中德規(guī)范下燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算對(duì)比分析

李 明，王寶輝，魏文暉，張法輝

（1.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040；2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

·發(fā)電技術(shù)·

中德規(guī)范下燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算對(duì)比分析

李 明1，王寶輝2，魏文暉2，張法輝2

（1.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040；2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

對(duì)中德規(guī)范下燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析，探討允許振動(dòng)線位移取值、干擾力值、開停機(jī)和工作階段轉(zhuǎn)速的差異。以某工程為背景，通過ANSYS建立燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型，分別采用中國(guó)規(guī)范和德國(guó)規(guī)范進(jìn)行動(dòng)力分析。研究表明：中德規(guī)范下最大振動(dòng)線位移的轉(zhuǎn)速及振動(dòng)線位移安全系數(shù)有較大差異。

有限元；燃機(jī)基礎(chǔ)；動(dòng)力分析；振動(dòng)線位移；安全系數(shù)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，燃機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用范圍越來越廣。諸多學(xué)者如王浩［1］針對(duì)燃機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，提出動(dòng)力計(jì)算建議；劉茂盛［2］提出動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概念以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；徐術(shù)隴［3］描述了動(dòng)力基礎(chǔ)計(jì)算的詳細(xì)過程；李影［4］探討了動(dòng)力基礎(chǔ)振動(dòng)評(píng)判依據(jù)。目前諸多學(xué)者對(duì)燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力研究主要以中國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］（以下簡(jiǎn)稱《動(dòng)規(guī)》）為依據(jù)。隨著西門子為首的德國(guó)燃機(jī)設(shè)備被越來越多的國(guó)內(nèi)工程采用，掌握中國(guó)規(guī)范與德國(guó)規(guī)范之間的差異顯得尤為重要。以燃機(jī)基礎(chǔ)工程為背景，通過ANSYS建立燃機(jī)有限元模型，對(duì)比分析中德規(guī)范下燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力特性并且比較中國(guó)規(guī)范和德國(guó)規(guī)范之間的區(qū)別。

1 中德規(guī)范對(duì)比

1.1 振動(dòng)線位移取值

1.1.1 中國(guó)規(guī)范振動(dòng)線位移取值

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》相關(guān)規(guī)定，當(dāng)有m個(gè)擾力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)i的振動(dòng)線位移

式中：Ai為質(zhì)點(diǎn)i的振動(dòng)線位移，m；Aik為第k個(gè)擾力對(duì)質(zhì)點(diǎn)i產(chǎn)生的振動(dòng)線位移，m。

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》對(duì)轉(zhuǎn)速3 000 r／min機(jī)組規(guī)定，工作轉(zhuǎn)速±25%范圍內(nèi)為工作階段。其允許振動(dòng)線位移為0.02mm。對(duì)小于75%工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的計(jì)算振動(dòng)線位移，應(yīng)小于1.5倍的允許振動(dòng)線位移。故對(duì)于機(jī)組為3000 r／min的允許振動(dòng)線位移按表1采用。

表1 《動(dòng)規(guī)》允許振動(dòng)線位移

1.1.2 德國(guó)規(guī)范下振動(dòng)線位移取值

根據(jù)DIN4024—2009《Evaluation ofmachine vibration bymeasurements on non－rotating parts》［6］規(guī)定軸承座處的混凝土上表面的振動(dòng)速度有下列要求：在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速度不能超過2.8mm／s；在啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)振動(dòng)速度不能超過4.5mm／s。位移和速度可依據(jù)式（2）轉(zhuǎn)換。

式中：Si為允許振動(dòng)線位移，μm；Vi為機(jī)器的振動(dòng)速度，mm／s；fi為機(jī)器的工作頻率，50Hz。

對(duì)于轉(zhuǎn)速為3000 r／min的機(jī)組，在啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)振動(dòng)速度不能超過4.5mm／s，相當(dāng)于0～2 700 r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動(dòng)線位移允許值為20.25μm；在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速度不能超過2.8mm／s，相當(dāng)于2 700～

