Введение к работе
Актуальность исследований. Фундамент турбоагрегата (ФТА) -строительная конструкция, обеспечивающая стабильность положения турбоагрегата и низкий уровень вибрации. Наиболее распространены в настоящее время рамные фундаменты, представляющие собой опорную платформу, опирающуюся на систему пружинной виброизоляции или на гибкие стойки, заделанные в массивную нижнюю плиту. Воспринимаемые фундаментом динамические нагрузки могут носить установившийся или нестационарный временной характер. К последним относятся нагрузки, возникающие при авариях на турбине, генераторе или при сейсмических воздействиях. Традиционно при расчетах фундаментов эти нагрузки преобразуются в эквивалентные квазистатические силы с использованием больших значений коэффициентов запаса. Однако, такой подход не решает следующих вопросов: определение инерционных нагрузок на расположенные на фундаменте оборудование и аппаратуру, определение максимальных динамических перемещений для проверки сохранения требуемых зазоров между фундаментом и примыкающими строительными конструкциями и для обеспечения нормальной работы системы виброизоляции. Кроме того, использование квазистатических сил в прочностных расчетах приводит к неоправданному увеличению габаритов фундамента и перерасходу материалов.
Основные существующие методы решения нестационарных динамических задач имеют ограничения по используемым вычислительным ресурсам, характеру демпфирования поэтому создание универсального эффективного метода решения нестационарных динамических задач является актуальным.
Целью диссертации являлась разработка численной методики расчетного анализа нестационарных колебаний рамных фундаментов турбоагрегатов, необходимого для рационального выбора конструкции и обеспечения надежности фундаментов при аварийных режимах короткого замыкания на генераторе и вылета лопаток турбины.
Основные задачи исследований
Обоснование возможности применения предлагаемой математической постановки для динамических задач о нестационарных колебаниях рамных ФТА и их элементов.
Разработка методики численного анализа нестационарных колебаний рамных фундаментов, а также создание аппарата ее технической реализации.
Исследование параметров переходных процессов на основе применения разработанного численного метода.
Выполнение расчетных исследований по прогнозированию динамических характеристик рамных ФТА с помощью созданной методики.
Научная новизна
Для рамных фундаментов разработан численный алгоритм расчета нестационарных колебаний при аварийных режимах работы турбоагрегата, основанный на использовании пространственно-временных конечных элементов. Построены обобщенные «матрицы жесткости» конечных элементов для продольных, крутильных и поперечных колебаний стержневых элементов фундамента с возможным учетом деформаций сдвига и инерции вращения поперечных сечений.
Комплекс разработанных программ дает возможность определять изменение во времени виброперемещений, виброскоростей и внутренних усилий в системе фундамент-основание в рабочем, а также в аварийных режимах короткого замыкания и вылета лопаток.
Для характеристики интенсивности переходных процессов введено понятие коэффициента динамичности нестационарного режима. При помощи разработанного численного алгоритма исследованы его свойства.
Предложен критерий определения момента перехода динамической системы от нестационарных к установившимся колебаниям. Выявлена зависимость продолжительности переходного процесса от демпфирования в системе и частоты вынуждающего воздействия. Показан сходный характер указанной зависимости для систем с одной и многими степенями свободы.
Для решения нестационарных динамических задач вместо общепринятой постановки в виде задачи Коши предложена постановка в виде краевой задачи. Ее достоинством является возможность вариационной формулировки, решаемой с помощью метода конечных элементов (МКЭ) по времени.
Достоверность результатов обеспечивается использованием в работе корректных математических моделей и методов решения динамических задач, решением ряда тестовых задач и сравнением численных результатов с решениями, полученными при помощи универсального конечно-элементного комплекса MSC NASTRAN, а также с данными проведенных ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» натурных экспериментов. Достоверность результатов также подтверждается анализом сходимости численных решений при сгущении конечно-элементной сетки и их устойчивости к погрешности исходных данных.
Практическая значимость работы
Разработан инженерный метод оценки характеристик нестационарных колебаний и показана важность учета нестационарных колебаний в динамических расчетах рамных фундаментов турбоагрегатов.
Проведен расчетный анализ нестационарных колебаний фундамента турбоагрегата Челябинской ТЭЦ-3 на особые нагрузки при авариях на турбине и генераторе. Определены уровни эксплуатационной вибрации и динамические податливости элементов опорной платформы фун-
дамента. Использование в прочностных расчетах сочетаний динамических усилий, определенных с помощью разработанного алгоритма, обеспечивает экономию строительных материалов при проектировании фундаментов турбоагрегатов.
Разработанная методика расширяет область применения динамических расчетов рамных фундаментов турбоагрегатов и позволяет отказаться от приближенных квазистатических оценок прочности, приводящих к завышенным запасам.
С помощью предложенной методики обоснована эффективность применения упругого опирання статора турбоагрегата на фундамент. По заявленному техническому решению получен патент на изобретение (патент РФ на изобретение №2377706 «Статор турбогенератора». Опубликовано 27.12.09. Бюл. №36).
Личный вклад автора состоит в разработке и обосновании новой методики расчета нестационарных колебаний фундаментов методом конечных элементов по времени, включая алгоритм численного расчета рамных фундаментов на нестационарные динамические нагрузки, в выполнении расчетов и анализе их результатов, а также во введении понятия коэффициента динамичности нестационарного режима и исследовании его свойств.
На защиту выносятся:
Методика расчета нестационарных колебаний рамных ФТА, основанная на применении пространственно-временных конечных элементов.
Результаты численного анализа динамических характеристик плоского и пространственного фрагментов рамного фундамента, а также обоснование важности учета нестационарных колебаний при проведении динамических расчетов.
Результаты расчетного прогнозирования вибрационного состояния ФТА Челябинской ТЭЦ-3 в случае аварий на турбине и генераторе, а также при нормальной эксплуатации; доказательство эффективности применения упругого опирання статора турбогенератора на фундамент на примере ФТА Челябинской ТЭЦ-3.
Введенное понятие коэффициента динамичности нестационарного режима и его свойства, а также предложенный критерий определения момента перехода динамической системы от нестационарных к установившимся колебаниям.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
XXXIV Неделя науки СПбГПУ. Межвузовская конференция. -28 ноября - 3 декабря 2005 г., СПбГПУ, Санкт-Петербург.
V Савиновские чтения - 2007. 29 июня - 3 июля 2007 г., СПбПГУПС, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, Санкт-Петербург.
3. XXII Международная конференция «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов». 24-27 сентября 2007, СПбГАСУ, Санкт-Петербург.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (97 наименований) и трех приложений; содержит 172 страницы основного текста, в том числе 88 рисунков и 27 таблиц.
