刘 伟

(国核电力规划设计研究院,北京 100095)

·岩土工程·地基基础·

基于不同标准半速汽机刚性基础动力特性分析

刘 伟

(国核电力规划设计研究院,北京 100095)

以国内某AP1000核电站半速汽轮发电机刚性基础为例，分别根据厂家标准及我国GB 50040—96动力机器基础设计规范，采用SAP2000软件进行有限元建模及动力特性分析，并对采用不同标准的结果进行对比，结果显示，不同标准下刚性基础幅频曲线虽有差异，但均能满足各个规范限值要求。

刚性基础，动力特性，半速机

汽轮发电机基础承载着电厂最重要也是最昂贵的设备，不论是常规火力电厂还是核电站，汽轮机基础设计都极为关键，设计的好坏关系重大。相比于常规火力发电站，核电站蒸汽参数不及常规火力发电站，为了输出同样的功率，核电站汽轮机需要更大的蒸汽流量。当低压排汽缸数量相同时，核电站汽轮机末级叶片的长度通常要长得多。汽轮机末级叶片长度受到材料强度的制约，不能任意加长。为了能加长汽轮机末级叶片长度，又不超过材料强度的限制，只有降低汽轮机工作转速，即采用半速机组。目前国内外的半速机基础主要有两种形式，一是采用弹簧隔振基础，用弹簧将扰力产生的振动过滤掉，使得基座不受动力荷载的作用影响。另一种就是采用刚性基础，通过计算，调整汽轮发电机基础的刚度,避开汽轮机的运行转动的频率范围,以免发生共振。

随着我国核电建设的高速发展，核电装机容量不断增加，所采用机组类型也不尽相同。相应的，半速汽轮发电机基础结构类型也不相同，有的采用刚性基础，也有的采用弹簧隔振基础。在进行汽轮发电机基础结构分析设计时，国内通常所依据的标准为国家标准GB 50040—96动力机器基础设计规范(简称“动规”)。国际上也会遵循相应设备厂家的技术要求或参照国际标准(ISO 10816—2)。不同的标准、规范或技术要求在计算原则、扰力取值、判定标准等方面都会存在不同。

本文将以国内某大型AP1000三菱机型的半速机组的刚性基础为例，利用大型通用有限元软件SAP2000分别采用我国《动规》和厂家要求两套标准进行数值分析，并对两套标准的计算方法和结果进行对比分析，分析方法和对比结果将为后续核电半速汽机刚性基础设计提供有意义的参考。

1 我国《动力机器基础设计规范》和三菱厂家标准的对比

在汽轮发电机基础设计时，不论是遵循我国《动规》或依据三菱厂家标准，都要对基础结构进行模态分析和强迫振动响应分析。但在扰力取值大小、扰力点作用位置和方式、允许振动幅值和结构阻尼比的取值大小上均有不同。

1.1 强迫振动响应分析时的扰力

扰力是指在进行强迫振动相应计算时所采取的激振力。按照我国《动规》进行分析时《动规》中有规定：机器的扰力值、作用位置等亦由机器制造厂提供，当缺少扰力资料时，任意转速下的扰力值，可按下式计算：

其中，n0为任意转速；n为机组的工作转速；Poi为机组任意转速下的扰力值,kN；对于半速机取Pgi=0.16Wgi(垂直方向和横向),Pgi=0.08Wgi(纵向),kN，Wgi为作用在基础扰力点处的转子重量,kN。根据上式可知，扰力值大小是随频率变化的。

