GE新版燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)理解與應(yīng)用：動力部分

鄭 中，周光炳，嚴(yán) 曉，鄢明章，曹松濤

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

GE燃?xì)廨啓C(jī)主要機(jī)型有6F、9H等。隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，GE的燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也隨著不斷更新。GE新版燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GEK63383g[1]于2018年底發(fā)布，在舊標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上做了部分調(diào)整。本文對新版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，對新舊標(biāo)準(zhǔn)的差異進(jìn)行對比。同時對匹配GEK63383g的動力分析方法進(jìn)行探討，尋求合理快捷的分析方法，提高分析效率。應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)對工程實例進(jìn)行分析，驗證燃機(jī)基礎(chǔ)的動力特性，為相關(guān)工程提供參考。

1 GEK63383g燃機(jī)基礎(chǔ)動力特性要求

GEK63383g對燃機(jī)基礎(chǔ)動力特性要求包括以下三個方面。

1.1 軸承支座動柔度

軸承支座動柔度的要求，是新標(biāo)準(zhǔn)增加的內(nèi)容。目的是為了保證轉(zhuǎn)子動力計算中采用基礎(chǔ)剛度假定和實際基礎(chǔ)剛度具有一致性；檢驗內(nèi)容是單位激振力(1 MN)下軸承支撐處動位移不超規(guī)定限制，如圖1所示，其中hz(i)是豎向動柔度、hy(i) 是水平動柔度。

圖1 動柔度限值

動柔度評價的頻率范圍為0.9～1.1倍額定轉(zhuǎn)速，需要評價每個軸承位置豎向和橫向柔度。分析采用簡諧激振力。GE推薦使用混凝土動彈性模量。

1.2 固有頻率評價

基礎(chǔ)固有頻率評價的主要目的是保證在設(shè)備運行速度的80%～120%之間應(yīng)沒有明顯的響應(yīng)，并且在“基礎(chǔ)荷載數(shù)據(jù)文件”中定義的設(shè)備控制點附近，基礎(chǔ)也不應(yīng)有大的響應(yīng)。

基礎(chǔ)固有頻率評價中，應(yīng)當(dāng)采用基礎(chǔ)和燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組設(shè)備的組合模型進(jìn)行固有頻率和相關(guān)振型的計算，截斷頻率應(yīng)達(dá)到1.2倍額定轉(zhuǎn)速。

1.3 強(qiáng)迫振動驗算

強(qiáng)迫振動驗算主要目的是保證設(shè)備長期運行后即使轉(zhuǎn)子平衡等級退化或受短時偶然事件影響，設(shè)備依然能夠長期穩(wěn)定運行。

標(biāo)準(zhǔn)指出只要燃機(jī)基礎(chǔ)自振頻率出現(xiàn)在0.9～1.1倍額定頻率范圍內(nèi)，不管這些頻率的參振質(zhì)量是多少，均需要進(jìn)行強(qiáng)迫振動分析。

計算時，轉(zhuǎn)子不平衡力有兩種來源：1)直接由GE提供擾力數(shù)值；2)通過轉(zhuǎn)子質(zhì)量計算擾力。通過轉(zhuǎn)子質(zhì)量計算擾力時，假定的轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心12.7 μm，任意兩個相鄰軸承之間的轉(zhuǎn)子重量所產(chǎn)生的總擾力F：

式中：W為轉(zhuǎn)子重量，lbf；n為發(fā)電機(jī)運行轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)燃汽輪發(fā)電機(jī)工作頻率為50 Hz時擾力F≈0.128W。

強(qiáng)迫振動的分析時，不平衡力應(yīng)考慮同方向作用和沿縱向各軸承處順次反向兩種情況。擾力應(yīng)根據(jù)掃頻頻率與額定頻率比值的平方進(jìn)行放大或縮小。標(biāo)準(zhǔn)建議的阻尼比取3%或更小。

強(qiáng)迫振動考察點為基礎(chǔ)表面，考察內(nèi)容為各主軸方向的振動速度：1)在0.9～1.1額定轉(zhuǎn)速下，考察點在每個主軸方向的峰值振動速度應(yīng)小于1.52 mm/s，舊標(biāo)準(zhǔn)僅要求額定轉(zhuǎn)速時執(zhí)行此限值；2)在其他轉(zhuǎn)速下(算至1.2倍額定轉(zhuǎn)速，擾力隨轉(zhuǎn)速調(diào)整)，考察點在每個主軸方向的峰值振動速度應(yīng)小于3.81 mm/s。

