常规的汽轮机框架式基础，顶板与柱采用刚性连接，垂直向自振频率一般在1000。1700 r／min(100MW或以上机组基础)，它接近轴系临界转速或核电机组工作转速。由于它受下部支承结构的影响，基频不能做得足够低，因此体系振动控制的效果不理想；而弹簧隔振基础只要选择合适的弹簧元件，系统的基频可以降到3Hz及以下。这种低调频、弹簧、阻尼系统从根本上改变了基础的结构型式和工作特性，具有隔振效率高、抗震效果好、适应不均匀沉降、工程造价低等优点，被广泛用于大容量和核电机组工程中，现就设计和施工方面的一些主要问题分析讨论如下。

1 弹簧隔振器

弹簧隔振基础常用的隔振弹簧有2种：螺旋钢弹簧和碟形钢弹簧。

螺旋弹簧隔振器是把一些优质耐用的圆柱形压缩螺旋弹簧组装在刚性的箱体内，有的隔振器内装有阻尼器，对于承载能力较大的隔振器，弹簧和阻尼器分为2个单独的部件。隔振器通常按弹簧的承载能力、装配尺寸、弹簧常数、自振频率、隔振器重量和粘滞阻尼器的装配尺寸等选用。

螺旋弹簧的特征通常用水平与垂直方向刚度比表示，汽轮机基础用的弹簧刚度比为KH／KV≤0．75。为消除水平力的作用，水平向的挠度很重要，它不仅有利于振动控制，适应静力位移，还可在热膨胀和地震作用下，不致于产生较大的反力。

汽轮机用的弹簧最大静工作挠度为32mm，考虑荷载变化及施工偏差，将工作挠度值减少10%～20%使用，即在永久荷载下静挠度值按26—28mm选用。

在正常荷载下，弹簧的挠度至少应大于永久荷载的15%。在安装和预加荷载阶段如原有的弹簧挠度数据不详时，应在永久荷载下的弹簧挠度值上再加10mm，且须谨慎使用。

螺旋弹簧系统在永久荷载下静工作挠度控制在25—30mm是较理想的，系统相应的自振频率为2．89～3．16Hz(5Hz已足够)。然而较高的弹簧压缩能力，对弹簧支承的汽机基础有许多好处：(1)不均匀沉降对较柔的弹簧影响较小，不均匀沉降3mm时，对3Hz(28mm)系统荷载只有10%的变化；而对5Hz(10mm)的系统则有30%的变化。(2)采用较柔的弹簧对补偿单根柱子不均匀沉降有利。如果汽轮发电机组在弹簧压缩10%的不均匀沉降下轴系运行失调，对3Hz系统出现3mm不均匀沉降后需进行调整3而对5Hz系统出现1mm不均匀沉降就要进行调整。

弹簧在永久荷载下使用的静工作挠度为28mm，它相当于只使用弹簧承载能力的90%，留有余量的目的，一是减小弹簧的工作应力，延长使用寿

命，二是便于调整基础不均匀沉降和轴系调直。

碟形弹簧具有较大的承载能力，每个装置由偶数个碟形簧板(通常是4个或6个)成双、背靠背迭合在一起，形成所需的弹簧特性。有的为获得低频和减小动力作用，将几个碟簧迭合在一起使用。每个隔振器带自用的液压千斤顶。碟簧支承系统在垂直向的自振频率一般在5．5Hz左右，它相当于在永久荷载下的弹簧挠度8mm 。在正常荷载下的弹簧挠度必须高出永久荷载时的20%，即该挠度值为10mm。碟簧不如螺旋弹簧在垂直和水平向都有一个确定的弹簧常数。工程中多采用螺旋钢弹簧隔振器。

2 隔振器的布置

汽轮机基础隔振器的布置方式有2种，一是布置在顶板下的柱头上，柱帽的长边沿顶板长边方向。由于受柱帽尺寸的限制，一般采用承载力较大的隔振器。为了安装、维护方便，在各柱上留有孔洞，以便插入钢管，搭设临时平台。二是布置在顶板下的纵梁上，一般采用承载力较小的隔振器，它的数量较多、间距较密从而形成连续的弹性支座。结合运转层平台布置，沿基础纵梁外侧、适当标高设置安装、维护平台，以便于施工、运行人员操作。

3 凝汽器的支承方式

凝汽器真空荷载由它的支承方式决定，对隔振基础有较大的影响。柔性支承时把它安装在底板支墩上，上端柔性连接在汽机低压缸上，在低压缸排汽口与凝汽器接口之间设有膨胀节o这种支承方式要考虑作用在汽轮机支承面上的真空荷载，它的大小等于大气压力乘以膨胀节开口面积。一台典型的汽轮机重量11800kN，而相应的真空荷载就有8200kN，相当于汽轮机重量的70%左右。因此消除作用在弹簧基础上的真空荷载，对减少支承弹簧的数量及运行期间不因这种活载产生新的挠度而影响已调好的轴系都有利。因此凝汽器只有采用刚性连接，消除真空荷载的影响。连接时把凝汽器颈部焊死在排汽口法兰上。另外在底板支承点下边设置弹簧，其柔度要比顶板下的弹簧大3—6倍。运行条件下凝汽器自重全部加在汽机支承面上，而凝汽器充水重量由下边弹簧支承。刚性连接，不仅支承系统和上部结构弹簧不承受凝汽器真空荷载，而且地震时汽轮机与凝汽器不产生相对的位移，凝汽器(重心较低)只产生较小的水平位移和摆动。

