低频比汽轮机基础振动固有频率计算及减振措施

第３４卷２０１６年第６期（总第１８６期）　技术改造与改进　・技术改造与改进・　低频比汽轮机基础振动固有频率计算及减振措施　苏利陈舵张淑明张军　（鞍钢集团工程技术有限公司　鞍山　１　１４０２１）　【摘要】　以某热０ｚ．￣Ａ轮发电机基础为例，通过计算基础振动固有频率，在设计阶段避开扰力频率使基　础不发生共振或不发生大的共振以达到机组安全的目的。　【关键词】　汽轮机基础　固有频率共振减振　Ｉｎｈｅｒｅｎｔ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｌｏｗ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｒａｔｉｏ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ＳＵ　Ｌｉ，ＣＨＥＮ－Ｄｕｏ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕ－ｍｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ　（Ａｎｓｔｅｅｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ａｎｓｈａｎ　１１４０２１）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｕｒｂｏｎａｔｏｒ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｖｏｉｄｉｎｇ　ａｎｙ　ｏｒ　ｓｍａｌｌ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｈｅｒｅｎｔ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｆｏｕｎ－　ｄａｔｉｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｕｎｉｔ　ｓａｆｅ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｔｕｒｂｉｎｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　１　引言　汽轮机基础一般不可能设计成大块式或箱　式，因为汽轮机下面应有较大空间以容纳冷凝　器、空气冷却器和管道等。只能由顶板、支柱和　底板组成框架式基础，且刚度要比块式、箱式基　础小，其振动固有频率也相对较低，应低于机器　工作转速，即扰力频率。　近些年来，在机器荷重和支柱高度日趋加大的　情况下，基础自振固有频率更低，有的甚至前三阶　自振频率均低于扰力频率，这就给设计工作带来很　大困难。如何使基础自振频率（　）与汽轮机工作　中产生的扰力频率（Ｂ）之差（尘　或丛　）×１００％　大于２０％，即如何在设计阶段避开共振，这就是本　文的讨论重点。　２基础的设计计算过程　图１和图２是某热电站汽轮发电机基础的荷载分　布图和平面布置图。其他数据为：汽轮机转子质量　６７００ｋｇ、发电机转子质量８６００ｋｇ、机器质量１０４　８８０ｋｇ、　额定转速３０００ｆｆｍｉｎ、临界转速１４７０ｒ／ｍｉｎ。　（１）经验公式估算：汽轮机基础结构很复杂，　一３０一　过去汽轮机基础的动力计算一般是靠经验公式，　把动力问题转化为静力问题，用某一榀框架的振　动频率来代表整个基础的振动频率。具体依据　是：汽轮机主要由横向框架受力，因而也最容易　引起振动。对竖向振动而言，各横向框架问通过　纵梁连接仅是一种松动连接。所以传统经验公　式中以一横向框架振动固有频率来代替整体振　动固有频率。　Ⅳ＝３００／．￣．＋６ｂ＋　＋　ｄ　式中：Ⅳ——基础自振固有频率；　６　——在集中荷载作用下横梁中央挠度；　——在均布荷载ｑｌ作用下横梁中央挠度；　６　——由剪力引起横梁中央下沉量；　６　——由法向力引起支柱压缩量。　在本例中取一榀框架来计算，计算简图见图　３。计算结果为Ｎ＝２４０２ｄｍｉｎ。　离开共振区：（３０００—２４０２）／３０００＝１　９．９％　２０％　计算结果表明：这是一个低频比基础，基础　固有频率与汽轮机工作转速相差大约为２０％，基　本上离开了共振区。　栏目编辑：

王先强　技术改造与改进　观８ｓ、１　ｅ０８　０８似　曾８曾８　ｅ００５　电Ｇ８雷８雪８Ｇ电雷８曾８ｓ８　０曾８Ｇｅ　

ｌ　Ｉ　ｌ　Ｉ　ｌ　ｃ　十一　ｌ　Ｌ一一．』　Ｌ—一￡　～　景［　ｌ　ｊｒ＿　■－■－■■■■●Ｉ●■■■■■●●●＿　１ｌ＝　／－－。一ｌ　”　［　４　Ｐ５　上　上　－——－・－－　－－－　－－Ｉ　Ｔ　Ｔ　Ｔ　。　Ｉ　汽轮发电机中心线　十一　ｊ［！　！Ｌ．一Ｊ＝　景［　一　。　。一。＿＿ｔｆｒ－。一ｔ　Ｉ１　一　ｌ　５８４０　１　３３００　ｌ５５０　图２汽轮发电机平面布置　（２）用有限元法进行整体计算：随着计算机技　术的发展，有限元法得到了充分的利用。在振动　领域，一些大、异型的设备基础的振动计算问题也　就迎刃而解。　本次计算采用更为接近基础原型的力学模型　进行整体振动分析。根据需要计算出三阶自振频　率。力学模型见图４。　计算结果为：Ｎ　＝１６２０ｒ／ｍｉｎ，　Ｎ２＝１７６２ｒ／ｍｉｎ，　Ｎ　：２８３２ｒ／ｍｉｎ。　第３４卷２０１６年第６期（总第１８６期）　

