CC BY
565
УДК 624.159.11
ЛАВЕЛИН В. Е. ЯМОВ В. И.
Активная виброизоляция фундаментов турбоагрегатов
В работе проведен обзор существующих конструкций фундаментов турбоагрегатов, дана характеристика низконастроенных и высоконастроенных фундаментов. Рассмотрен метод борьбы с повышенной вибрацией путем использования активной виброизоляции в виде стальных пружинных элементов.
Ключевые слова: фундаменты турбоагрегатов, активная виброизоляция, вынужденные колебания, динамическая устойчивость.
LAVELIN V. E, YAMOV V. I.
ACTIVE VIBROISOLATION OF TURBOGENERATOR FOUNDATIONS
Survey of existing turbogenerator foundation structures carried out, characteristic of low-tuned and high-tuned foundations is described. The method of active vibroisolation by means of steel spring elements is considered as a way to overcome high vibration.
Keywords: turbogenerator foundations, active vibroisolation, forced oscillation, dynamic stiffness.
Лавелин Виталий Евгеньевич
аспирант кафедры Строительного производства и экспертизы недвижимости УрФУ
e-mail:
Ямов
Владимир
Иванович
кандидат технических наук, профессор кафедры Строительного производства и экспертизы недвижимости УрФУ
e-mail:
Для исправной работы машин с динамическими нагрузками периодического действия, таких как турбоагрегаты, требуется устройство фундаментов, отвечающих требованиям не только прочности, но безопасной и безотказной эксплуатации машины. В качестве таких фундаментов, как правило, используются массивные или рамные фундаменты.
Вопросы проектирования фундаментов турбоагрегатов и динамического расчета пространственных рамных конструкций рассматривались в работах Г. Г. Аграновского, Е. Г. Бабского, О. А. Савинова, Б. В. Цейтлина, И. С. Шейнина и др. [2-4, 6, 7].
Расчеты фундаментов турбоагрегатов основаны на использовании методов расчетов фундаментных плит на податливом основании, в качестве модели которого обычно использовалось линейно-деформируемое полупространство или слой. Большой вклад в развитие этих методов внесли В. З. Власов, Н. М. Герсева-нов, М. И. Горбунов-Посадов, Б. Н. Жемочкин, С. Н. Клепиков, В. А. Флорин, О. Я. Шехтер и др.
Вопросами борьбы с вибрацией занимались О. А. Савинов, Б. В. Цейтлин, И. С. Шейнин и др. В основу проектирования активной виброизоляции закладывался подбор коэффициентов жесткости и проверка прочности конструкции виброизоляторов с последующей окончательной проверкой фундамента на колебания [6].
Предметом исследования данной статьи являются виброизолированные фундаменты турбоагрегатов. Целью исследования являет-
ся изучение технической целесообразности применения активной виброизоляции в виде стальных пружинных элементов.
Фундаменты рамного типа представляют собой ряд поперечных П-образных рам, заделанных в нижнюю плиту и объединенных по верху продольными балками. Такой тип фундаментов применяется для паровых турбин, требующих пространства под турбоагрегатом для размещения конденсатора. Массивные фундаменты в виде плоской или таврообразной плиты применяются для газотурбинных установок, где весь агрегат располагается на единой раме.
Основной проблемой при расчетах системы «турбоагрегат — фундамент — основание» (ТФО) является, как правило, обеспечение динамической устойчивости, т. е. предотвращение сверхнормативных вибраций. Оценить явление вибрации количественно можно при помощи контроля амплитуд колебаний фундамента в характерных точках. Такими точками могут являться опорные узлы подшипников турбины и генератора, места крепления рамы турбоагрегата к фундаменту. Колебания рассматриваемого типа машин бывают вызваны одновременным действием нескольких возмущающих сил разной частоты и носят полигармонический характер.
Согласно данным обследования рамных фундаментов под турбоагрегаты, проведенного в 1960-е гг., не обнаружено примеров возникновения недопустимых вибраций, которые были бы вызваны дефектами основных несущих конструкций фундамента и привели бы
Иллюстрация 1: а — рамный фундамент; б — массивный фундамент на виброизоляторах. Автор В. Е. Лавелин
Иллюстрация 2. Явление механического резонанса в системе ТФО. Данная иллюстрация была доработана по сравнению с источником (Википедия) для описания дорезонансной и зарезонансных зон. Автор В. Е. Лавелин
к необходимости его коренного переустройства. Однако с ростом мощности используемого оборудования до 200 и 300 МВт повышенные вибрации рамных фундаментов возникали неоднократно [6, 138-139].
Повышенные вибрации могут быть связаны с явлением резонанса в системе ТФО, когда собственные частоты фундамента совпадают с частотой вынужденных колебаний фундамента. Особенно сильно это проявляется при совпадении низших частот с частотой возмущаю-
щей силы. Поскольку затухание колебаний низших частот происходит медленно, то амплитуда может оказаться значительной. Когда мы говорим о турбоагрегатах, то имеем дело с высокочастотными колебаниями, происходящими в диапазоне порядка 25-50 Гц и более.
