調(diào)相機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力特性研究

王慧慧 李天天

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)某換流站調(diào)相機(jī)框架式基礎(chǔ)采用SAP2000計(jì)算軟件進(jìn)行動(dòng)力特性分析，并對(duì)不同梁、柱截面的框架基礎(chǔ)分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，對(duì)調(diào)相機(jī)框架式基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出有益的意見。

關(guān)鍵詞：調(diào)相機(jī)組;框架式基礎(chǔ);穩(wěn)態(tài)分析

1 概述

隨著大容量、遠(yuǎn)距離特高壓交直流輸電技術(shù)的發(fā)展，特高壓直流工程換流站或受端近區(qū)電網(wǎng)開展加裝調(diào)相機(jī)工程應(yīng)運(yùn)而生。近期國(guó)家電網(wǎng)公司已明確部署抓緊開展調(diào)相機(jī)在電網(wǎng)中的應(yīng)用工作，但是目前國(guó)內(nèi)還沒有正式投運(yùn)的調(diào)相機(jī)工程，在調(diào)相機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力特性研究方面還是空白。

調(diào)相機(jī)是換流站的重要設(shè)備之一，調(diào)相機(jī)組是通過(guò)其轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，是精密度很高的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)器，基礎(chǔ)力學(xué)性能的好壞，直接關(guān)系到機(jī)組的動(dòng)力特性和換流站的安全運(yùn)營(yíng)。目前，大型汽輪發(fā)電機(jī)組基本上都采用框架式基礎(chǔ)[1] 。因此，調(diào)相機(jī)基礎(chǔ)也采用框架式基礎(chǔ)。所以，對(duì)調(diào)相機(jī)組框架式基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究具有重要的意義。

本文采用SAP2000有限元分析軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某換流站的1臺(tái)300Mvar的調(diào)相機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了動(dòng)力特性分析計(jì)算。

2 空間框架式基礎(chǔ)的計(jì)算原則

調(diào)相機(jī)組框架式基礎(chǔ)是一個(gè)復(fù)雜的空間多自由度框架體系，通常由梁、板、柱等構(gòu)件組成。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，原有的兩自由度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法己逐漸為空間多自由度的計(jì)算方法取代。為了保證計(jì)算結(jié)果的一致性和正確性，減少因建模對(duì)結(jié)果造成的影響，應(yīng)按照《建筑振動(dòng)工程手冊(cè)》[2] 和《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50040-96）[3] 的規(guī)定，對(duì)空間多自由度汽輪發(fā)電機(jī)組框架基礎(chǔ)的計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的模型應(yīng)設(shè)置足夠多的質(zhì)點(diǎn)，使每一桿單元的基頻都不低于工作轉(zhuǎn)速的1.4倍，以保證該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)基礎(chǔ)的所有振型都能參與疊加;其中縱橫梁交點(diǎn)、梁柱交點(diǎn)以及擾力作用點(diǎn)必須設(shè)置質(zhì)點(diǎn)。

3 工程實(shí)例

3.1 實(shí)例概況

國(guó)內(nèi)某換流站調(diào)相機(jī)框架式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂板標(biāo)高7.500 m，長(zhǎng)16.620m，寬7.450m，板厚2.5 m，柱2列，每列兩根，縱向柱距分別為11.62m，橫向柱距5.15m，柱截面1.0m×1.3m，混凝土C30。機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見表l。調(diào)相機(jī)定子、轉(zhuǎn)子及冷凝器負(fù)荷大小及分布分別見表2和圖1。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的振型和周期（頻率），這些自振振型對(duì)了解結(jié)構(gòu)內(nèi)在特性很有幫助。前30個(gè)主振型的自振頻率和周期見表3。

3.3 動(dòng)力計(jì)算的穩(wěn)態(tài)分析

結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)諧荷載作用下，其振動(dòng)由兩部分組成：一是按荷載頻率（機(jī)器頻率）的振動(dòng)，即穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng);二是按自振頻率的振動(dòng)，即伴生的自由振動(dòng)，伴生的自由振動(dòng)由于存在阻尼，在短時(shí)間內(nèi)即行消失。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)分析，計(jì)算出振動(dòng)速度和振動(dòng)線位移，按《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。3.4 計(jì)算結(jié)果分析

