线，确保该曲线不超过允许的范围 是汽机基础动力分析的主要任务。而为了计算振幅曲线，对其峰值进行调整，又必须知道基 础的自振频率和振型。所以振幅法还需要对基础进行自由振动分析，从而求出足够数量的频 率和振型。 1 3 2 共振法 共振法的基本点就是要使基础的自振频率避开机器的扰力频率以免发生共振。共振法认为 避开共振是对动力机器基础设计的最基本要求。 共振法是西欧、日本等国普遍采用的方法，西德规范d 玳4 0 2 4 可作为其代表。 i 1 n 4 0 2 4 ) ) 中规定基础的自振频率至少应与机器的工作转速避开2 0 ，并明确指出，基础的自振频率包括 高阶频率。共振法只是要求避开共振，那么基础的自振频率可以大于扰频j f 可以小于扰频。因 此，用矧辰法裁舸自嘲计脚科不同形_ 删。即一种为高频比，即侧喜固有频率哥于二工 作转速：一种为低频比，即其固有频率低于工作转速。 西安建筑科技大学工程硕士论文 1 3 3 振幅法与共振法比较 振幅法与共振法各有其优缺点。振幅法从形式上看比较复杂，既要确定机器的扰力，又要 确定基础的阻尼和允许掘蔺捌示准等e 暾困难的问题。而共振法则相对比较简单，但频率计算 的准确与否则是关系到设计成败的关键。 振幅法、共振法虽然在计算原则、计算方法和控制标准等方面有较大差别，但在实质上， 两个方法都是以基础的振幅越小越好为出发点。只不过，振幅法是直接控制振幅，而共振法 是以避开共振区的手段来达到减小基础振幅的目的，也就是通过控制自振频率来问接地控制 振幅。 框架式基础是一空间框架体系，基础采用多自由度空间体系进行计算时，其固有频率的 频谱是多而密集的，对于这种情况，要求基础的自振频率与扰力频率避开2 0 是很困难的， 几乎是不可能的。因此，在应用共振法时，实际只能要求避开某一些振幅较大的自振频率， 即所谓“危险频率”，而“危险频率”则需要计算振幅或动力响应来加以判别。这样，实际也 就考虑了频率与振幅的内在联系。由于振幅的控制比较直观，我们可以直接控制可能发生的 最大振幅，以此来设计基础就不需顾及频率控制了。由此分析认为在动力机器基础设计中， 振幅法要优于共振法。 1 4 本文主要研究内容 1 4 1 选题目的 框架式动力机器基础动力特性的优化设计直接影响机器的正常运行，在经济e 有着重大意 义，历来受到人们的重视。综观当今世界旋转式机器框架式基础的现状，可以说是设计方法各 异，基础形式悬殊。如，一台3 0 0 m w 级汽轮发电阢组基础，其钢筋混凝土用量最高达3 5 0 0 m 3 ， 最低仅为1 5 0 0 m 3 。由此可见汽轮发电机组基础动力优化设计问题仍是汽轮发电机组基础设计中 的一项重要课题，因此本文选择了该方向进行分忻和探讨，供设计人员参考。 1 4 2 主要研究内容 框架式动力基础属于多自由度体系的多频振动问题，对此种基础研究应解决空间框架式基 础的动力计算问题。本文主要进行了以下几方面的研舡作： 1 对框架式动力基础进行动力分析。建立柜爨! 式动力基础的有限元模型，并对框架式基础 进行自由振动分析和动力响应分析。 2 依据建立的有限元模型。使用s a p 9 0 有限元分析系统对1 2 0 0 0 1 硎机组基础进行动力 两安建筑科技大学工程硕士论文 分析，从中得出汽轮发电机组基础设计中存在的问题，并提出解决方法。 3 根据动力机器基础设计规范中允许采用的简化方法，对动力机器基础进行二自由度 的简化计算，并将其结果与空问多自由度计算结果进行比较分析，从而提出简化设计中存在的 问题。 4 在上述计算分析的基础上，对框架式动力机器基础动力设计进行总结，并提出目前设计 中存在的主要问题及其解决方法。 9 ， 一，! 。，：。， 塑耋圣釜墼垒查耋三堡堡：! 垒 ! ：，：一，1 2 1 引言 2 框架式动力基础的有限元动力分析 在大型发刨一，汽轮发电机基础、碎煤视基础等大型动力基础都采用空间框架式基础。这 种形式不仅大大刚氐混凝士用量、便于布置机器下面的设备和管道，而且可以改善基础的动力 特性，为机器的运行提供良好的运行环境。如果合理设爿框架式基础，即可收到更为理想的效 果。 2 机器与基础的质量分别集中于几个节点上： 3 柱脚固定在基础底板上。 图2 - 1 框架式基础计算简图 计算简图如图2 ，1 所示，采用空间多自由度体系，每个节点有六个自由度。每根杆件都考 虑拉、压、扭转、两个方向的弯曲和剪切变形。 2 2 框架式动力基础有限元模型的建立 2 2 1 离散体的动力方程 用有限元方法解决工程问题，无论取什么单元，也无论对什么结构，都是将无限自由度体 系缩减为有限自由度体系，将偏微分方程组的求解转化为代数方程组的求解，或者是先将偏微 分方程组化为近似的常微分方程组再化为代数方程组，最后用数值方法求解。对于静力问题， 仅在空阃区域离散就行了。而对于动力问题，出现了时间变量，使得离散方法除空间域的离散 外，还需在时闯域进行离散化。般有四种离散方法；直接法、差分法、办赡冽獾秘去和变分法。 其中变分法是研究泛函数取极值的方法，即从能量的观点出发，考察受载荷结构的变形和内力， 应用变分方法，即可得能量变分原理。自本硅掺醐r i 乜提出变分原理的直接近似法以后，结构 1 0 西安建筑科技大学工程硕士论文 力学的变分原理的研究和应用出现了广阔的前景，随着计算机的发展，推动了有限元方法的迅 速发展和广泛的应用。在能量变分原理方面，相继出现了势能原理、余能原理和广义变分原理 等。对结构分析而言，由于惯性力是位移的二阶导数，所以，采用与位移有关的能量变分原理 最为合适。目前，广泛采用的是瞬时最小势能原理，以下讨论应用瞬时最小势能原理建立离散 体动力方程的问题。 整个系统的势能包括两个部分，一部分是弹性体的应变能： 【，= 告j f 扫r 忙扭= 吉j f f 叠 7 臼牿泗 ( 2 1 ) 式中 a 弹性矩阵。 另一部分是外载荷的势能 v = - 腑r 扣细一时函汹