按照三菱厂家的标准，引用ISO 1940/1—2004，该机组的不平衡等级为G5.0，则在25 Hz下的扰力公式为：

Pgi=Wi·(2πf)·G/9.81=

Wi×(2π×25)×0.005/9.81=0.08Wi。

其中，Pgi为i点的不平衡扰力，kN；Wi为i点的转子重量，kN；G为不平衡等级，m/s；f为工作频率，1/s。

当任意转速时，同《动规》标准规定一样随频率变化。

1.2 振动控制标准

对于不同的设备可以依据厂家的相关标准，如果没有标准，应该遵照相应的国际、国家标准。对于刚性基础振动控制，我国《动规》采用振幅法。控制基础扰力作用点的振动线位移，不控制频率。其中规定，宜取在工作转速±25%频率范围内计算的最大振动线位移作为工作转速时的计算振动线位移。对于半速汽轮机，《动规》中基础扰力点的允许振动线位移在±25%工作转速内为40 μm。对从启动到75%工作转速频率范围内的计算振动线位移，应小于1.5倍的允许振动线位移，即在启动过程中振动线位移应小于60 μm。三菱厂家标准引用ISO 10816标准对基础进行振动控制。根据ISO 10816标准各扰力点的振动速度均方根值不大于2.8 mm/s。换算成振动线位移后，各扰力点在±25%工作转速内最大振动线位移限值25 μm。在小于75%工作转速内最大振动线位移不应大于1.5倍的允许振动线位移。

1.3 阻尼比的取值

进行强迫振动分析，必然会涉及到阻尼比，不同的标准对阻尼比的规定相差较大。我国《动规》中规定阻尼比可取6.25%，为常量。三菱机组厂家技术要求中规定阻尼比可取恒定值5%。

2 有限元模型建立

以国内某大型AP1000三菱机型的半速机组的刚性基础各项参数为依据，采用大型通用有限元分析软件SAP2000进行结构数值建模。大型汽轮发电机基础一般形状不规则、结构复杂，数值模型的准确与否非常重要，直接关系到分析结果的正确性和准确性。因此，模型应力求更真实、准确和直观地反映结构自身的力学行为。模型对基础柱脚假定为固结，仅对顶板和柱子建模,柱子底部设置固定约束。把汽轮机基础模拟成三维框架，梁柱采用三维梁单元，剪力墙采用柱加刚性梁进行模拟。汽轮机和发电机等设备不建在模型当中，设备重量作为外加荷载作用在基座上。基础杆系单元模型拉伸显示见图1。

3 模态分析

采用SAP2000中的模态分析模块进行自由振动特性分析，选用特征向量法，振型阶数100，并设置截断频率35 Hz。

根据模态计算结果，汽轮发电机基础X(纵)向第一阶自振频率为2.53 Hz，Y(横)向第一阶自振频率为3.66 Hz，Z(竖)向第一阶自振频率为18.2 Hz。汽轮机发电机基础在各个方向上的第一阶振型都在机器正常运行频率的80%以内，所以本基础结构不会发生结构共振，结构形式是可取的。

4 强迫振动响应分析

本节分别按照《动规》和三菱厂家标准，采用SAP2000的频域分析模块进行强迫振动分析，采用振型叠加法进行计算。分别按照三菱厂家设计标准和GB 50040—96动力机器基础设计规范进行分析计算。

4.1 按照三菱厂家标准强迫振动分析结果

按照三菱厂家标准计算结果见表1。

表1 按照厂家标准分析结果

4.2 按照GB 50040—96动力机器基础设计规范强迫振动分析结果

按照《动规》计算结果见表2。

表2 按照《动规》分析结果

从以上两种计算结果可知，由于扰力取值以及阻尼比取值不同，按照厂家标准计算与按照《动规》计算的各扰力点最大振幅及相应频率点都有所差异。两种标准下扰力点的计算最大振幅均能满足各自限值要求。

5 结语

本文以某三菱机型核电半速机组刚性基础为例，利用大型有限元软件SAP2000分别建立了数值模型，并进行了模态分析和强迫振动响应分析。结果显示，不同标准下刚性基础幅频特性虽有差异，但均能满足各个规范限值要求。目前国内核电机组汽轮发电机基础一般按照厂家标准或国际标准设计，关于我国《动力机器基础设计规范》对于核电半速机基础设计的适用性，仍需要进一步探讨。

Analysis on dynamic characteristics of half speed vehicle rigid foundation based on different standards

Liu Wei

(NationalNuclearPowerPlanning&DesignInstitute,Beijing100095,China)

Taking the rigid foundation of half speed turbine generator of a domestic AP1000 nuclear power plant as an example, respectively according to the manufacturer’s standard and our GB 50040—96PowerMachineFoundationDesignSpecification, this paper made finite element modeling and dynamic characteristics analysis using SAP2000 software, and compared the results of different standards, the results showed, although the rigid foundation amplitude frequency curves had some difference in different standards, but could meet various specification limit value requirement.

rigid foundation, dynamic characteristic, half speed machine

2015-04-23

刘 伟(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)19-0036-02

TH113

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