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1、STAAD软件 在某燃气汽机基座中的应用,肖 鹏 华东电力设计院 邵晓岩 青岛科尔泰环境控制技术有限公司 周建章 华东电力设计院,工程概况介绍： 某发电厂285MW的燃气机组为燃气/蒸汽联合循环机，其主要设备分别为：燃气轮机（额定工作转速：5051rpm）、发电机（额定工作转速：3000rpm）、压缩机（额定工作转速：6461rpm）等。 基础属于大块式基础，混凝土大底板厚2.9m，基础具体尺寸详见图1图2。,图1 基础平面图,图2 基础纵剖面图,由于基础长30m以上，底面积近260m2，地基采用天然地基，为此，地基的刚度将直接影响到基础的动力特性，进行基础动力计算时必须考虑地基对上部结构的影
2、响。 根据基础的特点及机组的特性，我们决定采用STAAD/PRO通用计算软件进行基础的动力计算。,正确选择模型的结构类型能够有效减少求解数量，从而加快运算速度，节省时间和空间，最重要的是能够准确地解决工程的实际问题，直接关系到基础数值模型的合理性和分析结果的准确性。对于汽机机组，其运行过程实际上是基础与上部设备（汽轮机、发电机等）耦合运动，但由于设备自身刚度的不可预估性和设备与基础之间连接作用的复杂性，使得在（续）,诸多方面都存在不确定因素。基于以往工程的分析经验，我们认为可以忽略设备的形体、刚度、转动惯量等，但质量仍需按照设备荷载的布置作用在基础上。同时根据本基础的特点，可采用块体、板壳、杆
3、件、弹簧单元对基础进行联合模拟，以力求更真实、准确和直观地反映基础自身的力学行为。,图4 基础模型外形图,图5 设备作用在基础之上的静荷载,扰力荷载通过刚性杆传给基础，这样做可以避免加载点偏心所引起的一系列问题。我们采用STAAD软件中提供的 “Master/Slave”功能来实现此目标。 该功能可以模拟结构中特殊的连接（如位移绑定、刚性连接），适用于线性静力和动力反应分析。但块体单元不能直接连接到从节点上，因此从节点尚需要通过刚性板过渡实现。,图6 刚性杆和主从节点 STAAD软件中命令： SLAVE MX MY MZ MASTER 1856 JOINT 10932 SLAVE MX MY
4、MZ MASTER 1859 JOINT 10931 SLAVE MX MY MZ MASTER 1928 JOINT 10934 ,刚性杆承担传递扰力荷载的作用，刚度无穷大，密度无穷小，截面面积和惯性矩无穷大，在软件中以下命令实现： ISOTROPIC RIGID E 3e+008 POISSON 0.2 DENSITY 0.0001 ALPHA 1e-005 DAMP 0.05 PRIS AX 1000 AY 833 AZ 833 IX 1000 IY 1000 IZ 1000,刚性杆通过刚性板与实体单元进行过渡连接。,图7 刚性杆与刚性板连接,刚性板将杆传来的扰力荷载传递到实体单元上，刚
5、度无穷大，密度无穷小，板厚为一小值，在软件中以下命令实现： ISOTROPIC RIGIDPLATE E 3e+010 POISSON 0.2 DENSITY 0.0001 ALPHA 1e-005 DAMP 0.05 ELEMENT PROPERTY 3301 TO 3396 THICKNESS 0.01,同样，设备荷载的施加也是通过板单元再过度到实体单元上。这部分板单元的特性同样也是刚度无穷大，质量无穷小。 通过这样的方法，最终所有的荷载都可以顺利地传递到实体单元上，而且从受力角度来说，消除了应力突变，保证计算的合理和有效性。,整个动力计算是以制造厂的设计要求为基础的，并结合了我国动力机器
6、基础设计规范进行的。 本基础设备的不平衡等级在动力计算中定义为5.0，即： 则作用于基础振动的扰力值为： WL：机器转子重量(KN)； Nm：机器转速(Hz)。,图8 扰力大小及位置分布图,将设备质量转换为三个方向的荷载施加在相应的单元上。 本工程采用单工况多编号对荷载进行分类。 LOAD 1 LOADTYPE Dead TITLE DL SELFWEIGHT X 1 JOINT LOAD 10941 10942 FX 62.25 FY 62.25 FZ 62.25 ,ELEMENT LOAD _LA1 PR GX 907.284 _LA1 PR GY 907.284 _LA1 PR GZ 9
