GE新版燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)理解與應(yīng)用：動(dòng)力部分

鄭 中，周光炳，嚴(yán) 曉，鄢明章，曹松濤

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

GE燃?xì)廨啓C(jī)主要機(jī)型有6F、9H等。隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，GE的燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也隨著不斷更新。GE新版燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GEK63383g[1]于2018年底發(fā)布，在舊標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上做了部分調(diào)整。本文對(duì)新版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，對(duì)新舊標(biāo)準(zhǔn)的差異進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)對(duì)匹配GEK63383g的動(dòng)力分析方法進(jìn)行探討，尋求合理快捷的分析方法，提高分析效率。應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行分析，驗(yàn)證燃機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力特性，為相關(guān)工程提供參考。

1 GEK63383g燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力特性要求

GEK63383g對(duì)燃機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力特性要求包括以下三個(gè)方面。

1.1 軸承支座動(dòng)柔度

軸承支座動(dòng)柔度的要求，是新標(biāo)準(zhǔn)增加的內(nèi)容。目的是為了保證轉(zhuǎn)子動(dòng)力計(jì)算中采用基礎(chǔ)剛度假定和實(shí)際基礎(chǔ)剛度具有一致性；檢驗(yàn)內(nèi)容是單位激振力(1 MN)下軸承支撐處動(dòng)位移不超規(guī)定限制，如圖1所示，其中hz(i)是豎向動(dòng)柔度、hy(i) 是水平動(dòng)柔度。

圖1 動(dòng)柔度限值

動(dòng)柔度評(píng)價(jià)的頻率范圍為0.9～1.1倍額定轉(zhuǎn)速，需要評(píng)價(jià)每個(gè)軸承位置豎向和橫向柔度。分析采用簡(jiǎn)諧激振力。GE推薦使用混凝土動(dòng)彈性模量。

1.2 固有頻率評(píng)價(jià)

基礎(chǔ)固有頻率評(píng)價(jià)的主要目的是保證在設(shè)備運(yùn)行速度的80%～120%之間應(yīng)沒(méi)有明顯的響應(yīng)，并且在“基礎(chǔ)荷載數(shù)據(jù)文件”中定義的設(shè)備控制點(diǎn)附近，基礎(chǔ)也不應(yīng)有大的響應(yīng)。

基礎(chǔ)固有頻率評(píng)價(jià)中，應(yīng)當(dāng)采用基礎(chǔ)和燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組設(shè)備的組合模型進(jìn)行固有頻率和相關(guān)振型的計(jì)算，截?cái)囝l率應(yīng)達(dá)到1.2倍額定轉(zhuǎn)速。

1.3 強(qiáng)迫振動(dòng)驗(yàn)算

強(qiáng)迫振動(dòng)驗(yàn)算主要目的是保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后即使轉(zhuǎn)子平衡等級(jí)退化或受短時(shí)偶然事件影響，設(shè)備依然能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

標(biāo)準(zhǔn)指出只要燃機(jī)基礎(chǔ)自振頻率出現(xiàn)在0.9～1.1倍額定頻率范圍內(nèi)，不管這些頻率的參振質(zhì)量是多少，均需要進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析。

計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)子不平衡力有兩種來(lái)源：1)直接由GE提供擾力數(shù)值；2)通過(guò)轉(zhuǎn)子質(zhì)量計(jì)算擾力。通過(guò)轉(zhuǎn)子質(zhì)量計(jì)算擾力時(shí)，假定的轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心12.7 μm，任意兩個(gè)相鄰軸承之間的轉(zhuǎn)子重量所產(chǎn)生的總擾力F：

式中：W為轉(zhuǎn)子重量，lbf；n為發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)燃汽輪發(fā)電機(jī)工作頻率為50 Hz時(shí)擾力F≈0.128W。

強(qiáng)迫振動(dòng)的分析時(shí)，不平衡力應(yīng)考慮同方向作用和沿縱向各軸承處順次反向兩種情況。擾力應(yīng)根據(jù)掃頻頻率與額定頻率比值的平方進(jìn)行放大或縮小。標(biāo)準(zhǔn)建議的阻尼比取3%或更小。

強(qiáng)迫振動(dòng)考察點(diǎn)為基礎(chǔ)表面，考察內(nèi)容為各主軸方向的振動(dòng)速度：1)在0.9～1.1額定轉(zhuǎn)速下，考察點(diǎn)在每個(gè)主軸方向的峰值振動(dòng)速度應(yīng)小于1.52 mm/s，舊標(biāo)準(zhǔn)僅要求額定轉(zhuǎn)速時(shí)執(zhí)行此限值；2)在其他轉(zhuǎn)速下(算至1.2倍額定轉(zhuǎn)速，擾力隨轉(zhuǎn)速調(diào)整)，考察點(diǎn)在每個(gè)主軸方向的峰值振動(dòng)速度應(yīng)小于3.81 mm/s。