2 分析方法與評價點探討

2.1 動柔度

新標(biāo)準(zhǔn)中動柔度概念與GE另外一本的燃機(jī)基座標(biāo)準(zhǔn)(GE內(nèi)部編號N 91—448184)[2]概念一致；后者是GE早期燃機(jī)項目的標(biāo)準(zhǔn)，目前正被GEK63383g標(biāo)準(zhǔn)替代。GEK63383g要求的動剛度(動柔度倒數(shù))是后者的4～5倍。

動柔度計算可采用穩(wěn)態(tài)分析方法，進(jìn)行單點激振諧響應(yīng)分析；阻尼比建議與強(qiáng)迫振動分析取值一致。

動柔度限值規(guī)定的本質(zhì)是廠家在進(jìn)行轉(zhuǎn)子動力分析時需要對轉(zhuǎn)子約束條件進(jìn)行假定，形成合理的力學(xué)分析模型，以便完成轉(zhuǎn)子分析設(shè)計并為基礎(chǔ)設(shè)計提供轉(zhuǎn)子擾力，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)中未明確指明對動柔度評價點位置，筆者認(rèn)為選擇軸承支撐點(轉(zhuǎn)軸處)更為合理，以反應(yīng)整個基礎(chǔ)及軸承支撐結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子的約束作用。

圖2 轉(zhuǎn)子動力分析模型示意圖

此外，標(biāo)準(zhǔn)指出，如果動柔度不滿足需要反饋動柔度曲線給廠家，以進(jìn)行二次迭代分析。

2.2 強(qiáng)迫振動計算方法

標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)迫振動計算方法與我國GB 50040—96《動力設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]中推薦的單點激振后平方和開平方根的方法不同。另外，GE燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組有燃機(jī)—電機(jī)同轉(zhuǎn)速和燃機(jī)—電機(jī)不同轉(zhuǎn)速兩種情況。燃機(jī)—電機(jī)同轉(zhuǎn)速時，可以按標(biāo)準(zhǔn)推薦方法直接使用穩(wěn)態(tài)分析；分析時，所有軸承處擾力可在單工況中直接施加，獲取的計算結(jié)果可直接用于動力特性評價。燃機(jī)—電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時，穩(wěn)態(tài)分析法則不適用。

多點擾力同時施加且轉(zhuǎn)速不同的強(qiáng)迫振動分析，最合理的分析方法是采用瞬態(tài)時程分析，以獲取激振后的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。另外的簡化方式是高低轉(zhuǎn)軸分開進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，完成后將高低轉(zhuǎn)軸計算結(jié)果按頻率對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行SRSS組合(平方和開根)或線性組合。前者更為準(zhǔn)確，但建模工作量大，不同頻率時計算參數(shù)控制要求高；后者計算方便，但計算結(jié)果可能存在偏差。

3 工程分析實例

3.1 工程概況

某燃?xì)獍l(fā)電改造項目采用GE提供的6F機(jī)組，燃機(jī)額定轉(zhuǎn)速7 272.7 r/min，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。改造中需要對原6B燃機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)核，以判斷其是否可以利舊。基礎(chǔ)采用直徑為600 mm的灌注樁(共32根，平均樁長31 m，持力層為中風(fēng)化泥巖)，基礎(chǔ)厚度平面尺寸21.7 m×8 m、最大厚度2.25 m，如圖3、圖4所示，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C40。設(shè)備總重約230 t，基礎(chǔ)及覆土自重約845 t。

圖3 基礎(chǔ)平面布置圖

圖4 基礎(chǔ)典型橫剖面圖

3.2 計算參數(shù)及模型

基礎(chǔ)混凝土彈性模型Ec= 32.5 GPa，計算中阻尼比取3%。樁動剛度采用美國ACI-351.3R推薦的Novak方法[4-7]，計算獲得豎向剛度為Kz= 1 285.8 MN/m，水平剛度為Kh=237.5 MN/m。