在框架式動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中存在兩種意見，—種認(rèn)為柱子應(yīng)剛—些，即將柱截面加大，使自振頻率超過(guò)機(jī)器轉(zhuǎn)速，即為高頻基礎(chǔ);—種認(rèn)為應(yīng)柔一些，而采用細(xì)柱，使自振頻率低于機(jī)器的工作轉(zhuǎn)速，即為低頻基礎(chǔ)。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為低頻基礎(chǔ)。但基礎(chǔ)構(gòu)件截面尺寸的變化對(duì)基礎(chǔ)動(dòng)力特性有何影響，仍需在計(jì)算中加以分析。因此，在對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算的過(guò)程中，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行了多方案的比較，計(jì)算結(jié)果見表4。

由上表中計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律當(dāng)基礎(chǔ)頂板質(zhì)量不變時(shí)，隨著柱截面由900×1200mm逐步增大到1100X1400mm，即柱剛度逐漸增大時(shí)，各質(zhì)量點(diǎn)的垂直振幅值逐漸也增大，由此證明在旋轉(zhuǎn)式機(jī)器框架式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中柱子的剛度越小則質(zhì)量點(diǎn)的垂直振幅越小，越有利于基礎(chǔ)的振動(dòng)設(shè)計(jì)，因此在《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50040--96）中要求柱子布置時(shí)在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定的前提下宜適當(dāng)減小剛度，即柱應(yīng)以柔為件。當(dāng)柱截面不變時(shí)，若改變梁的高度，即改變質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，則各點(diǎn)垂直振幅也會(huì)發(fā)生變化，計(jì)算結(jié)果見表5所示。

由上表可看出當(dāng)柱截面不變時(shí)，減小梁的截面高度也即減小各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，則各質(zhì)點(diǎn)的垂直振幅值隨著梁截面的減小而增大，這也就說(shuō)明增大質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，有利于減小基礎(chǔ)的振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）框架式基礎(chǔ)的低階頻率都處于汽輪發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)升速區(qū)內(nèi)或工作區(qū)附近（因?yàn)闄C(jī)組的工作頻率為50HZ），因此，在機(jī)組的啟動(dòng)升速過(guò)程中都可能會(huì)經(jīng)過(guò)一些振動(dòng)量較大的共振區(qū)，所以要想使基礎(chǔ)所有的自振頻率均至少與機(jī)器的工作轉(zhuǎn)速避開20%是不可能的，由此也說(shuō)明采用振幅法，通過(guò)控制基礎(chǔ)的振幅在一定的許可范圍之內(nèi)柬作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是要優(yōu)于共振法的。

（3）當(dāng)基礎(chǔ)橫梁尺寸不變時(shí)，改變柱截面尺寸（即改變柱的剛度），各質(zhì)點(diǎn)的垂直振幅將發(fā)生變化，隨著柱剛度的增大，各質(zhì)點(diǎn)垂直振幅也增大，這說(shuō)明在滿足承載力、穩(wěn)定性等的前提下，汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的框架式基礎(chǔ)的柱子應(yīng)以柔為佳。

（3）當(dāng)柱截面不變時(shí)，改變橫梁斷面，也即增大質(zhì)點(diǎn)的重量，各質(zhì)點(diǎn)的垂直振幅減小，這說(shuō)明，增加質(zhì)點(diǎn)重量有利于減小質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)。這一結(jié)論可應(yīng)用于調(diào)相組基礎(chǔ)的改造和加固中，可通過(guò)調(diào)整質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量來(lái)滿足基礎(chǔ)的動(dòng)力要求。同時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)改變質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量對(duì)頻率的影響極大，而對(duì)振幅的影響則相對(duì)較小。而質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量條件限制及現(xiàn)場(chǎng)的情況變化均會(huì)產(chǎn)生誤差，這樣算出的頻率則很難精確，而其對(duì)振幅影響較小，則相對(duì)控制振幅更接近工程實(shí)際。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅德慶等.大型汽輪發(fā)電機(jī)組框架式基礎(chǔ)的動(dòng)力特性研究[J].動(dòng)力工程，2001.21（1）.

[2] 徐健主編.建筑振動(dòng)工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[3] 第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究總院編.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50040—96[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

（作者單位：山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆?/p>