某燃机基础动力分析

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【摘 要】结合某电厂燃机基础设计实例，运用ANSYS有限元分析软件对燃机基础进行动力分析，为设计提供参考依据。

【关键词】燃机基础；有限元；动力响应

1 工程背景

安吉某燃机热电厂采用燃气-蒸汽联合循环机组，其规模为：1套由美国GE生产的PG6111FA型燃气轮机发电机组+1台非补燃自然循环余热锅炉+1套38MW双进汽抽汽冷凝式汽轮发电机组，装机容量为115.06MW。GE公司提供的设计资料中，对燃机机组运行时，燃机基础的扰动、基础动力参数做了明确的规定与限值。在设计时，为保证燃机发电机组运行的安全可靠，燃机基础动态特性应满足GE公司的相关要求。本工程设计时，为燃机基础建立了三维实体计算模型，运用通用的有限元分析方法，得出该燃机基础的动力特性，同时评价了该基础的动力特性，为燃机基础设计提供可靠的依据。

2 模型建立及网格划分

本项目燃机基础为现浇大块整体式钢筋混凝土基础，采用φ500预应力混凝土管桩基础，共41根桩，桩长6m，燃机基础埋深-2.7m。机组由汽轮机、发电机、进气装置等部分组成；汽机额定工作转速为5235 rpm，发电机额定工作转速为3000rpm，燃气轮机及发电机直接支承在燃机基础上。基座纵向长约26.0米，发电机处横向宽约4.3米，燃汽轮机处横向宽约6.95米。在ANSYS有限元模型中，燃机基础混凝土采用SOLID45单元模拟，桩采用BEAM188单元模拟，土体对基础的约束采用COMBIN14单元模拟，受力点处恒载采用MASS21单元模拟。

模型采用扫掠网格划分，单元大小为0.3x0.3x0.3，划分好后的模型如下图所示：

3 计算参数

燃机基座混凝土强度等级C30，其主要参数为： ； ； ； ； 。

土体对基础的约束采用COMBIN14单元模拟，分别为水平约束和竖向约束。根据《动力机器基础设计规范》，对基础进行竖向抗压刚度和水平抗剪刚度的计算，将计算的结果分配到每根桩上，抗压刚度由竖向COMBIN14单元的弹簧刚度表示，抗剪刚度由水平COMBIN14单元的弹簧刚度表示。

4 动力分析

4.1 自由振动分析

通过ANSYS软件对燃机基础进行自由振动分析，得到自然频率和振型，经过有限元计算，提取前10阶基础自振频率，如下表所示：

从表中可以看出，前10阶基础自振频率避开了发电机转子的自振频率，不会发生共振现象。

基础第一阶阵型如下图所示：

4.2 等效静载分析

根据GE相关文件要求，在等效转子不平衡力作用下，在汽轮机及发电机区域，燃机基础各点的最大位移不得大于以下数值：汽轮机区域（GT area）：46x10-6m；发电机区域（Generator area）：53x10-6m。而此处等效转子不平衡力由转子不平衡力乘以动力放大系数得出，该值由下式确定：

其中 为基座系统的阻尼比，根GE要求，此值取为0.02，则动力放大系数为

根据GE公司提供的文件，需将各点不平衡荷载转化为当量静载 ，将各个荷载点计算的当量静载输入模型中，通过ANSYS有限元计算得到基础各点的位移。在当量静载作用下，基础的位移如下图所示：

从图中可以看出基础的最大位移值为47.5x10-6m，位于发电机区域（Generator area），小于GE公司要求的53x10-6m，汽轮机区域（GT area）的位移也小于GE公司要求的46x10-6m，说明燃机基础在不平衡荷载作用下的强迫振动位移满足设计要求。

5 结论

运用ANSYS有限元分析软件对复杂的燃机基础进行动力分析是可行的，通过计算，得到基础的前10阶自振频率避开了发电机转子的共振频率，燃机基础在不平衡荷载作用下的强迫振动位移最大值为47.5x10-6m，小于GE公司的限值。因此，本工程设计基座满足GE公司对基座设计的动力响应要求。

本工程燃机安装完成后，已安全运营。

参考文献：

[1]GB50040-96.动力机器基础设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.