Ansaldo燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了ANSALDO燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法，其根據(jù)燃機(jī)基座的實(shí)際情況，以殼單元模擬大塊式燃機(jī)基座，考慮下部樁基影響，考慮設(shè)備荷載作用位置影響，利用有限元方法求解，建立“樁?基座?設(shè)備”三維有限元模型。本發(fā)明方法的模擬精度更加接近實(shí)際，計(jì)算精度與效率也大大提高。
【專利說明】
ANSALDO燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)方法，特別是一種ANSALDO燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]ANSALDO燃?xì)廨啓C(jī)為上海電氣集團(tuán)與意大利安薩爾多能源公司合作，于2015年新引進(jìn)中國市場的一種新型燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的(3000轉(zhuǎn)/min)的動(dòng)力設(shè)備，其在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡動(dòng)擾力作用于基座上，隨之燃?xì)廨啓C(jī)與燃機(jī)基座作為一個(gè)整體體系振動(dòng)。而燃?xì)廨啓C(jī)對軸承振動(dòng)有著非常嚴(yán)格的要求與控制，其振幅以Mi(微米)計(jì)量。因此，作為支承燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的燃機(jī)基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要與關(guān)鍵。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提供一種具有豐富的工程中常用力學(xué)模型構(gòu)件，并用有強(qiáng)大的有限元計(jì)算方法的有限元分析軟件ANSYS，利用該軟件時(shí)，用戶首先將工程結(jié)構(gòu)先合理簡化為力學(xué)模型，并利用ANSYS中相應(yīng)的構(gòu)件表達(dá)出此力學(xué)模型， 后面轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型的ANSALDO燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法。
[0004]—種ANSALDO燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法，其步驟如下:(1)按照燃?xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家提供基座部尺寸要求，并假定底板、墻厚及部分孔洞中的非設(shè)備工藝要求的尺寸，假定粧布置建立基座-粧體系模型，基座底板、墻用殼單元， 粧頂點(diǎn)與底板殼單元?jiǎng)傂赃B接，底部設(shè)置三向彈簧模擬粧土作用；(2)根據(jù)各個(gè)螺栓點(diǎn)的實(shí)際位置以及某些運(yùn)行荷載的作用位置建立荷載點(diǎn)，荷載點(diǎn)與基座為剛性連接；(3)根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家的荷載說明書，將設(shè)備質(zhì)量、各種運(yùn)行荷載分工況施加到荷載占.(4)進(jìn)行模態(tài)與諧響應(yīng)分析，在模態(tài)分析結(jié)果中查看振型分布是否合理，合理與否的依據(jù)即為，是否存在某些會(huì)產(chǎn)生共振或者明顯不利影響的振型，如有，進(jìn)行第(1)步調(diào)整基座構(gòu)件尺寸或者粧布置，再次本部計(jì)算，直到消除這些不利振型或者減弱這些振型的不利影響，諧響應(yīng)分析中查看軸承支承點(diǎn)的振幅是否滿足設(shè)備廠家的要求，若不滿足，進(jìn)行第(1) 步的工作，調(diào)整基座構(gòu)件尺寸或者粧布置，再次本部計(jì)算，直到滿足；(5)在第(4)步完成的方案，進(jìn)行靜力計(jì)算，查看粧彈簧豎向與水平內(nèi)力是否，滿足工程粧承載力，若不滿足，進(jìn)行第(1)步，調(diào)整基座尺寸或者粧數(shù)量、粧布置，進(jìn)行3到5步的計(jì)算， 直至滿足；(6)第(5)步完成之后，此時(shí)的基座構(gòu)件尺寸與粧布置即為技術(shù)可行的方案，在此方案上可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以得到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的方案；(7)第(6)步完成的方案即為最終方案，查看基座個(gè)構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，配置鋼筋。
