BSIETMidas汽轮机基础设计培训

应用MidasGen进行汽机基础动力分析土建设计部张渊2020年8月04OPTION01OPTION02OPTION03OPTION框架式汽机基础设计要点汽机基础介绍Gen进行汽机基础动力分析主要内容分析结果后处理及建议汽机基础介绍1Part汽轮发电机：由锅炉产生的蒸汽进入汽轮机内膨胀推动叶片转动而带动发电机发电的旋转机械，是发电厂的核心设备。汽机基础：即承托汽轮发电机组设备的动力基础。汽轮机电机转速较快，一般是3000r/min,相当于50Hz。这主要是由于我国电网的标准频率是50Hz，这是一个确定的数值。当m=1（两极电机）时，转速n=3000r/min；当m=2（四极电机）时，n=1500r/min。我们单位所做的工程基本上都是3000r/min，即50Hz。汽机基础的结构形式有框架式基础，也有板式基础、块式基础。我公司采用框架式基础。

转子旋转所产生的不平衡力主要靠基础的刚度和质量来控制，这就需要基础具有较好的动力性能，因此对结构设计提出更高的要求。框架式汽机基础设计要点2Part

起指导作用的相关国内规范及标准

《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）

《建筑工程容许振动标准》（GB50868-2013）

1.荷载取值及线位移要求

对于3000r/min，75%工作转速范围是0~2250r/min。在此范围内允许振动线位移是1.5X0.02mm=0.03mm=30μm。同时在工作转速±25%范围内的最大振动线位移作为工作转速时的计算振动线位移，即2250r/min~

3750r/min范围内的最大振动线位移限值为20μm。

2.不同频率下的扰力大小

3.承载力验算时荷载分项系数承载力验算时，动力荷载分项系数：4倍计算振幅时的扰力X混凝土疲劳系数2X荷载分项系数1.4=11.2。按照新的《建筑结构可靠度设计统一标准》，1.4改为1.5，因此4X2X1.5=12。

4.多扰力作用时的振动线位移对于同轴汽轮发电机，同一时刻扰力频率相同，程序可以同时考虑多个扰力对结构的共同作用。对于汽轮机与发电机采用变速箱相连的不同轴机组，同一时刻扰力频率不同，程序就需要分别计算扰力作用下的振动线位移，而这时两个线位移的叠加，可采用5.27公式。同轴汽轮发电机频率相同程序自动计算不同轴汽轮发电机频率不同5.2.7条人为计算

关于采用振动线位移法。规范规定对基础的动力计算采用振动线位移控制的方法，即计算的振动线位移应小于允许振动线位移值。也有人主张采用共振法，即基础的固有频率要避开机器的绕力频率。规范采用振动线位移控制而不采用频率控制，主要原因是因为框架式基础采用多自由度体系计算，其固有频率密集，要使基础的固有频率避开机器的工作转速是难以实现的。采用振动线位移控制的方法从其概念上来说是允许共振，只要振动线位移满足要求即可。

关于允许振动线位移的规定。原水利电力部汽轮机组运转规程中规定3000r/min的汽轮机组轴承振动线位移的合格标准为0.025mm。根据实际现场多台运行基础的振动实测结果，轴承振动线位移与基础振动线位移的平均比值约为1.4。通过限制基础的振动来控制轴承的振动，那么基础的振动线位移幅值应控制在0.025/1.4=0.018mm以下范围。通过大量已建汽轮机基础的现场实测，其出现的95%以上的振动线位移均在0.012mm以下，仅个别测点超过0.02mm。规范最后确定，汽轮机基础的允许振动线位移取0.02mm较为合适。

关于仅控制竖向振动线位移。按原有的振动线位移计算公式上分析，计算的竖向振动线位移幅值总是大于横向和纵向的振动线位移，而三个方向的允许振动线位移是相同的，当竖向振动线位移小于允许值时，其他两个方向的振动线位移也必然满足要求，按照空间多自由度系统计算结果也是竖向振动线位移大于其他两个方向的振动线位移。Gen进行汽机基础（实体单元）动力分析3Part

