西门子F级燃机基座瞬态动力分析研究.docx

研究与探讨

西门子F级燃机基座瞬态动力分析研究

杨保硫

(福建省电力勘测设计院福建福州350003)

摘要西门子F级燃机基座通常采用桩基，存在造价高、施工工期长等问题。基于ANSYS结构动力分析方法，分析了天然地基条件下燃机基座动力分析方法选用和动力分析模型的建立要点，探讨了荷载步、荷载作用时间对动力分析的影响，为天然地基条件下燃机基座设计提供参考。

关键词燃机基座瞬态动力分析荷载步荷载作用时间

中图分类号：TK413.1文献标识码：A文章编号：1672-9064(2015)06-006-03

加快发展天然气发电产业，可改善环境状况，优化能源结构，提高电网运行的稳定性和灵活性，是我国能源发展战略的重要方向。西门子公司是目前国际3大燃气发电设备生产厂家之一，其F级燃机采用低位布置，具有系统简单、启动方式灵活多样、布置紧凑、汽水管道短、厂房小等优点。西门子燃机动力岛通常由西门子公司设计，其燃机基座的地基形式均采用桩基，存在造价高、施工工期长等问题。近年来，我院完成了多项西门子燃机动力岛设计项目，并结合实际工程需要，开展西门子燃机基座天然地基应用研究，取得了一些成果。本文基于ANSYS结构动力分析方法，分析天然地基条件下燃机基座动力分析方法选用和动力分析模型的建立要点，探讨荷载步、荷载作用时间对动力分析的影响，为天然地基条件下燃机基座设计提供参考。

1动力分析方法

1.1分析方法选用

在燃机基座动力分析上，ANSYS软件有谐响应分析和瞬动力分析2种方法。谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的荷载时的稳态响应，是一种线性分析，无法模拟非线性特性如塑性和接触等。瞬态动力分析是用于计算结构在随时间变化的载荷作用下的响应，可以分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力，可考虑与静态分析相同的结构非线性特性。与桩基不同，天然地基只能受压而不能受拉，即抗拉刚度为零，这种非线性特性更适合于采用瞬态动力分析方法。所以，本文采用瞬态动力分析方法开展燃机基座动力分析。

1.2分析模型建立

基座结构模拟主要采用壳单元(SHELI43)和3D弹性梁单元(BEAM4),机器的质量点采用结构质量单元(MASS21)模拟，通过假定的“刚性”梁单元连接到基础模型。辅助的梁体系设为无质量，密度定义为零；为保证这些单元的刚性，不产生变形和弯曲，定义单元刚度E大幅高于壳单元的混凝土刚度。

采用无质量的刚性梁连接模拟天然地基，与基础网格划分精度相统一，每间隔0.5m设置1根刚性梁单元，一端固结在底板的有限元模型，另一端通过3个方向模拟土体的响

应。水平方向的地基土采用弹簧单元(COMBIN14)模拟，COMBIN14的线性弹性刚度的设置反映了天然地基的抗剪刚度；垂直方向的地基土采用杆单元(LINK10)模拟，杆单元LINK10的刚度反映了天然地基的抗压刚度。通过设置杆单元LINK10实常数，使杆单元只能受压而不能受拉，以真实反映天然地基的受力特点。

基座的ANSYS模型详见图1。Y轴为竖向方向，X轴和Z轴分别沿基座纵向和横向。

Mas21

Mas21单元

发电机区城

刚性连接采用Ream4单元

底板采用

Shell3单元

发电机墙体采用

Shel43单元

气轮机区城

图1基座ANSYS分析模型

1.3主要计算参数

天然地基动力特征参数可由勘察现场试验确定，当无条件进行试验并有经验时可按《动力机器基础设计规范》(GB50040-96)规定确定。本文参考实际工程勘察资料数据，取值详见表1。

表1天然地基刚度系数

参数

取值

抗压刚度系数Cy/(kN/m3)

48000

抗剪刚度系数Cx/(kN/m3)

33600

COMBIN14单元刚度

CxA

LINK180单元刚度

CyA

注：A为底板单个单元所对应的水平面积。

燃气轮机运行时产生的挠力来自机器转动部件由于偏心转动引起的惯性力，挠力值的大小可按厂家提供的数据或按转速及偏心距计算。本文参照厂家资料，取值详见表2。

作者简介：杨保硫，男，高级工程师，从事电力工程土建设计。

万方数据

2015.NO.6.

研究与探讨

转源与环境

iSNN16732-06-272/TK

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表2挠力参数及作用点

轴承点节点号

重量/kN

平衡等级

挠力A/kN

(F=mew2)

厂家提供

WO

4000

12.5

/

/

2.5

W1

4001

260

/

/

52

W2

4002

260

/

/

52

W3

4003

3