[0005]本發(fā)明的ANSALDO燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)依據(jù)為:燃機(jī)汽輪機(jī)機(jī)組由兩大設(shè)備組成，燃機(jī)輪機(jī)與發(fā)電機(jī)，二者同軸高速旋轉(zhuǎn)。燃機(jī)輪機(jī)與發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生動(dòng)擾力，通過與基座相連接的地腳螺栓將此動(dòng)擾力傳給基座，基座隨之振動(dòng)。而基座的振動(dòng)進(jìn)一步反饋、影響到上部的燃?xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)的平衡與振動(dòng)。因此，燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)與基座的振動(dòng)是相互影響的，并且是一個(gè)封閉的循環(huán)，最終達(dá)到某種“動(dòng)平衡狀態(tài)”。因此，在基座設(shè)計(jì)中，必須將基座與上部動(dòng)力設(shè)備作為一個(gè)整體的“體系”考慮，而不能單獨(dú)以基座為對象進(jìn)行振動(dòng)研究。該體系在內(nèi)部動(dòng)擾力的激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，最終達(dá)到滿足一定要求的“振動(dòng)狀態(tài)”。
[0006]燃?xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)通過一系列預(yù)埋于基座中混凝土中的螺栓與基座固定，此固定能夠保證在運(yùn)行過程中設(shè)備與基座之間不產(chǎn)生，或者產(chǎn)生非常微小的、可以忽略不計(jì)的相對位移。因此，燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)與基座之間的螺栓連接可以簡化為“剛性連接”，即被連接二者之間無任何相對位移發(fā)生，只傳遞力的作用。
[0007]燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)本體自身由定子、轉(zhuǎn)子等各種精密構(gòu)件復(fù)雜的組裝成一個(gè)整體， 其自重與運(yùn)行過程各種荷載最終通過上述與基座連接的螺栓傳到基座上，因此基座分析設(shè)計(jì)中，可將設(shè)備自重分解到各個(gè)螺栓點(diǎn)上，這些螺栓點(diǎn)的幾何位置與實(shí)際一致。運(yùn)行過程中設(shè)備產(chǎn)生的各種荷載也按其運(yùn)行機(jī)理分解到各個(gè)螺栓點(diǎn)上。這一過程不考慮設(shè)備內(nèi)部各部件之間的相互作用，之考慮其對基座輸出的各種荷載。
[0008]根據(jù)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行的機(jī)理，有些荷載諸如動(dòng)擾力，其作用位置是在軸承中心處，軸承下部有支撐，支撐由螺栓固定于基座上。因此動(dòng)擾力作用位置距離螺栓點(diǎn)有一定水平距離或者垂直距離，傳遞到基座的荷載不僅有動(dòng)擾力本身，還有各種彎矩、扭矩等。則模型分析中動(dòng)擾力作用位按其實(shí)際幾何位置施加，再通過“生根”于螺栓點(diǎn)處的剛度無限大的 “剛性桿”將其力的作用傳遞到基座上(剛性桿與基座亦為剛性連接)。桿剛性無限大即意味著只傳遞動(dòng)擾力對基座的實(shí)際作用，而不考慮軸承支撐本身的變形。
[0009]由基座的三維模型可以看出，基座的各部分如底板，墻，三個(gè)維度上尺寸都比較大，更類似于塊體，并不符合ANSYS中“殼單元”(兩個(gè)方向上尺寸遠(yuǎn)大于第三方向上的尺寸)。但是，就燃機(jī)基座分析而言，主要是振動(dòng)分析與結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。對于基座振動(dòng)分析主要是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量，使其具有比較合理的振型，這樣便從概念上、宏觀上控制了基座振動(dòng)在大致合理的范圍內(nèi)。ANSYS中殼單元本身具有的厚度，密度參數(shù)能夠在力學(xué)與數(shù)學(xué)上滿足這一要求，并且殼單元有諸多內(nèi)力與應(yīng)力輸出項(xiàng)，亦可以方便的用于構(gòu)應(yīng)力分析。因此，基座設(shè)計(jì)可用ANSYS中的殼單元進(jìn)行模擬。
