ANSALDO燃气轮机的基座设计方法技术

本发明专利技术公开了ANSALDO燃气轮机的基座设计方法，其根据燃机基座的实际情况，以壳单元模拟大块式燃机基座，考虑下部桩基影响，考虑设备荷载作用位置影响，利用有限元方法求解，建立“桩‑基座‑设备”三维有限元模型。本发明专利技术方法的模拟精度更加接近实际，计算精度与效率也大大提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃气轮机设计方法，特别是一种ANSALDO燃气轮机的基座设计方法。
技术介绍
ANSALDO燃气轮机为上海电气集团与意大利安萨尔多能源公司合作，于2015年新引进中国市场的一种新型燃气轮机。燃气轮机是一种高速旋转的（3000转/min）的动力设备，其在运行过程中转子产生不平衡动扰力作用于基座上，随之燃气轮机与燃机基座作为一个整体体系振动。而燃气轮机对轴承振动有着非常严格的要求与控制，其振幅以μm（微米）计量。因此，作为支承燃气轮机机组的燃机基座的结构设计显得尤为重要与关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种具有丰富的工程中常用力学模型构件，并用有强大的有限元计算方法的有限元分析软件ANSYS，利用该软件时，用户首先将工程结构先合理简化为力学模型，并利用ANSYS中相应的构件表达出此力学模型，后面转化为数学模型的ANSALDO燃气轮机的基座设计方法。一种ANSALDO燃气轮机的基座设计方法，其步骤如下：（1）按照燃气轮机与发电机生产厂家提供基座部尺寸要求，并假定底板、墙厚及部分孔洞中的非设备工艺要求的尺寸，假定桩布置建立基座-桩体系模型，基座底板、墙用壳单元，桩顶点与底板壳单元刚性连接，底部设置三向弹簧模拟桩土作用；（2）根据各个螺栓点的实际位置以及某些运行荷载的作用位置建立荷载点，荷载点与基座为刚性连接；（3）根据设备生产厂家的荷载说明书，将设备质量、各种运行荷载分工况施加到荷载点；（4）进行模态与谐响应分析，在模态分析结果中查看振型分布是否合理，合理与否的依据即为，是否存在某些会产生共振或者明显不利影响的振型，如有，进行第（1）步调整基座构件尺寸或者桩布置，再次本部计算，直到消除这些不利振型或者减弱这些振型的不利影响，谐响应分析中查看轴承支承点的振幅是否满足设备厂家的要求，若不满足，进行第（1）步的工作，调整基座构件尺寸或者桩布置，再次本部计算，直到满足；（5）在第（4）步完成的方案，进行静力计算，查看桩弹簧竖向与水平内力是否，满足工程桩承载力，若不满足，进行第（1）步，调整基座尺寸或者桩数量、桩布置，进行3到5步的计算，直至满足；（6）第（5）步完成之后，此时的基座构件尺寸与桩布置即为技术可行的方案，在此方案上可进一步进行调整优化，以得到技术可行、经济节省的方案；（7）第（6）步完成的方案即为最终方案，查看基座个构件内力进行强度验算，配置钢筋。本专利技术的ANSALDO燃气轮机的基座设计方法，其设计依据为：燃机汽轮机机组由两大设备组成，燃机轮机与发电机，二者同轴高速旋转。燃机轮机与发电机在运转过程中产生动扰力，通过与基座相连接的地脚螺栓将此动扰力传给基座，基座随之振动。而基座的振动进一步反馈、影响到上部的燃气轮机与发电机的平衡与振动。因此，燃气轮机、发电机与基座的振动是相互影响的，并且是一个封闭的循环，最终达到某种“动平衡状态”。因此，在基座设计中，必须将基座与上部动力设备作为一个整体的“体系”考虑，而不能单独以基座为对象进行振动研究。该体系在内部动扰力的激励下产生振动，最终达到满足一定要求的“振动状态”。燃气轮机与发电机通过一系列预埋于基座中混凝土中的螺栓与基座固定，此固定能够保证在运行过程中设备与基座之间不产生，或者产生非常微小的、可以忽略不计的相对位移。因此，燃气轮机、发电机与基座之间的螺栓连接可以简化为“刚性连接”，即被连接二者之间无任何相对位移发生，只传递力的作用。燃气轮机、发电机本体自身由定子、转子等各种精密构件复杂的组装成一个整体，其自重与运行过程各种荷载最终通过上述与基座连接的螺栓传到基座上，因此基座分析设计中，可将设备自重分解到各个螺栓点上，这些螺栓点的几何位置与实际一致。运行过程中设备产生的各种荷载也按其运行机理分解到各个螺栓点上。这一过程不考虑设备内部各部件之间的相互作用，之考虑其对基座输出的各种荷载。根据燃机、发电机运行的机理，有些荷载诸如动扰力，其作用位置是在轴承中心处，轴承下部有支撑，支撑由螺栓固定于基座上。因此动扰力作用位置距离螺栓点有一定水平距离或者垂直距离，传递到基座的荷载不仅有动扰力本身，还有各种弯矩、扭矩等。则模型分析中动扰力作用位按其实际几何位置施加，再通过“生根”于螺栓点处的刚度无限大的“刚性杆”将其力的作用传递到基座上（刚性杆与基座亦为刚性连接）。杆刚性无限大即意味着只传递动扰力对基座的实际作用，而不考虑轴承支撑本身的变形。由基座的三维模型可以看出，基座的各部分如底板，墙，三个维度上尺寸都比较大，更类似于块体，并不符合ANSYS中“壳单元”（两个方向上尺寸远大于第三方向上的尺寸）。但是，就燃机基座分析而言，主要是振动分析与结构应力分析。