1.选择频率范围

对结构进行特征值分析，根据规范5.2.3条，找到0~1.25倍汽轮机频率的所有振型,即0~3750r/min(0~62.5Hz)范围内所有振型。分析->特征值

通过试算得出所需振型数量。先假定振型数量，计算分析，查看特征值结果。每一个振型的频率便是一个需要计算的扰力频率。

进行结构振动分析之前，首先要进行结构自振频率计算，为后续设备静止到运行时，振动频率穿越结构自振频率，共振影响分析做准备。结构的质量和刚度有关，材料等级、截面尺寸及边界条件确定后，结构刚度随之确定。结构质量有两个影响因素，一个是结构自重转换为质量，另一个是荷载转换为质量。在动力设备基础分析中，只考虑恒荷载转化的质量，忽略活载转化的质量。

选择振型除满足1.25倍汽轮机频率，尚应满足振型参与质量为90%的基本要求，满足该要求则可认为多自由度体系振动参与度符合要求。

2.根据振型频率建立时程荷载工况

每个振型频率对应一个时程荷载工况，根据计算结果，需要建立83个工况。考虑到后面频率密集，每三个取一个工况。一共取20个时程荷载工况。分析类型：线性。分析方法：振型叠加法。时程类型：周期。分析时间：为保证结构振动进入稳态，取不小于20倍振型周期。分析时间步长：不大于振型周期/20。阻尼计算方法：振型阻尼。所有振型阻尼比：0.0625。

3.扰力荷载的创建

创建谐振荷载函数，根据每个振型频率计算对应的扰力大小A，并输入对应振型频率。扰力大小A的计算：Poi=0.2Wgi*(n0/3000)2，规范5.2.5条。本工程有4处扰力作用点，且每处作用的荷载值不同，所以需要建立20X4=80个时程荷载函数。

4.扰力荷载的施加

将谐振荷载函数需要通过节点动力荷载的形式施加到扰力作用的节点上。每个节点上的扰力作用分为三个方向，根据规范5.2.2条，X方向系数为0.5，Y和Z方向系数为1.0。（X方向是垂直于扰力方向，所以乘以折减系数0.5）本工程需要施加动力荷载的节点是8个，所以需要施加20X8X3=480个节点动力荷载。显示施加的扰力荷载，勾选显示中的节点动力荷载。

5.动力分析时，Gen中必要的设置勾选“将自重转换为质量”。另外需要将设备自重转化为质量。施加板底约束。本工程为桩基，因此设置点约束。天然地基的抗压刚度系数可按照3.3.2条进行选取。分析结果后处理及建议4Part

1.振动结果的查看结果表格->时程分析->位移/速度/加速度。填写扰力作用的节点号，勾选所有时程工况。检查Dx，Dy，Dz时候有超限的情况。本工程需要检查20X8X3=480个振动线位移结果。一般将所施加节点的节点号单独编，以方便前处理和后处理。

2.前处理建议采用命令流格式输入通过在excel中整理和编辑“周期与振型结果”中的周期、频率及得出对应的扰力幅值A。通过手动添加一个时程工况，一个谐振荷载函数，施加一个节点动力荷载，然后导出mgt文件，学习相关命令流格式。编写时程工况、谐振函数、节点动力荷载的命令流文件。通过“工具->MGT命令窗口”将编写好的命令流文件导入到模型中。

3.后处理位移结果可以采用Excel编辑成图，更加直观。

4.采用梁板单元计算实际上规范所采用的也是梁单元进行的设计。对比实体单元和梁板单元。实体单元个数26360，梁板单元模型4072，6.47倍。实体单元模型有效自由度103866，梁板单元模型有效自由度26211，3.96倍。实体单元模型分析时间2425.55S，梁板单元模型分析时间243.17S，9.97倍，分析速度大大加快。采用梁板单元分析时应注意将立柱分割单元，不能为单个单元。底板刚度大，因此梁板单元分析时，柱可从柱根开始建模。采用梁板单元分析时，结构频率采用实体单元分析时，结构频率采用梁板单元分析时，结构第1模态T1=0.398s采用实体单元分析时，结构第1模态T1=0.404s采用实体单元分析时，结构第2模态T2=0.371s采用梁板单元分析时，结构第2模态T2=0.362s采用梁板单元分析时，结构第3模态T3=0.335s采用实体单元分析时，结构第3