[0010]ANSYS殼單元在物理上有厚度、密度、抗彎剛度、抗剪切剛度等，但幾何上為“無厚度”的面。建模時(shí)，一般按實(shí)際結(jié)構(gòu)物的幾何中面建模，而基座這樣塊體組合結(jié)構(gòu)，墻與墻、 墻與底板交接處剛性非常大，形成“剛域”。殼單元無法體現(xiàn)這些節(jié)點(diǎn)區(qū)域巨大的剛性。因此，考慮將這些交接處殼單元的厚度做一定程度的放大，但密度設(shè)置為0,以模擬“節(jié)點(diǎn)剛域”。
[0011]基座一般使用粧基礎(chǔ)?；掝^一般錨入底板100?200_，粧頭并有一定長度錨筋錨入底板混凝土，粧頭下一定深度范圍內(nèi)，粧身灌芯加強(qiáng)，粧頭剛度增大，因此將粧與底板的連接亦考慮為“剛性連接”。
[0012]由于基座正常使用時(shí)，認(rèn)為水平與豎向粧土作用都處于彈性狀態(tài)，即位于水平與豎向P-logS曲線第一個(gè)拐點(diǎn)前。這里將粧土作用簡化為豎向與水平彈性彈簧。由于，基座設(shè)計(jì)中關(guān)心的是基座的響應(yīng)，而不關(guān)心粧體本身以及粧周土的反應(yīng)。此時(shí)的粧只是基座的邊界約束，因此只在粧頭位置處設(shè)置三向水平彈簧。此彈簧綜合反應(yīng)粧土對基座的彈性約束作用。
[0013]綜上所述的，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)如下優(yōu)點(diǎn):ANSALD0機(jī)型為最新引進(jìn)國內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)。其燃機(jī)基座的試驗(yàn)、設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐尚處于起步階段。以往國內(nèi)發(fā)電廠主要應(yīng)用汽輪機(jī)，而汽輪機(jī)基座為框架式結(jié)構(gòu)，其計(jì)算方法主要是將框架結(jié)構(gòu)簡化為桿系體系，利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力求解，而且該方法通常并不考慮下部地基或粧基的影響，直接將柱底固結(jié)。
[0014]而燃機(jī)基座有大底板、縱橫墻、支墩等組成的大塊式結(jié)構(gòu)，常規(guī)的桿系模型求解方式顯然不適合這這種結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明根據(jù)燃機(jī)基座的實(shí)際情況，以殼單元模擬大塊式燃機(jī)基座，考慮下部粧基影響，考慮設(shè)備荷載作用位置影響，利用有限元方法求解，建立“粧-基座-設(shè)備”三維有限元模型，提出一種可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的新型燃?xì)廨啓C(jī)基座的計(jì)算方法。同時(shí)該方法的模擬精度更加接近實(shí)際，計(jì)算精度與效率也大大提高?！靖綀D說明】
[0015]圖1是ANSYS “殼單元”燃機(jī)基座模型示意圖。
[0016]圖2是粧位布置示意圖。[〇〇17]圖3是粧與底板“剛性連接”示意圖。
[0018]圖4是發(fā)電機(jī)螺栓點(diǎn)及其與墻“剛性連接”示意圖。
[0019]圖5是燃機(jī)兩個(gè)軸承支承點(diǎn)，下部由剛性桿與基座連接，剛性桿與基座底板“剛性連接”示意圖。
[0020]圖6是“基座-粧-設(shè)備”有限元分析模型示意圖。
[0021]圖7是燃機(jī)、發(fā)電機(jī)在各自軸承支承點(diǎn)示意圖。[〇〇22]圖8是發(fā)電機(jī)螺栓點(diǎn)上的力矩示意圖。[〇〇23]圖9是發(fā)電機(jī)下部一片縱墻正z方向面y向正應(yīng)力?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。