С точки зрения работы системы ТФО, различают два типа фундаментов — низконастроенные и высоконастроенные. Низконастроенными называются фундаменты с основной частотой собственных колебаний,
лежащей ниже рабочего числа оборотов турбоагрегата. В высоконастроенных фундаментах основная частота собственных колебаний превышает число оборотов турбогенератора.
Низконастроенный рамный фундамент воспринимает усилия от машины и, благодаря своей упругости, гасит существенную долю энергии колебаний, передавая лишь ее остаток массивной нижней фундаментной плите, которая окончательно гасит колебания. Чересчур гибкие фунда-
менты могут вызывать значительные амплитуды колебаний даже в дорезонансной зоне.
Высоконастроенные фундаменты широко применялись в прошлом, когда необходимо было обеспечить жесткость фундамента и избежать попадания основной собственной частоты в резонанс. Это обеспечивалось путем устройства стеновой системы вместо стоек. Конструкция получалась жесткой в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что обеспечивало высокие собственные частоты первого тона колебаний. Такие фундаменты получались очень материалоемкими и имели весьма скромные возможности с точки зрения компоновки технологического оборудования и трубопроводов.
Следует отметить, что сказанное характеризует условия динамической работы фундамента лишь в вертикальном направлении, в горизонтальном — практически все рамные фундаменты низконастроены [1, 27].
Для мощных машин (более 300 МВт) в настоящий момент бывает очень сложно обеспечить зарезонансную работу путем устройства высоконастроенного фундамента ввиду ограниченного пространства для размещения фундамента внутри машинных залов электростанций. Поэтому низконастроенные фундаменты с достаточно гибкими колоннами оказываются целесообразными. Однако в данном случае отстройка первого тона свободных колебаний от рабочей частоты оказывается недостаточной. Необходимо определять частоты более высоких тонов, чтобы быть уверенным, что они не находятся вблизи частоты возмущающей силы. Однако даже при тщательном конструировании и составлении расчетной схемы бывают ситуации, когда одна из частотных зон собственных колебаний фундамента попадает в резонанс с оборотной частотой машины. В таком случае необходимо предусматривать мероприятия по противодействию сверхнормативной вибрации.
Одним из таких мероприятий является активная виброизоляция — применение виброизолирующих устройств в виде прокладок из резины и специальных виброизоляционных материалов, а также применение стальных пружин и демпферов. В расчетах на колебания фундамент можно рассматривать как систему, состоящую из двух твердых тел, соединенных между собой упругой связью с заданной жесткостью.
За последние 20 лет применение активной виброизоляции стало очень популярным во многих областях промышленности, в том числе и при устройстве турбоагрегатов на теплоэлектростанциях. Разнообразие производителей данной продукции говорит об экономической эффективности этого решения.
Виброизолированные фундаменты были применены при строительстве Ленинградской АЭС-2 под турбоагрегат мощностью 1200 МВт (начало строительства — 2007, планируемый ввод в эксплуатацию — 2015), Тяньваньской АЭС в Китае под турбоагрегат мощностью 1000 МВт (ввод в эксплуатацию — 2006), Новгородской ТЭЦ под турбоагрегат мощностью 210 МВт (ввод в эксплуатацию — 2012). Данные примеры являются наиболее свежими доступными иллюстрациями возможности применения активной виброизоляции в виде стальных пружинных элементов даже для агрегатов большой мощности на АЭС.
При расстановке пружинных виброизоляторов необходимо руководствоваться следующим правилом: общий центр жесткости всех виброизолирующих устройств должен находиться на одной вертикальной оси с центром тяжести изолируемой системы. Равномерно распределяя статическую нагрузку от системы на изоляторы, можно гарантировать примерно одинаковую степень сжатия всех пружин, что позволит исключить появление кренов
Л
Л
Иллюстрация 3. Пружинная виброопора производства фирмы GERB, Германия. Фото В. Е. Лавелина
1
/
4
Иллюстрация 4. Конструкция фундамента с виброизоляторами: 1 — машина; 2 — верхняя рама (плита); 3 — виброизоляторы; 4 — нижняя плита. Авторы: В. Е. Лавелин, В. И. Ямов
в системе. Следует иметь в виду, что чем дальше расположены виброизоляторы от центра тяжести системы, тем выше будет частота собственных колебаний, и, наоборот, снизить частоту собственных колебаний можно путем уменьшения расстояния от виброизоляторов до центра тяжести установки.
Пружинная виброопора конструктивно представляет собой несколько стальных цилиндрических пружин, установленных между двумя сварными металлическими корпусами. Несущая способность виброизоляторов варьируется от нескольких ньютонов до 1300 кН. При этом собственная частота в вертикальном направлении (как правило, оно является определяющим) изменяется от 1,2 до 6 Гц. Выбор конкретного типа виброизолятора определяется массой устанавливаемого оборудования, требованиями по деформациям и необходимыми значениями собственных частот для непревышения амплитуд колебаний.