3 450r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動(dòng)線位移允許值為12.6μm。詳見表2。

表2 《DIN4024—2009》允許振動(dòng)線位移

從以上規(guī)范對(duì)比可知，《動(dòng)規(guī)》規(guī)定開停機(jī)階段振動(dòng)線位移允許值為30μm，工作階段振動(dòng)線位移允許值為20μm；而《DIN4024—2009》規(guī)范對(duì)振動(dòng)線位移應(yīng)根據(jù)式（2）取值，燃機(jī)開停機(jī)階段振動(dòng)線位移允許值為20.25μm，工作階段振動(dòng)線位移允許值為12.6μm。

1.2 簡(jiǎn)諧干擾力取值

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》及《DIN4024—2009》規(guī)定擾力作用點(diǎn)位置可取轉(zhuǎn)子處并在轉(zhuǎn)子部位施加擾力。

1.2.1 中國(guó)規(guī)范簡(jiǎn)諧干擾力取值

《動(dòng)規(guī)》規(guī)定簡(jiǎn)諧干擾力變化規(guī)律為式（3）所示。

式中：P為工作頻率干擾力幅值；P（t）為任意轉(zhuǎn)速的擾力；n為工作轉(zhuǎn)速；n0為任意轉(zhuǎn)速。根據(jù)《動(dòng)規(guī)》規(guī)定其豎向與橫向干擾力幅值按0.2倍轉(zhuǎn)子重量計(jì)算，縱向干擾力幅值按0.1倍轉(zhuǎn)子重量計(jì)算。

1.2.2 德國(guó)規(guī)范簡(jiǎn)諧干擾力取值

當(dāng)缺少制造商提供的資料時(shí)根據(jù)《DIN4024—2009》相關(guān)規(guī)范規(guī)定，可以按《VDI2060—2014》［7］的平衡品質(zhì)來計(jì)算豎向和橫向擾力，本文研究的燃機(jī)機(jī)型平衡品質(zhì)為6.3mm／s，則其幅值

式中：Mgi為作用在基礎(chǔ)第i點(diǎn)（擾力點(diǎn)）的機(jī)器轉(zhuǎn)子質(zhì)量；Wgi為作用在基礎(chǔ)第i點(diǎn)（擾力點(diǎn)）的機(jī)器轉(zhuǎn)子重量；ω為機(jī)器的工作圓頻率；Ω為強(qiáng)迫振動(dòng)工作圓頻率；G為平衡品質(zhì)等級(jí)；e為轉(zhuǎn)子的偏心率。

整理簡(jiǎn)化得出

從以上規(guī)范對(duì)比可知：《動(dòng)規(guī)》規(guī)定豎向與橫向干擾力幅值為0.2Wgi，縱向干擾力幅值為0.1Wgi；而《DIN4024—2009》規(guī)范對(duì)于3 000 r／min燃機(jī)機(jī)組干擾力應(yīng)根據(jù)公式（4）取值，本文研究燃機(jī)豎向與橫向干擾力幅值0.202Wgi。

2 工程背景

本文研究的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組沿縱向依次布置燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，工作頻率為50Hz。其燃?xì)廨啓C(jī)尺寸長(zhǎng)為35.55m，寬7.4m，高2.857m。底板高為2.5m。采用樁基基礎(chǔ)。燃機(jī)基礎(chǔ)模型如圖1所示。

圖1 燃機(jī)基礎(chǔ)模型圖

2.1 模型的建立

通過有限元軟件ANSYS建立燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型，其有限元模型由實(shí)體單元、質(zhì)量單元和彈簧單元組成。其中實(shí)體單元SOLID45模擬混凝土，質(zhì)量單元 MASS21模擬設(shè)備和轉(zhuǎn)子質(zhì)量，彈簧單元COMBIN14模擬樁。燃機(jī)基礎(chǔ)的工作機(jī)組轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，擾力頻率為50Hz。燃機(jī)基礎(chǔ)采用C35，其彈性模量取3.15×1010N／m2，泊松比取0.2，質(zhì)量密度取2.5×103kg／m3，重力加速度取9.8m／s2。G1、G2、G3和G4關(guān)鍵點(diǎn)處轉(zhuǎn)子重量分別為265 000N、265 000 N、340 000N和530 000N。