对于基座振动分析主要是通过调整结构刚度与质量，使其具有比较合理的振型，这样便从概念上、宏观上控制了基座振动在大致合理的范围内。ANSYS中壳单元本身具有的厚度，密度参数能够在力学与数学上满足这一要求，并且壳单元有诸多内力与应力输出项，亦可以方便的用于构应力分析。因此，基座设计可用ANSYS中的壳单元进行模拟。ANSYS壳单元在物理上有厚度、密度、抗弯刚度、抗剪切刚度等，但几何上为“无厚度”的面。建模时，一般按实际结构物的几何中面建模，而基座这样块体组合结构，墙与墙、墙与底板交接处刚性非常大，形成“刚域”。壳单元无法体现这些节点区域巨大的刚性。因此，考虑将这些交接处壳单元的厚度做一定程度的放大，但密度设置为0，以模拟“节点刚域”。基座一般使用桩基础。桩头一般锚入底板100~200mm，桩头并有一定长度锚筋锚入底板混凝土，桩头下一定深度范围内，桩身灌芯加强，桩头刚度增大，因此将桩与底板的连接亦考虑为“刚性连接”。由于基座正常使用时，认为水平与竖向桩土作用都处于弹性状态，即位于水平与竖向P-logS 曲线第一个拐点前。这里将桩土作用简化为竖向与水平弹性弹簧。由于，基座设计中关心的是基座的响应，而不关心桩体本身以及桩周土的反应。此时的桩只是基座的边界约束，因此只在桩头位置处设置三向水平弹簧。此弹簧综合反应桩土对基座的弹性约束作用。综上所述的，本专利技术相比现有技术如下优点：ANSALDO机型为最新引进国内的燃气轮机。其燃机基座的试验、设计与工程实践尚处于起步阶段。以往国内发电厂主要应用汽轮机，而汽轮机基座为框架式结构，其计算方法主要是将框架结构简化为杆系体系，利用结构动力求解，而且该方法通常并不考虑下部地基或桩基的影响，直接将柱底固结。而燃机基座有大底板、纵横墙、支墩等组成的大块式结构，常规的杆系模型求解方式显然不适合这这种结构。因此，本专利技术根据燃机基座的实际情况，以壳单元模拟大块式燃机基座，考虑下部桩基影响，考虑设备荷载作用位置影响，利用有限元方法求解，建立“桩-基座-设备”三维有限元模型，提出一种可应用于工程设计的新型燃气轮机基座的计算方法。同时该方法的模拟精度更加接近实际，计算精度与效率也大大提高。附图说明图1是ANSYS“壳单元”燃机基座模型示意图。图2是 桩位布置示意图。图3是 桩与底板“刚性连接”示意图。图4是发电机螺栓点及其与墙“刚性连接”示意图。图5是 燃机两个轴承支承点，下部由刚性杆与基座连接，刚性杆与基座底板“刚性连接”示意图。图6是 “基座-桩-设备”有限元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ANSALDO燃气轮机的基座设计方法，其特征在于：其步骤如下，（1）按照燃气轮机与发电机生产厂家提供基座部尺寸要求，并假定底板、墙厚及部分孔洞中的非设备工艺要求的尺寸，假定桩布置建立基座‑桩体系模型，基座底板、墙用壳单元，桩顶点与底板壳单元刚性连接，底部设置三向弹簧模拟桩土作用；（2）根据各个螺栓点的实际位置以及某些运行荷载的作用位置建立荷载点，荷载点与基座为刚性连接；（3）根据设备生产厂家的荷载说明书，将设备质量、各种运行荷载分工况施加到荷载点；（4）进行模态与谐响应分析，在模态分析结果中查看振型分布是否合理，合理与否的依据即为，是否存在某些会产生共振或者明显不利影响的振型，如有，进行第（1）步调整基座构件尺寸或者桩布置，再次本部计算，直到消除这些不利振型或者减弱这些振型的不利影响，谐响应分析中查看轴承支承点的振幅是否满足设备厂家的要求，若不满足，进行第（1）步的工作，调整基座构件尺寸或者桩布置，再次本部计算，直到满足；（5）在第（4）步完成的方案，进行静力计算，查看桩弹簧竖向与水平内力是否，满足工程桩承载力，若不满足，进行第（1）步，调整基座尺寸或者桩数量、桩布置，进行3到5步的计算，知道满足；（6）第（5）步完成之后，此时的基座刚和构件尺寸与桩布置即为技术可行的方案，在此方案上可进一步进行调整优化，以得到技术可行、经济节省的方案；（7）第（6）步完成的方案即为最终方案，查看基座个构件内力进行强度验算，配置钢筋。...

【技术特征摘要】
1.一种ANSALDO燃气轮机的基座设计方法，其特征在于：其步骤如下，（1）按照燃气轮机与发电机生产厂家提供基座部尺寸要求，并假定底板、墙厚及部分孔洞中的非设备工艺要求的尺寸，假定桩布置建立基座-桩体系模型，基座底板、墙用壳单元，桩顶点与底板壳单元刚性连接，底部设置三向弹簧模拟桩土作用；（2）根据各个螺栓点的实际位置以及某些运行荷载的作用位置建立荷载点，荷载点与基座为刚性连接；（3）根据设备生产厂家的荷载说明书，将设备质量、各种运行荷载分工况施加到荷载点；（4）进行模态与谐响应分析，在模态分析结果中查看振型分布是否合理，合理与否的依据即为，是否存在某些会产生共振或者明显不利影响的振型，如有，进行第（1）步调整基座构...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，
申请(专利权)人：福建永福电力设计股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35