Установка виброизоляторов непосредственно под станиной машины производится лишь в редких случаях. Обычно машина размещается на промежуточной конструкции (опорной стальной раме или бетонном постаменте), к которой жестко крепится при помощи анкерных болтов. Эта конструкция опирается на виброизоляторы.
Стальные опорные рамы следует применять, когда масса машины достаточна, т. е. удовлетворяет требованиям расчета на колебания, но жесткость ее корпуса мала или машина состоит из нескольких частей, не связанных общей станиной.
Бетонные постаменты применяются при необходимости увеличения массы или моментов инерции изолируемой системы, а также когда в теле верхней части фун-
дамента нужно разместить каналы или приямки для установки вспомогательного оборудования или для обслуживания машины [6, 180].
Применение виброизолирующих устройств со стальными пружинами, в первую очередь, позволяет исключить из динамического анализа часть системы, находящуюся под виброизоляторами, — нижнюю плиту с основанием. Как известно, демпфирующие свойства основания при динамическом анализе зависят от коэффициентов жесткости и при отсутствии экспериментальных данных определяются по эмпирическим формулам в зависимости от модуля деформации грунта, усредненного по глубине сжимаемой толщи, что является приближенным методом оценки свойств основания. Кроме того, в случае наличия в основании фундамента рыхлых или мелких и пылеватых водонасы-щенных песков, а также текучих и те-кучепластичных глинистых грунтов применение виброизоляции обязательно. Поэтому тот факт, что на нижнюю фундаментную плиту, а значит, и на основание, будет передаваться лишь статическая нагрузка от веса вышележащей части системы, позволит получить гарантированно более надежную конструкцию фундамента.
Возможность регулирования высотного положения виброизоляторов уже после установки машины на фундамент бывает необходима в случае неравномерных осадок основания. При помощи домкратов и набора стальных пластин толщиной от 0,1 до 10 мм можно изменить высотное положение каждого отдельно взятого виброизолятора.
Применение виброизоляторов также обосновано при установке турбоагрегатов большей мощности на существующие фундаменты, поскольку запас по прочности конструкции фундамента велик, а уменьшение амплитуды колебаний достигается путем применения активной виброизоляции.
Срок службы пружинных виброизоляторов значительно превышает срок службы установленного на них оборудования в случае соответствующей защиты от коррозии.
Заключение
В результате краткого обзора конструкций фундаментов турбоагрегатов и рассмотрения активной виброизоляции при помощи стальных пружинных изолирующих устройств можно выделить следующие области применения вышеуказанного вида активной виброизоляции при устройстве фундаментов турбоагрегатов:
♦ при реконструкции существующих фундаментов и сохранении нижней части фундамента;
♦ при наличии в основании рыхлых или мелких и пылеватых водона-сыщенных песков, а также текучих и текучепластичных глинистых грунтов;
♦ при установке турбоагрегата на общую фундаментную плиту машинного зала станции;
♦ при невозможности отстройки собственных частот от резонанса конструктивными мероприятиями;
♦ при установке на существующий фундамент турбоагрегатов большей мощности.
Применение виброизоляторов дает большую гибкость при принятии решений о конструкции фундамента турбоагрегата, обеспечивает необходимый режим работы, отвечающий требованиям безопасной эксплуатации. Данное решение позволяет регулировать высотное положение оборудования путем установки дополнительных стальных пластин в случае неравномерных осадок основания.
Можно отметить, что активная виброизоляция порой является единственным возможным решением по устройству фундаментов турбоагрегатов и требует дальнейшего изучения с целью более эффективного ее применения.
Список использованной литературы
1 Абашидзе А. И., Сапожников Ф. В., Казанджян А. Т. Фундаменты машин тепловых электростанций. М., 1975.
2 Абросимов Н. А., Аграновский Г. Г., Бабский Е. Г. и др. Динамические характеристики фундамента под турбоагрегат мощностью 1000 МВт на 3000 об/мин, определенные теоретически и в натурных условиях // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева : сб. науч. трудов. 1990. Т. 218. С. 22-25.
3 Абросимов Н. А., Крылов А. В., Светушков В. В. Натурные наблюдения за вибрационным состоянием фундамента турбоагрегата мощностью 1200 МВт // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. 2008. Т. 251. С. 77-82.
4 Бабский Е. Г. Динамические исследования рамных фундаментов под турбоагрегаты // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1973. Вып. 1. С. 8-11.
5 Пермякова В. В., Лебедева Н. А., Пожиткова О. А. и др. Статические
и динамические испытания нена-груженного фундамента турбоагрегата Т-130/160-12,8+ТЗФП-160-2ПГУ-220 // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. 2004. Т. 244. С. 151-158.
6 Савинов О. А. Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет. 2-е изд., перераб. и доп. Л., 1979.
7 Цейтлин Б. В. Динамический расчет фундаментов мощных турбоагрегатов // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева : сб. науч. трудов. 1978. Т. 127. С. 70-79.
8 СП 26.13330.2012 Фундаменты машин с динамическими нагрузками. Актуализированная редакция СНиП 2.02.05-87. М., 2012.