[〇〇25] 實(shí)施例1一種ANSALD0燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法，其步驟如下:(1)按照燃?xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家提供基座部尺寸要求，并假定底板、墻厚、部分孔洞(非設(shè)備工藝要求的尺寸)，假定粧布置建立基座-粧體系模型，基座底板、墻用殼單元，粧頂點(diǎn)與底板殼單元?jiǎng)傂赃B接，底部設(shè)置三向彈簧模擬粧土作用；(2)根據(jù)各個(gè)螺栓點(diǎn)的實(shí)際位置以及某些運(yùn)行荷載的作用位置建立荷載點(diǎn)，荷載點(diǎn)與基座為剛性連接；(3)根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家的荷載說明書，將設(shè)備質(zhì)量、各種運(yùn)行荷載分工況施加到荷載占.(4)進(jìn)行模態(tài)與諧響應(yīng)分析，在模態(tài)分析結(jié)果中查看振型分布是否合理，合理與否的依據(jù)即為，是否存在某些會(huì)產(chǎn)生共振或者明顯不利影響的振型，如有，進(jìn)行第(1)步調(diào)整基座構(gòu)件尺寸或者粧布置，再次本部計(jì)算，直到消除這些不利振型或者減弱這些振型的不利影響，諧響應(yīng)分析中查看軸承支承點(diǎn)的振幅是否滿足設(shè)備廠家的要求，若不滿足，進(jìn)行第(1) 步的工作，調(diào)整基座構(gòu)件尺寸或者粧布置，再次本部計(jì)算，直到滿足；(5)在第(4)步完成的方案，進(jìn)行靜力計(jì)算，查看粧彈簧豎向與水平內(nèi)力是否，滿足工程粧承載力，若不滿足，進(jìn)行第(1)步，調(diào)整基座尺寸或者粧數(shù)量、粧布置，進(jìn)行3到5步的計(jì)算， 知道滿足；(6)第(5)步完成之后，此時(shí)的基座剛和構(gòu)件尺寸與粧布置即為技術(shù)可行的方案，在此方案上可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以得到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的方案；(7)第(6)步完成的方案即為最終方案，查看基座個(gè)構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，配置鋼筋。
[0026]以下以上海某工程為例說明燃機(jī)基座設(shè)計(jì)與分析的過程:首先收到ANSA1D0廠家資料，包括:1、基座部分構(gòu)件的尚度、寬度、長度，開孔位置及大小;燃機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)備重量、各種運(yùn)行荷載;廠家對基座設(shè)計(jì)的指導(dǎo)文件，其中規(guī)定基座設(shè)計(jì)必要要求和規(guī)定。
[0027]根據(jù)地質(zhì)勘察資料以及工程經(jīng)驗(yàn)先預(yù)估粧數(shù)、粧間距進(jìn)行粧位布置；2、根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)先假定除廠家資料中已定尺寸基座構(gòu)件的其他構(gòu)件的尺寸，如底板厚度、發(fā)電機(jī)下兩片縱墻的厚度；根據(jù)廠家荷載文件，分解自重、運(yùn)行荷載到到各個(gè)螺栓點(diǎn)，計(jì)算各螺栓點(diǎn)在基座上的實(shí)際位置，計(jì)算各軸承支承點(diǎn)實(shí)際位置；3、根據(jù)以上確定的基座構(gòu)件尺寸，在ANSYS中建立“殼單元”燃機(jī)基座模型，見圖1:4、根據(jù)以上估計(jì)的粧位布置，ansys中建立粧位點(diǎn)，上端與底板“剛性連接”，下端用三向彈簧約束(彈簧無法顯示)，見圖2、3;5、根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際位置在ansys中建立個(gè)螺栓點(diǎn)，各螺栓點(diǎn)與基座殼單元模型“剛性連接”，見圖4:6、根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際位置在ansys中建立個(gè)軸承支承點(diǎn)，各軸承支承點(diǎn)與基座之間設(shè)置“剛性桿”，“剛性桿”與基座“剛性連接”，見圖5:7、將設(shè)備自重輸入到個(gè)相應(yīng)螺栓點(diǎn)上，輸入粧彈簧剛度；至此，建模完畢，完整燃機(jī) “粧-基座-設(shè)備”有限元模型見圖6:8、查看模態(tài)分析結(jié)果，各階振型分布是否合理，大致判斷有無與燃機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行頻率共振的振型。沒有，進(jìn)行下一步諧響應(yīng)分析，計(jì)算各軸承支承點(diǎn)處的振幅；9、施加燃機(jī)、發(fā)電機(jī)在各自軸承支承點(diǎn)上的動(dòng)擾力，見圖7:10、查看各軸承支承點(diǎn)處的振幅是否滿足規(guī)范限值，發(fā)現(xiàn)W2發(fā)電機(jī)軸承支承點(diǎn)處水平振幅超限。