王厚甫
中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司，济南，250102
摘要：汽轮发电机是火力发电厂的关键设备。汽轮发电机基础的设计除了应满足强度、变形、裂缝等要求外，还必须具有良好的动力特性。本文通过对汽轮机基础设计过程中出现的问题做了归纳总结，以指导今后的工作。
关键词：汽轮发电机基础；动力特性设计；结构选型；计算分析；构造要求
在汽轮发电机基础的设计过程中，汽轮发电机基础除了满足结构设计的强度，变形、裂缝等一般要求外，其动力特性的优劣还直接影响机组的安全稳定运行、使用寿命和检修维护周期。在动力特性分析的过程中，基础与设备是相互影响、相互制约的，设计时应当将设备和基础作为一个整体来考虑。在我国，汽轮发电机基础一般为钢筋混凝土框架式结构，由底板、柱、中间平台和运转层顶板构成。框架式基础宜采用多自由度空间力学模型分析，并进行多方案优化设计。本文主要对钢筋混凝土框架式结构的动力特性设计做了归纳总结，方便指导今后的工作。
1、收集基础设计资料
基础动力分析时，应当优先采用机器制造厂家提供的汽轮发电机振动荷载值、作用位置及作用方向，当缺乏资料时采用规范提供的建议值。除了机器厂家提供的主要荷载外，还应收集工艺专业的管道荷载，收集资料时应仔细核对，有碰撞问题及时协调相关专业调整。
2、基础结构选型
确定基础外形时，宜优先采用有优良运行业绩，并与机组配套的成熟基础型式，以保证基础振动性能的可靠性。基础的顶板、柱、中间平台和底板可按以下原则选型：
（1）顶板。顶板构件应受力简单、合理，外形尽量规则。纵横梁的截面尺寸在满足设备厂家的要求下，应合理调整顶板梁截面尺寸，使各纵横梁的静位移尽量接近，避免机组转子轴线偏移或转子受到损伤。顶板纵横梁宜避免偏心荷载，以减少对梁的扭力。当柱中心线与横梁中心线不一致时，应适当增加纵梁的水平刚度。
（2）柱。在满足强度、稳定性、静位移要求的前提下，宜适当减小柱子刚度，改善基础的动力特性。各排柱子的轴压比宜接近，截面不宜小于600X600，但其长细比不宜大于14。柱截面的经验截面尺寸可按表1选用。
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（3）中间平台。汽机基础的中间平台可采用与汽机基础上部结构整体浇筑的钢筋混凝土楼板，也可与主体结构脱开布置。当中间平台整体浇筑时，梁和板应有足够的厚度以减小中间平台的振动，楼板厚度不宜小于300mm。
（4）底板。基础底板应具有足够的刚度，满足柱底嵌固条件。框架式基础的底板可采用井式、梁板式或平板式，一般都采用平板式结构。底板的厚度一般取基础相邻柱之间净距的1/5~1/3.5。一般情况下底板的厚度应不小于柱截面尺寸，当因为特殊原因无法满足时，可用抗弯刚度比值进行控制，横方向底板抗弯刚度与柱抗弯刚度之比不应小于2。
3、动力分析
（1）振动控制标准。振动荷载作用点处三个方向的基础振动线位移A均应满足A≦[A]，其中[A]=0.02mm。当动内力按空间多自由度体系计算时，应取机器工作转速的0. 75倍~1. 25倍（对于常见的3000r/min取2250~3750r/min）范围内的最大动内力值作为控制计算值，对于0~0.75倍工作转速范围内的计算位移应不大于1.5倍的容许振动线位移值。
（2）扰力的荷载取值。扰力一般由机器厂家提供，当厂家未提供时，任意转速的扰力计算公式为：F0i=Fgi（n0/n）2 ；Fgi=mi *G*ω2/ω0（横向和竖向振动荷载），Fgi=0.5*mi *G*ω2/ω0（纵向振动荷载）。需要注意的是：在计算基础动内力时的扰力值，应取计算振动位移时所取扰力的4倍，并应考虑材料疲劳的影响（工程经验取2），即在进行承载力计算时动内力要在计算线位移时扰力的基础上放大8倍。当基础为横向框架与纵梁构成的空间框架时，构件动内力可采用当量荷载简化计算；其中，竖向当量荷载简化为集中荷载,水平向当量荷载简化为作用在纵、横梁轴线上的集中荷载。当动内力采用当量荷载计算时，应按基础的基本振型和高振型分别进行计算取大值。
（3）计算方法。目前工程中，汽轮发电机基础一般都按空间多自由度分析。常见的通用有限元分析软件如：Midas，SAP2000，ANSYS等均可进行基础的动力分析。现以Midas为例，提供软件实现动力计算的思路。采用Midas Gen进行结构建模时，可采用梁单元或实体单元进行模拟，对于特别复杂的工程或者要求计算精度高的时候应采用实体单元模拟，一般工程采用梁单元模拟，设置梁柱节点处刚域，可满足工程需求，而且效率高。当框架式基础按空间多自由度体系进行振动计算时，对于机器工作转速小于3000r/min的基础，地基宜按弹性计算;对于工作转速不小于3000r/min的基础，地基可按刚性计算，即在确定边界条件时对于常见的3000r/min的汽轮发电机，可将底板节点均设置为固定。确定振型个数的时候，当基础与机器共振时，基础的位移最大，以3000r/min（50HZ）汽轮机为例，按规范要求需计算出2250~3750r/min（37.5~62.5HZ）范围内所有频率下最大位移，为了方便计算，偏于安全的取0~62.5HZ内结构所有振型下的最大位移。施加动力荷载前应先定义时程荷载工况，定义时程荷载工况的方法是：需要选取在0~62.5HZ范围内的对应的结构所有频率，每个频率为一个荷载工况，然后在每个工况下定义足够的分析时间和精确的分析时间步长。定义完时程荷载工况后然后定义通过定义谐振函数和施加相应节点荷载，算出每个扰力作用下的节点位移Aik，最后通过Ai=2 求解每个节点处的线位移。
（4）不需要动力计算的情形。对工作转速为3000r/min且功率不大于125MW的汽轮发电机组，当基础为由横向框架与纵梁构成的空间框架，且同时满足下列条件时，可不进行动力计算：
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4、构造要求
框架式基础的顶部四周应留有变形缝与其他结构隔开， 中间平台宜与基础主体结构脱开；当不能脱开时，在两者连接处宜采取隔振措施。对中、高压缩性地基土，应采取加强地基和基础的刚度、 减少基础不均匀沉降等措施。基础顶板的挑台应设计成实腹式，悬出长度不宜大于1. 5m, 悬臂支座处的截面高度不应小于悬出长度的0. 75倍。顶板上的润滑油、冷却水（风）等管道和电缆等宜采用埋管的方式，避免在顶板上开沟而削弱顶板的刚度和强度。
5、结语
汽轮发电机基础设计时，其动力性能的优劣对机器安全稳定运行起着关键作用。在设计过程中，基础的顶板、柱子的质量、刚度搭配合理，就可得到较有利的振型，使体系在计算控制范围内的参振质量增大，从而可使有扰力作用点的振动响应大为减小，同时选取合理的计算方法和构造措施，从而实现基础良好的动力性能。
参考文献：
【1】GB50040-2020 动力机器基础设计标准
【2】GB/T51228-2017 建筑振动荷载标准
【3】DL5022-2012 火力发电厂土建结构设计技术规程
【4】电力工程设计手册（火力发电厂结构设计）