张伟
天津华冶工程设计有限公司 天津 300270
摘要：火力发电厂的设计中，我们常会遇到各种各样的机器基础，而汽轮发电机是整个电厂的心脏，汽机基础则是电厂土建工程中最重要的项目之一。因此，现行的规程规范对汽机基础的设计要求是非常高的。此外，汽机基础还因其动力分析的复杂而成为发电厂土建结构工程中令人关注的设计之一。论文结合实际工程设计，针对50MW汽轮发电机组基础结构设计中的主要布置要求和动力分析的概念、动力计算控制要点等进行了探讨，提出了见解及建议，供同类工程设计参考和借鉴。
关键词：汽轮发电机基础；动力分析；动扰力
l. 概述
汽轮机发电机机组是火力发电厂的核心，汽轮机组基础结构的安全性直接关系着汽轮发电机组能否正常工作以及整个电厂的运行安全。因此，汽轮机组基础非常重要。汽轮发电机组正常工作转速是3000r／min。由于设备加工、安装等方面原因使其旋转中心与质心不可能完全共轴即存在偏心，导致产生惯性力，对结构而言即为动扰力。根据汽机机组动扰力的性质并考虑工艺设备布置要求以及基础结构本身质量、刚度和阻尼的情况，需要对汽轮机组基础进行动力分析计算。汽轮机组基础设计的特点是，除了静力计算外，必须进行动力分析计算；其难点就是振动的概念和分析计算。
本文剖析其特点难点，结合50MW汽轮机组钢筋混凝土框架基础实际工程，对结构设计中的主要布置要求和动力分析的概念、动力计算控制要点进行探讨如下。
2. 结构布置要求和动力分析的概念
汽轮发电机组基础是空间框架结构、无限多自由度的振动体系，其结构的动力分析比较复杂，要想使复杂分析趋于简单、方便计算准确进而达到结构分析满意的结果，首先要“简单对称化”其结构体系，同时考虑汽轮机发电机设备对其基础结构的要求及其旋转振动的特性，进行结构布置，具体的主要原则有：
1) 结构对称，即以汽轮发电机组纵轴线为对称线布置基础结构框架及其底板基础。
2) 汽机基础的顶板要“刚”，即要有足够的质量和刚度。顶板各粱的静挠度要接近。顶板外形要简单，其挑台应为实腹式，挑长≤1.5m，悬挑根部高≥0.75倍挑长，同时，尽量避免偏心受力。
3) 汽机基础的柱子，在满足强度和稳定要求的前提下，要“柔”，其长细比≤14。
4) 汽机基础的底板要“刚”，其厚度一般取其长度的1/15~1/20，并不小于柱截面边长。
规整简单的梁板、柱子及底板的外形，对称均质的钢筋混凝土框架和底板结构体系为振动计算提供了方便条件，同时避免偏心引起地基的不均匀沉降。
“刚”顶板梁一“柔”柱子一“刚”基础底板一“相对柔”地基，这种所谓的“刚柔相间”结构体系，振动计算表明，经过调整其构件的相对刚度，有减振隔振作用。并且，“刚”顶板梁会减小梁的挠度、使各梁变形接近，满足汽轮发电机组设备要求。“刚”底板对柱子有很好的嵌固，同时因其质量大、吸耗能，对地基有减隔振作用，其“刚”对避免及调整不均匀沉陷均有利。
布置实腹挑台并加强其根部是考虑了悬挑端头产生的边梢效应，避免其振动过大对设备及运行产生不良影响。
结构布置的每一条原则，都是汽轮发电机组基础动力分析概念设计的具体体现，对振动结构体系而言，其概念设计即其结构布置原则对整个结构分析计算及设计有极其重要的作用和影响。
3. 动力计算控制要点
描述振动的要素是振幅、圆频率和相位角。汽机基础的振动主要由汽轮机组正常工作时的动扰力而引起的稳态强迫振动，其动扰力的频率即为汽机机组旋转的圆频率。
结构动力分析的目标，就是要使汽机基础在机组动扰力的作用下，尽可能避免基础结构产生共振，控制结构产生的最大动位移即振幅，或者最大振动速度，以达到结构安全运行适用的目的。
现行规范规定，对汽机基础动力计算采用振动线位移控制的方法，即计算的振动线位移应小于允许振动线位移值，亦即“振幅”控制法。具体讲，其计算控制的要点是：
1) 汽机机组正常工作转速±25％范围内的最大计算振动线位移≤0.02ram（允许振动线位移）。
2) 对小于75％工作转速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，即为0.03mm。
从上述两点计算控制要求来看，规范并没有直接对结构振频值进行要求和控制，而仅对强迫振动的位移效应即其会对结构和设备产生直接影响的振动要素进行了限制，也就是说，从概念上讲，无论汽机基础结构是否产生共振，只要其振动线位移满足相应的要求即可。
尽管规范没有对结构振频值以及结构共振提出直接要求，但是，对结构振幅的相应限制要求必然间接地要求了结构振频。
结构动力学原理揭示了一条规律：阻尼较小时，当结构自振频率与强振频率相近时，会出现共振现象，即其动力响应会逐渐强烈，最终平衡时的动力响应——共振振幅及动力幅要比最大静位移及静力幅大许多倍；当自振频率与强振频率相差愈远时，动力响应愈弱。因此，有经验的结构师在进行汽机基础动力计算时，首先要“积极主动”地消振减振，即调整结构自振频率远离汽机机组的工作频
率3000r/min，同时，并尽可能地远离汽轮机发电机轴系的临界转速，以求较小的动力响应，从而为满足结构振幅要求提供了有利条件，亦减小了动内力，对结构受力十分有利。然后，在此基础上再进行结构振动线位移的计算和验算。如果难以实现使结构自振频率远离汽机机组的工作频率或临界转速，从概念上讲，规范并没有对此进行限制，那么此情况下的计算振动线位移肯定会较大，但是亦必须满足规范相应的线位移要求，换句话讲，只要满足了规范要求，结构共振不是不允许。
决定结构自振频率的物理量是汽机基础的刚度和质量，阻尼对其影响忽略。计算中即为调整梁柱的外形尺寸，得到梁柱合适的刚度、进而得到整个结构的刚度和质量，最终算出结构自振频率。从某种意义上讲，调出合适的结构自振频率对动力计算非常关键。
考虑结构刚度和质量计算中的偏差导致自振频率的计算值与其实测值有误差而此误差又会对结构振幅有较大影响，经过对比分析，其误差在±25％左右；故规范规定，在计算线位移时，对应的是工作频率和非工作频率的某一区段，以其中的最大值作为计算的控制值。
综上所述，汽机基础动力计算的控制点是振动线位移，合适的结构自振频率为结构满足规范规定的振幅要求提供了有利条件。
4. 结语
汽轮机组基础设计，除了要进行静力计算外还要进行复杂的动力计算。动扰力、振频、振幅等振动物理量及其相互作用和关系经常困扰着汽机基础设计，使人无的放矢。本文剖析了其设计的特点难点，从动力概念设计和动力计算的角度分析了汽机基础结构布置原则，阐明了现行规范对汽机基础结构动力计算的控制要点并指出了合适的结构自振频率的作用及其重要意义，对同类工程的设计具有参考作用。
【主要参考文献】
[1]《动力机器基础设计规范》GB 50040—96；
[2]《汽轮发电机组基础空间结构计算程序(4.5版)用户手册》，罗国澍。