計算模型中基礎(chǔ)采用殼單元，樁約束采用彈簧單元，軸承支撐點與基礎(chǔ)采用剛性桿接連；如圖5所示。

圖5 計算模型

模型中設(shè)備質(zhì)量施加于基礎(chǔ)表面，通過剛性桿與基礎(chǔ)殼單元連接，轉(zhuǎn)子質(zhì)量施加于軸承支撐點。

3.3 模態(tài)分析

自振頻率計算結(jié)果見表1所列，其中Ux、Uy、Uz分別為基礎(chǔ)縱向、橫向、豎向，Rx、Ry、Rz為對應(yīng)轉(zhuǎn)動方法。一階振型為橫向振型、二階陣型為縱向振型，三階振型為平面扭轉(zhuǎn)陣型，前7階為主要質(zhì)量參與振型。分析結(jié)果表明，燃機(jī)基礎(chǔ)在額定轉(zhuǎn)速80%～120%范圍內(nèi)(電機(jī)對應(yīng)頻率為40～60 Hz，燃機(jī)對應(yīng)頻率97～146 Hz)，無明顯大質(zhì)量參與振型。

表1 自振評率及參振質(zhì)量比例

3.4 動柔度分析

動柔度評價的頻率范圍為0.9～1.1倍額定轉(zhuǎn)速，評價點為軸承支撐點(轉(zhuǎn)軸處)；計算結(jié)果見表2所列。

表2 動柔度計算結(jié)果

計算結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)對基礎(chǔ)動柔度的要求，根據(jù)GEK63383g標(biāo)準(zhǔn)的要求，動柔度計算結(jié)果需返回廠家進(jìn)行復(fù)核，必要時進(jìn)行轉(zhuǎn)子動力學(xué)迭代分析。

3.5 強(qiáng)迫振動分析

廠家直接提供額定轉(zhuǎn)速下的擾力值，見表3所列。強(qiáng)迫振動計算結(jié)果見表4～表6所列，fn為設(shè)備額定轉(zhuǎn)速，評價點為基礎(chǔ)表面控制點(基礎(chǔ)頂面設(shè)備支座處)。

表3 廠家提供燃機(jī)發(fā)電機(jī)組擾力值

表4 采用時程分析法的強(qiáng)迫振動結(jié)果

表6 采用穩(wěn)態(tài)線性疊加法的強(qiáng)迫振動結(jié)果

采用三種方法(時程法和穩(wěn)態(tài)SRSS法和線性疊加法)計算結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；線性疊加法計算結(jié)果偏于保守，與時程法計算結(jié)果差異不大；本算例中部分核心頻率區(qū)間SRSS法計算結(jié)果小于時程分析，采用此法評價具有一定風(fēng)險性；控制點強(qiáng)迫振動分析結(jié)果如圖6所示。根據(jù)本算例經(jīng)驗，推薦實際工程中可以先采用處理較為簡單的線性疊加法計算基礎(chǔ)的強(qiáng)迫振動響應(yīng)，如無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求再采用時程法進(jìn)行更精確的計算。

圖6 控制點強(qiáng)迫振動分析結(jié)果

表5 采用穩(wěn)態(tài)SRSS法的強(qiáng)迫振動結(jié)果

4 結(jié)論

本文對GEK63383g標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行了解讀和探討，并運用該標(biāo)準(zhǔn)完成工程實例分析。主要得到以下結(jié)論：

1)新標(biāo)準(zhǔn)增加了基礎(chǔ)動柔度要求，與GE另外一本燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(GE編號N91—448184)概念一致，但限值差別顯著。

2)由于部分燃機(jī)機(jī)組燃機(jī)—電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，直接使用常規(guī)穩(wěn)態(tài)分析，無法完全執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)建議的強(qiáng)迫振動方法；可采用時程法和穩(wěn)態(tài)線性或SRSS疊加法進(jìn)行分析。

3)工程實例分析表明，采用穩(wěn)態(tài)線性疊加法進(jìn)行強(qiáng)迫振動分析結(jié)果比直接采用時程法分析結(jié)果大，偏于安全；采用SRSS法具有一定風(fēng)險性；實際工程中可優(yōu)先使用穩(wěn)態(tài)線性疊加法，以簡化分析工作。

4)由于新版GEK63383g標(biāo)準(zhǔn)要求燃機(jī)基礎(chǔ)分析設(shè)計還需要同廠家多次配合，目前溝通機(jī)制尚不清晰；動柔度二次迭代問題會對工程進(jìn)度產(chǎn)生不利影響，類似的設(shè)備—土建設(shè)計二次迭代問題已經(jīng)困擾行業(yè)多年，尚需進(jìn)一步開展研究工作。