7、07.284 . _LOAD1 PR GX 307.785 _LOAD1 PR GY 307.785 _LOAD1 PR GZ 307.785 ,图9 三个方向质量分布图及荷载列表,在扰力作用点施加强迫振动的激励荷载。在STAAD软件中可以采用“Time Load”命令实现。 此激励荷载的幅值即为扰力的大小： TIME LOAD 10941 10942 FY 1 1 9.960000 ,对于该基础，由于板厚与基础的长度之比约1/10，并且地基是天然地基，因此地基的刚度将直接影响到基础的振动，所以在计算中必须要考虑这点，不能把地基视为固结的刚体，而应该作为弹性地基来对待。,STAAD软件有一大优
8、点，就是可以将标准地基和基础底板转换成弹簧支座的模拟。我们在此以地质勘测资料为基础，按照动力机器基础设计规范中有关地基刚度的计算公式进行计算，使之转换为弹簧支座的刚度输入到数据文件中，实现地基基础的联合计算。,根据地基勘测资料，基础下面是不同性质的粉质粘土，地基承载力标准值(地基地耐力特征值)为110KPa，利用数值差分得到地基的抗压刚度系数Czi，按照动力机器基础设计规范中的分层抗压刚度系数计算公式：,式中: Czi：第i层土的抗压刚度系数(KN/m3) hi：从基础底至i层土底面的深度(m) hi-1：从基础底至i-1层土底面的深度(m) hd：影响深度(m),通过计算得到：抗压刚度系数
9、Cz=48362 KN/m3， 抗剪刚度系数： Cx=0.7Cz=33854KN/m3。 另外由于基础埋置深度达到2.6m，所以计算中还考虑了土的侧压力刚度约为80KN。通过试算可知基础的振动响应与地基刚度紧密相连，地基刚度越小振动响应越大。,图10 地基弹簧支座模拟示意图(弹簧支座-基础下部的黑色单元),软件命令： SUPPORTS 101 TO 1710 PLATE MAT DIRECT ALL SUBGRADE 33854 48362 33854 _SIDEFX ELASTIC MAT DIRECT XONLY SUBGRADE 80 ,自振特性（自振频率）的计算结果: 阶数 频率(Hz
10、) 阶数 频率(Hz) 1 4.845 2 4.871 3 4.905 4 4.913 5 7.554 6 9.064 7 9.267 8 9.948 9 11.449 10 11.797 从表中看到，由于属于大块式基础，整体刚度明显比框架式基础高许多，第1阶的自振频率为4.845 Hz。,图11 第1阶 水平振动和沿纵向(Y轴)回转耦合,图12 第2阶 扭转,图13 第3阶 水平振动和沿横向(X轴)回转耦合,图14 第7阶 竖向平动,从振型图上看，前几阶主要是水平向移动和绕水平X或Y轴回转的耦合振型、以及扭转等振型，到第7阶是竖向的第1阶振型。由于是大块式基础，所以没有类似框架式基础那样的局
11、部振动现象。,动力响应的计算结果:,图15 轴承座所对应的基础顶面上的计算节点,图16 基础顶面的主要计算节点输出编号,按照动力机器基础设计规范5.1.4中规定当电机基础采用大块式基础时，动力计算按第4章块式基础进行计算，结合制造厂的标准，扰力作用方向有水平X向、垂直Z向，所以计算结果有X、Z向分别作用下的2种结果。,制造厂对基础设计的动力响应标准是以速度均方值(r.m.s)来衡量的，其标准见下表： 用设计标准衡量，全部测点均落在“良好” 范围内。,通过对该燃气轮发电机基础的动力计算，得到以下结论： 1）该燃气轮发电机基础属于大块式基础，所以在计算中必须采用块式单元，并且需要与地基刚度进行联合计算，才能真正实际地反映出基础的振动状况。 2）自振特性的计算结果表明第1阶自振频率为4.845Hz，振型主要为水平向与摇摆或扭转耦合。,3）动力响应计算结果表明在基础顶面的最大振动速度均方根值为：X向0.47mm/s；Y向0.26mm/s；Z向0.51mm/s，满足制造厂对基础设计的动力响应要求。 4）地基刚度对基础动力响应有很大的影响，加强地基刚度、对地基进行相应处理尤为重要。,5）选取合适的软件以及计算模型、参数、连接对于正确反应基础的实际动力响应同样相当重要。 另外我们通过其他的有限元计算软件进行比较，可以看到本次的计算是合理并且是成功的。,谢 谢！,