2 分析方法與評(píng)價(jià)點(diǎn)探討

2.1 動(dòng)柔度

新標(biāo)準(zhǔn)中動(dòng)柔度概念與GE另外一本的燃機(jī)基座標(biāo)準(zhǔn)(GE內(nèi)部編號(hào)N 91—448184)[2]概念一致；后者是GE早期燃機(jī)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)，目前正被GEK63383g標(biāo)準(zhǔn)替代。GEK63383g要求的動(dòng)剛度(動(dòng)柔度倒數(shù))是后者的4～5倍。

動(dòng)柔度計(jì)算可采用穩(wěn)態(tài)分析方法，進(jìn)行單點(diǎn)激振諧響應(yīng)分析；阻尼比建議與強(qiáng)迫振動(dòng)分析取值一致。

動(dòng)柔度限值規(guī)定的本質(zhì)是廠家在進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力分析時(shí)需要對(duì)轉(zhuǎn)子約束條件進(jìn)行假定，形成合理的力學(xué)分析模型，以便完成轉(zhuǎn)子分析設(shè)計(jì)并為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供轉(zhuǎn)子擾力，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)中未明確指明對(duì)動(dòng)柔度評(píng)價(jià)點(diǎn)位置，筆者認(rèn)為選擇軸承支撐點(diǎn)(轉(zhuǎn)軸處)更為合理，以反應(yīng)整個(gè)基礎(chǔ)及軸承支撐結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子的約束作用。

圖2 轉(zhuǎn)子動(dòng)力分析模型示意圖

此外，標(biāo)準(zhǔn)指出，如果動(dòng)柔度不滿足需要反饋動(dòng)柔度曲線給廠家，以進(jìn)行二次迭代分析。

2.2 強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算方法與我國(guó)GB 50040—96《動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中推薦的單點(diǎn)激振后平方和開平方根的方法不同。另外，GE燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組有燃機(jī)—電機(jī)同轉(zhuǎn)速和燃機(jī)—電機(jī)不同轉(zhuǎn)速兩種情況。燃機(jī)—電機(jī)同轉(zhuǎn)速時(shí)，可以按標(biāo)準(zhǔn)推薦方法直接使用穩(wěn)態(tài)分析；分析時(shí)，所有軸承處擾力可在單工況中直接施加，獲取的計(jì)算結(jié)果可直接用于動(dòng)力特性評(píng)價(jià)。燃機(jī)—電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，穩(wěn)態(tài)分析法則不適用。

多點(diǎn)擾力同時(shí)施加且轉(zhuǎn)速不同的強(qiáng)迫振動(dòng)分析，最合理的分析方法是采用瞬態(tài)時(shí)程分析，以獲取激振后的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。另外的簡(jiǎn)化方式是高低轉(zhuǎn)軸分開進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，完成后將高低轉(zhuǎn)軸計(jì)算結(jié)果按頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行SRSS組合(平方和開根)或線性組合。前者更為準(zhǔn)確，但建模工作量大，不同頻率時(shí)計(jì)算參數(shù)控制要求高；后者計(jì)算方便，但計(jì)算結(jié)果可能存在偏差。

3 工程分析實(shí)例

3.1 工程概況

某燃?xì)獍l(fā)電改造項(xiàng)目采用GE提供的6F機(jī)組，燃機(jī)額定轉(zhuǎn)速7 272.7 r/min，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。改造中需要對(duì)原6B燃機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)核，以判斷其是否可以利舊?；A(chǔ)采用直徑為600 mm的灌注樁(共32根，平均樁長(zhǎng)31 m，持力層為中風(fēng)化泥巖)，基礎(chǔ)厚度平面尺寸21.7 m×8 m、最大厚度2.25 m，如圖3、圖4所示，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。設(shè)備總重約230 t，基礎(chǔ)及覆土自重約845 t。

圖3 基礎(chǔ)平面布置圖

圖4 基礎(chǔ)典型橫剖面圖

3.2 計(jì)算參數(shù)及模型

基礎(chǔ)混凝土彈性模型Ec= 32.5 GPa，計(jì)算中阻尼比取3%。樁動(dòng)剛度采用美國(guó)ACI-351.3R推薦的Novak方法[4-7]，計(jì)算獲得豎向剛度為Kz= 1 285.8 MN/m，水平剛度為Kh=237.5 MN/m。

計(jì)算模型中基礎(chǔ)采用殼單元，樁約束采用彈簧單元，軸承支撐點(diǎn)與基礎(chǔ)采用剛性桿接連；如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

模型中設(shè)備質(zhì)量施加于基礎(chǔ)表面，通過(guò)剛性桿與基礎(chǔ)殼單元連接，轉(zhuǎn)子質(zhì)量施加于軸承支撐點(diǎn)。