2.2 有限元模型振動(dòng)線位移結(jié)果對(duì)比

中德規(guī)范下提取振動(dòng)線位移的節(jié)點(diǎn)編號(hào)在模型中的位置如圖2所示。

圖2 提取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置

2.2.1 中國(guó)規(guī)范下有限元模型振動(dòng)線位移結(jié)果

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》計(jì)算，燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型在荷載作用下關(guān)鍵部位均方根幅值位移如表3～5所示，表中ωmax為最大位移。

表3 豎向荷載作用下關(guān)鍵點(diǎn)最大均方根幅值位移

表4 橫向荷載作用下關(guān)鍵點(diǎn)最大均方根幅值位移

節(jié)點(diǎn)編號(hào)開停機(jī)階段 工作階段位移／μm 轉(zhuǎn)速／（r·min－1） 位移／μm 轉(zhuǎn)速／（r·min－1）G1 0.477 2 231 1.720 2 625 ωmax 0.636 — 2.671 —G2 0.455 2 250 2.382 3 750 G3 0.162 2 250 1.386 3 750 G4 0.636 2 250 2.671 2 625

由表3～5可知：

1）在豎向（Z方向）、橫向（Y方向）和縱向（X方向）荷載作用下燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位的最大振動(dòng)線位移分別為6.621μm、10.568μm和2.671μm。

2）由燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)線位移可知，燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)（G1、G2）處的各方向振動(dòng)線位移與汽輪發(fā)電機(jī)（G3、G4）處的各方向振動(dòng)線位移基本一致。

3）有限元模型在《動(dòng)規(guī)》規(guī)定計(jì)算下，開停機(jī)階段的最大振動(dòng)線位移集中在轉(zhuǎn)速2 100 r／min附近，正常工作階段的最大振動(dòng)線位移集中在轉(zhuǎn)速3 700 r／min附近。

2.2.2 德國(guó)規(guī)范下有限元模型振動(dòng)線位移結(jié)果

根據(jù)《DIN4024—2009》計(jì)算，燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型在荷載作用下關(guān)鍵部位均方根幅值位移如表6～7所示。

表6 豎向荷載作用下關(guān)鍵點(diǎn)最大均方根幅值位移

表7 橫向荷載作用下關(guān)鍵點(diǎn)最大均方根幅值位移

由表6～7可知：

1）豎向（Z方向）和橫向（Y方向）荷載作用下燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位的最大振動(dòng)線位移分別為8.365μm和5.750μm。

2）由燃機(jī)基礎(chǔ)有限元模型的關(guān)鍵點(diǎn)線位移可知：燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)（G1、G2）處的各方向振動(dòng)線位移與汽輪發(fā)電機(jī)（G3、G4）處的各方向振動(dòng)線位移基本一致。

3）有限元模型在《DIN4024》規(guī)定計(jì)算下，開停機(jī)階段的豎向和縱向最大振動(dòng)線位移集中在轉(zhuǎn)速2600r／min附近，正常工作階段豎向和縱向最大振動(dòng)線位移集中在轉(zhuǎn)速3300 r／min附近。

2.3 中德規(guī)范動(dòng)力分析對(duì)比

由《動(dòng)規(guī)》和《DIN4024—2009》規(guī)范計(jì)算的豎向和橫向最大振動(dòng)線位移如表8所示。

表8 中德規(guī)范振動(dòng)線位移安全系數(shù)對(duì)比

由表8可知：

1）《動(dòng)規(guī)》和《DIN4024—2009》規(guī)范計(jì)算的豎向最大振動(dòng)線位移分別為6.621μm和8.365μm，其安全系數(shù)分別為67%和33%；在豎向方向上《動(dòng)規(guī)》計(jì)算的最大振動(dòng)線位移相對(duì)于《DIN4024—2009》計(jì)算的最大振動(dòng)線位移要小，振動(dòng)線位移安全系數(shù)要大。