Ｐ３＝　发　电　机　中　心　线　

离开共振区，一阶：（３０００—１６２０）／３０００＝４６％＞　２０％．　二阶：（３０００—１７６２）／３０００＝４１．３％＞　２０％，　三阶：（３０００—２８３２）／３０００＝５．６％＜　２０％。　基础一、二阶自振频率均离开了共振区，可以　认为该基础基本上避开了共振。　（３）虽然整体自振避开了共振区，局部构件的　自振仍落在共振区内，须采取相应的减振措施。　Ｑ，＝１３６．５ｋＮ　６．４５ｋＮ　纠　ｌ　Ｉｌ　ｇ：５３ｋＮ／　口哥　Ｊ８２０ｌ　一　２—２　Ｉ　Ｉ　Ｉ　口虱　虹　ｌ—ｌ　■　●　３９００　图３第１框架结构及荷载　一３１一　．．．▲－●一　牛＝＝　

布　分　发电机前轴承中心线　载　一｛ｆ倒　

图　第３４卷２０１６年第６期（总第１８６期）　技术改造与改进　

图４力学模型　３减振措施　（１）振动体系或振动频率的改变，可以通过振　动质量的改变或弹性支座（支撑构件的刚度）的改　变达到。设置附加质量时，可将基础的固有频率　减小一些。为了能消除共振，设计时应考虑预留　以后填充附加质量用的空间（孔、洞、沟、槽等）；或　在一定情况下为悬挂重物而预设伸出的构件。这　些附加质量应同基础刚性连接。如为弹性连接，　则它可能独自地振动而不起减振作用。　另一种消除共振的措施是提高基础刚度，从　而提高基础的固有频率。因此，设计时应预先留　有孔洞以埋入附加锚固件，或在灌注混凝土时埋　设支柱的连接钢筋，以便以后可以在支柱下部周　边做一层坚固的钢筋混凝土外壳。　尽量有一定差值。汽轮机轴的临界转速是指轴的　弯曲振动固有频率而言。如果轴的临界转速低于　工作转速，则在机器启动和停车时，机器转速一定　会通过临界转速使机器与基础发生瞬时共振，这　时随着离心力传至基础可使轴的振幅增大。汽轮　机轴的临界转速是假定支承为刚性计算得出的，　而框架式基础的固有频率是在忽略机器轴的弹性　影响下得出的。因此，轴的临界转速与基础固有　频率两者存在计算上的偏差。当这两种计算的固　有频率相互一致时，实际上存在两个固有频率，其　中一个高于计算值，另一个低于计算值但很接近，　这就使得在进行启动或停车时，机器还没有从一　个共振状态安定下来，却又进入下一个共振区，以　致和差距较大的两个共振区相比，振幅增大程度　就大些。因此，应尽量拉大两者之差。　（３）布置合理，构造简单，受力明确。框架式　基础四周应与邻近建筑物脱开，并应留有变形缝，　变形缝宽度一般为３０—５０ｍｍ，在地震区，则应按抗　震的有关规定设置抗震缝。　基础梁、柱布置应尽可能地对称于机器的主　轴（纵轴），荷载应尽量布置在构件的中心线上，以　避免或减小构件所受扭力。　４结束语　此基础建成设备投产后，整体运行效果良好，　各项指标均符合正常运行规定的范围。从本文分　析可知，设计汽轮机基础使之避开共振要从两方　面着手：①通过计算使基础自振频率避开汽轮机　扰力频率。②基础预留有孔洞等，在基础建成后　能改变整体或局部自振频率以避免共振。　（２）汽轮机基础的固有频率与轴的临界转速　（２０１６—０６—０２收稿）　、　、　、　Ｉ、　＿＇、　；　ｇ　，＾、　ｓ　≈ｇ　［上接第２９页］　方式的变化。　（４）操作方便，记录完整。装置全部实现了对　零序电流的实时采集　线路发生接地故障时，从保　护装置面板上可以查看相应数据，非常直观，接地　故障选线后还有故障录波功能，有利于对线路接　地故障的判断。　５改造效果　经过改造后，新型的小电流接地选线装置运　一３２一　行正常，提高了变电站的自动化水平，缩短了供电　系统带单相接地运行的时间。线路故障时，小电　流接地选线装置能及时准确地筛选出故障线路，　减少了运行人员判断和处理故障线路的时间，为　故障处理提供了准确依据。同时也避免了故障扩　大和误操作，为供电系统稳定运行提供了保障。　（２０１６—１０—１２收稿）