3.3 模態(tài)分析

自振頻率計(jì)算結(jié)果見表1所列，其中Ux、Uy、Uz分別為基礎(chǔ)縱向、橫向、豎向，Rx、Ry、Rz為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)方法。一階振型為橫向振型、二階陣型為縱向振型，三階振型為平面扭轉(zhuǎn)陣型，前7階為主要質(zhì)量參與振型。分析結(jié)果表明，燃機(jī)基礎(chǔ)在額定轉(zhuǎn)速80%～120%范圍內(nèi)(電機(jī)對(duì)應(yīng)頻率為40～60 Hz，燃機(jī)對(duì)應(yīng)頻率97～146 Hz)，無(wú)明顯大質(zhì)量參與振型。

表1 自振評(píng)率及參振質(zhì)量比例

3.4 動(dòng)柔度分析

動(dòng)柔度評(píng)價(jià)的頻率范圍為0.9～1.1倍額定轉(zhuǎn)速，評(píng)價(jià)點(diǎn)為軸承支撐點(diǎn)(轉(zhuǎn)軸處)；計(jì)算結(jié)果見表2所列。

表2 動(dòng)柔度計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基礎(chǔ)動(dòng)柔度的要求，根據(jù)GEK63383g標(biāo)準(zhǔn)的要求，動(dòng)柔度計(jì)算結(jié)果需返回廠家進(jìn)行復(fù)核，必要時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)迭代分析。

3.5 強(qiáng)迫振動(dòng)分析

廠家直接提供額定轉(zhuǎn)速下的擾力值，見表3所列。強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算結(jié)果見表4～表6所列，fn為設(shè)備額定轉(zhuǎn)速，評(píng)價(jià)點(diǎn)為基礎(chǔ)表面控制點(diǎn)(基礎(chǔ)頂面設(shè)備支座處)。

表3 廠家提供燃機(jī)發(fā)電機(jī)組擾力值

表4 采用時(shí)程分析法的強(qiáng)迫振動(dòng)結(jié)果

表6 采用穩(wěn)態(tài)線性疊加法的強(qiáng)迫振動(dòng)結(jié)果

采用三種方法(時(shí)程法和穩(wěn)態(tài)SRSS法和線性疊加法)計(jì)算結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；線性疊加法計(jì)算結(jié)果偏于保守，與時(shí)程法計(jì)算結(jié)果差異不大；本算例中部分核心頻率區(qū)間SRSS法計(jì)算結(jié)果小于時(shí)程分析，采用此法評(píng)價(jià)具有一定風(fēng)險(xiǎn)性；控制點(diǎn)強(qiáng)迫振動(dòng)分析結(jié)果如圖6所示。根據(jù)本算例經(jīng)驗(yàn)，推薦實(shí)際工程中可以先采用處理較為簡(jiǎn)單的線性疊加法計(jì)算基礎(chǔ)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，如無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求再采用時(shí)程法進(jìn)行更精確的計(jì)算。

圖6 控制點(diǎn)強(qiáng)迫振動(dòng)分析結(jié)果

表5 采用穩(wěn)態(tài)SRSS法的強(qiáng)迫振動(dòng)結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)GEK63383g標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行了解讀和探討，并運(yùn)用該標(biāo)準(zhǔn)完成工程實(shí)例分析。主要得到以下結(jié)論：

1)新標(biāo)準(zhǔn)增加了基礎(chǔ)動(dòng)柔度要求，與GE另外一本燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GE編號(hào)N91—448184)概念一致，但限值差別顯著。

2)由于部分燃機(jī)機(jī)組燃機(jī)—電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，直接使用常規(guī)穩(wěn)態(tài)分析，無(wú)法完全執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)建議的強(qiáng)迫振動(dòng)方法；可采用時(shí)程法和穩(wěn)態(tài)線性或SRSS疊加法進(jìn)行分析。

3)工程實(shí)例分析表明，采用穩(wěn)態(tài)線性疊加法進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析結(jié)果比直接采用時(shí)程法分析結(jié)果大，偏于安全；采用SRSS法具有一定風(fēng)險(xiǎn)性；實(shí)際工程中可優(yōu)先使用穩(wěn)態(tài)線性疊加法，以簡(jiǎn)化分析工作。

4)由于新版GEK63383g標(biāo)準(zhǔn)要求燃機(jī)基礎(chǔ)分析設(shè)計(jì)還需要同廠家多次配合，目前溝通機(jī)制尚不清晰；動(dòng)柔度二次迭代問(wèn)題會(huì)對(duì)工程進(jìn)度產(chǎn)生不利影響，類似的設(shè)備—土建設(shè)計(jì)二次迭代問(wèn)題已經(jīng)困擾行業(yè)多年，尚需進(jìn)一步開展研究工作。