解決對策:調(diào)整燃機(jī)基座模型，將發(fā)電機(jī)下面兩片縱墻的墻厚加寬〇.5m，再次回到模態(tài)分析處，重新開始模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析，振幅驗(yàn)算通過。0K!至此動(dòng)力計(jì)算通過，完畢！11、施加各工況下荷載到螺栓點(diǎn)上，見圖8:12、查看各工況下粧反力，不超過粧基設(shè)計(jì)承載力，滿足！若出現(xiàn)不滿足的情況，此時(shí)回到建模階段，增加粧數(shù)，調(diào)整粧位布置，然后重新開始以上各步驟，模態(tài)分析一一諧響應(yīng)分析一一計(jì)算粧反力，直到每步都滿足要求，方可進(jìn)行下一步；13、經(jīng)過以上各步驟分析與計(jì)算，現(xiàn)已得到一個(gè)滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求、能夠用于工程的燃機(jī)基座計(jì)算模型?，F(xiàn)在進(jìn)行最后一步，計(jì)算基座各構(gòu)件內(nèi)力或者截面應(yīng)力，進(jìn)行構(gòu)件截面強(qiáng)度驗(yàn)算，與配筋;見圖9:14、根據(jù)上一步基座構(gòu)件截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，給各構(gòu)件配置相應(yīng)的數(shù)量與強(qiáng)度等級的鋼筋、混凝土，設(shè)計(jì)細(xì)部施工構(gòu)造做法，出施工圖紙。
[0028]本實(shí)施例未述部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種ANSALDO燃?xì)廨啓C(jī)的基座設(shè)計(jì)方法，其特征在于:其步驟如下，(1)按照燃?xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家提供基座部尺寸要求，并假定底板、墻厚及部分孔 洞中的非設(shè)備工藝要求的尺寸，假定粧布置建立基座-粧體系模型，基座底板、墻用殼單元， 粧頂點(diǎn)與底板殼單元?jiǎng)傂赃B接，底部設(shè)置三向彈簧模擬粧土作用；(2)根據(jù)各個(gè)螺栓點(diǎn)的實(shí)際位置以及某些運(yùn)行荷載的作用位置建立荷載點(diǎn)，荷載點(diǎn)與 基座為剛性連接；(3)根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家的荷載說明書，將設(shè)備質(zhì)量、各種運(yùn)行荷載分工況施加到荷載占.(4)進(jìn)行模態(tài)與諧響應(yīng)分析，在模態(tài)分析結(jié)果中查看振型分布是否合理，合理與否的依 據(jù)即為，是否存在某些會(huì)產(chǎn)生共振或者明顯不利影響的振型，如有，進(jìn)行第(1)步調(diào)整基座 構(gòu)件尺寸或者粧布置，再次本部計(jì)算，直到消除這些不利振型或者減弱這些振型的不利影 響，諧響應(yīng)分析中查看軸承支承點(diǎn)的振幅是否滿足設(shè)備廠家的要求，若不滿足，進(jìn)行第(1) 步的工作，調(diào)整基座構(gòu)件尺寸或者粧布置，再次本部計(jì)算，直到滿足；(5)在第(4)步完成的方案，進(jìn)行靜力計(jì)算，查看粧彈簧豎向與水平內(nèi)力是否，滿足工程 粧承載力，若不滿足，進(jìn)行第(1)步，調(diào)整基座尺寸或者粧數(shù)量、粧布置，進(jìn)行3到5步的計(jì)算， 知道滿足；(6)第(5)步完成之后，此時(shí)的基座剛和構(gòu)件尺寸與粧布置即為技術(shù)可行的方案，在此 方案上可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以得到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的方案；(7)第(6)步完成的方案即為最終方案，查看基座個(gè)構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，配置鋼筋。
【文檔編號】G06F17/50GK106021748SQ201610351956
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】張輝
【申請人】福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司