2）《動(dòng)規(guī)》和《DIN4024—2009》規(guī)范計(jì)算的橫向最大振動(dòng)線位移分別為10.568μm和5.750μm，其安全系數(shù)分別為47%和54%；在橫方向上《動(dòng)規(guī)》計(jì)算的最大振動(dòng)線位移相對(duì)于《DIN4024—2009》計(jì)算的最大振動(dòng)線位移要大，振動(dòng)線位移安全系數(shù)要小。

3 結(jié)語

《動(dòng)規(guī)》對(duì)振動(dòng)線位移和干擾力取值有明確規(guī)定，即開停機(jī)階段的振動(dòng)線位移允許值為30μm，工作階段振動(dòng)線位移允許值為20μm；豎向與橫向干擾力幅值為0.2Wgi，縱向干擾力幅值為0.1Wgi。而《DIN4024—2009》規(guī)范對(duì)振動(dòng)線位移和干擾力取值應(yīng)根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算，本文研究的燃機(jī)開停機(jī)階段振動(dòng)線位移允許值為20.25μm，工作階段振動(dòng)線位移允許值為 12.6μm；豎向與橫向干擾力幅值0.202Wgi。

有限元模型在《動(dòng)規(guī)》計(jì)算下正常工作階段最大振動(dòng)線位移集中在轉(zhuǎn)速 3 700 r／min附近；在《DIN4024—2009》規(guī)范計(jì)算下正常工作階段豎向和縱向最大振動(dòng)線位移集中在轉(zhuǎn)速3 300 r／min附近。

豎向方向上，《動(dòng)規(guī)》計(jì)算的最大振動(dòng)線位移相對(duì)于《DIN4024—2009》計(jì)算的最大振動(dòng)線位移要小，振動(dòng)線位移安全系數(shù)要大；橫向方向上則相反。

［1］王浩，趙學(xué)毅.燃機(jī)基座動(dòng)力分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，43（S1）：225－226.

［2］劉茂盛，張應(yīng)之，郭永生.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)建筑，2014，44（6）：7－9.

［3］徐術(shù)隴，楊興權(quán).動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析［J］.沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，13（3）：44－48.

［4］李影，羅勇，沙曾忻.“線位移”或“均方根振動(dòng)速度”做基礎(chǔ)振動(dòng)判據(jù)的探討［J］.電力建設(shè)，2004，25（4）：39－41.

［5］機(jī)械工業(yè)部.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50040—1996［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1996.

［6］Evaluation ofmachine vibration bymeasurements on non－rotating parts：DIN4024—2009［S］.

［7］Characteristics and recognition of non－linear vibratory systems：VDI2060—2014［S］.

Com parison of Dynam ic Analysis for Gas Turbine Foundation B etween Chinese Code and DIN Code

LIMing1，WANG Baohui2，WEIWenhui2，ZHANG Fahui2
（1.Hubei Electric Engineering Corporation，Wuhan 430040，China；2.Hubei Key Lab of Road Bridge and Structure Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

The Chinese code and the German code are discussed and compared to assess the difference between the calculation results of the foundamental dynamic characters of the gas turbine.The regulation to the vibration displacement regarding different rotor speed during on-off state and working conditions and the disturbance force applied to the forceare detailed.The finite elementmodel of a gas turbine system was established by ANSYS.The Chinese code and German code are adopted in the simulation respecively to study the difference of dynamics.The results showed that the speed of the maximum vibration linear displacement value and the factor of safety of the vibration linear displacementare quite different between the two codes.

finite element；gas turbine foundation；dynamic analysis；vibration linear displacement；factor of safety

TU348

A

1007－9904（2017）06－0053－04

2017－03－23

李 明（1978），男，高級(jí)工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51678462）