大型汽轮发电机组弹性基础竖向隔振减振性能研究

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由于大型机组单机容量的不断增大和结构的日益复杂,发电机组的动力特性也随之发生了较大的变化,其竖向自振频率为20Hz左右,并由此引发了一系列问题,特别是半速汽轮机组,其正常工作频率为25Hz,与常规刚性框架式基础的竖向基频较为接近,容易引发共振。相对于常规刚性框架式基础,弹性基础的一阶竖向自振频率在5Hz附近,与机组的正常工作频率相差较大能有效避免共振,同时弹性基础还具有弱化基础台板与下部框架联系、避免地基在动力荷载作用下的不均匀沉降等突出优点,因此被越来越多的发电站所采用,但弹性基础隔振先进技术产品被国外许多公司所掌握,汽轮发电机基础的弹簧隔振技术在国内的应用发展受制于人,现阶段仍处于引进和发展阶段,为解决卡脖子技术尽早实现弹簧隔振支座的国产化,本文在核电厂汽轮发电机基础新型隔振抗震系统项目的基础上,开展了大型汽轮发电机组弹性基础竖向隔振减振性能的研究。基于大型通用有限元分析软件ANSYS建立汽轮机数值模型并考虑不同的扰力输入方式以及不同的响应分析方法,分析弹簧隔振基础结构在转子强迫振动下结构动力响应的一般性规律,并进一步建立该基础结构弹簧-阻尼隔振减振结构有限元模型,分析弹簧-阻尼隔振减振结构在转子强迫振动下结构动力响应的一般性规律,最后基于各国动力基础规范对基础结构响应进行了对比分析。主要研究工作与取得的结论如下:1、基于ANSYS建立大型汽轮机弹性基础结构分析模型,运用迭代法确定弹簧隔振元件的最优刚度,并对基础模型进行了模态分析。结果表明:弹性基础竖向一阶频率(3.133Hz)远小于半速机组的工作频率(25Hz),能有效避免共振,有效降低汽轮机、平台板与下部结构之间的动力耦合,对结构振动响应具有很好的衰减作用。2、采用时程分析和谐响应分析两种方法对比分析了弹性基础在转子动态竖向和三向激励下的动力响应研究。结果表明:汽轮机启动后,平台板迅速从自由振动工作阶段向平稳工作阶段过渡,在平稳工作阶段,平台板及弹簧基础的竖向动力响应远小于启动工作阶段,单向激励下竖向位移与弹簧轴力响应的衰减率分别达到75.9%和72.9%;弹性基础可大幅度降低设备、台板与下部框架之间的动力耦合效应,对上部动力荷载有很好的隔离作用,竖向位移、速度、竖向力隔振效率平均值分别为94.78%、95.00%和97.84%,说明采用弹性隔振基础后,下部立柱结构可按照静力分析设计。3、研究了弹簧隔振基础与弹簧-阻尼隔振减振基础结构在转子强迫振动下的动力响应。结果表明:三向筒式黏滞阻尼器能起到一定的竖向减振效果,其减振效果主要集中在汽轮机启停阶段,在平稳工作阶段,三向筒式黏滞阻尼器的减振效果不明显。实际上,筒式阻尼器的主要功能在于衰减启动过程中的动力响应,确保平台板更快进入平稳工作状态。4、对比分析了中国《动力机器基础设计规范》(简称中国动力规范)、中国《汽轮发电机组弹簧隔振基础设计规程》(简称中国隔振规程)、美国《大型汽轮发电机基座设计导则》(简称美国设计导则)、德国《动力设备基础设计标准》(简称德国设计标准)四个规程转子激励扰力取值、结构阻尼比取值、结构动力响应及其隔振效率的区别。结果表明四个规程转子竖向和横向扰力幅值取值相同,但大小不同;阻尼比取值中国动力规范最大,其次为中国隔振规程,美国设计导则与德国设计标准相同且最小;弹性基础动力响应变化趋势一致,但响应幅值不一,在稳态阶段竖向峰值位移大小依次为美国设计导则、中国动力规范、德国设计标准和中国隔振规程;隔振效率四个规程的理论和数值计算结果均达到90%以上,其中中国动力规范稍小、理论计算结果较数值计算结果偏大。
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