4 隔振器安装和预加荷载

隔振器的安装应与基础顶板混凝土浇灌和设备安装仔细配合。以隔振器布置在基础顶板与柱头之间的工程为例，主要施工步骤如下：

(1)测量柱顶标高

仔细测量柱顶标高，在对应柱顶的模板上留出放置隔振器的空间，并在柱顶面上放置自粘织物垫。

(2)安装隔振器

按永久荷载(机器运行时的全部荷载和支承结构自重荷载)计算各柱头隔振器的压缩值。

对隔振器预加荷载，即在现场用液压设备预加荷载，使其压缩值超过计算值3．0～7．0mm。这样锁定是为了在浇灌混凝土顶板和安装设备期间，避免顶板上的不均匀荷载引起新的挠度，此时顶板相当于刚性支承的平台。

把锁紧好的隔振器放在找准好的柱头上，隔振器的顶部放置3．0～7．0mm厚的金属薄板，以补偿前面提到的超压缩量。

隔振器顶面盖上一块自粘织物垫，再盖一块预埋钢板，即把模板上留出的空处盖住。钢板的大小应超出隔振器边缘至少125mm，以保证顶板与隔振器之间有一个平坦的接触面，使荷载较均匀传递。然后装模板、铺钢筋、浇灌顶板混凝土。

(3)顶板调平

待顶板混凝土达到设计强度后，测量各点标高，安装设备。在汽轮机与发电机转子对轮连成整体以前，先用液压千斤顶顶住顶板，使隔振器不受力，以便取出预加荷载用的薄钢板。然后将所有隔振器的螺栓松开，此时顶板应保持在同一标高上。根据汽机调直的需要，在隔振器与顶板预埋钢板之间，用增加或减少薄金属片的数量对机器调直定位。最后如同常规基础一样对机器本身进行最终的调整。

目前有的公司生产的螺旋弹簧隔振器，不需用专门的螺栓来固定，而是采用特制的4mm厚自粘织物垫垫在隔振器的顶面和底面，由于它有良好的压密性能和粘弹性，所以能经受1．0g地震加速度作用而不被破坏。

弹簧元件和阻尼器按与机器相同的使用寿命设计制造。有些已使用多年，部件至今性能完好。

5 弹簧支承系统抗震分析


为分析弹簧隔振系统的抗震性能，GERB公司曾用“STARDYNE”程序对200MW汽轮机弹簧隔振基础作了抗震计算。采用有限元2维计算模型(图1)。将机器和顶板总重26600kN作为一个集中荷载作用在重心上，为计算摆动频率考虑了质量惯性矩。假设弹簧支承的质量支承在柱系统上，柱的刚度为一排柱的总刚度。计算考虑了2种支承条件：基础顶板与柱为刚性连接；顶板下边与柱头之间布置有隔振器和阻尼器。分析包括变换弹簧刚度、阻尼参数。计算考虑了3组弹簧自振频率比和7组阻尼值，软的弹簧(nV／nH＝1)、中等硬度的弹簧(3．2／2．5)和较硬的弹簧(7．5／5．0)，此处FIv、rIn分别为弹簧垂直向和水平向的自振频率。阻尼值限制在10%以内。利用USNRC地震加速度反应谱，激振加速度值取0．1g。地震加速度(1．0g)时程曲线如图2所示。计算结果包括轴、弹簧顶面、柱头的地震反应(加速度、挠度)分别如图3、4、5所示。可以看出：




(1)由于隔振效果的影响，轴的地震反应明显减小，当阻尼为10%时，各种弹簧比情况下轴的加速度和挠度都小于常规基础数值。

(2)在低阻尼区、各种弹簧比情况下，由激振谱谐振频率引起的弹簧顶面、柱头的加速度和挠度都有放大。而在较高阻尼区弹簧顶面的加速度均小于常规的基础。另外，弹簧顶面的挠度大于常规基础的挠度，但它仍小于弹簧所设定的限值。当阻尼值为10%时，加速度明显降低，降低30%左右。

(3)结构阻尼值为2%时，为刚性变形，似常规基础情况，柱头地震加速度为1．9m／s2；柱头挠度值较小，只有2mm左右。

从轴、弹簧顶面、柱头的加速度曲线可以看出，阻尼的影响十分明显，随着阻尼值加大加速度降低，且逐渐拉平。阻尼大于10%后加速度虽有改善，已不明显。如果阻尼再继续增加，相当于朝刚性变形发展，这时加速度反而增大，拐点可定位在阻尼值为10%—20%之间。

以上是计算分析的结果，也可从模型试验得到证实。日本东芝公司曾在振动台上做了钢框架汽轮机弹簧基础的模型试验，结果表明：在地震作用下，低调频弹簧基础的调频低，阻尼是减小地震作用的主要因素，阻尼值为15%时是减小地震作用最佳值。试验还证实弹簧基础能保护高敏感度机组轴系免遭震害。





以上抗震计算分析、模型试验结果和地震区实际运行情况都证实了低调频、弹簧、阻尼器支承系统具有良好的抗震性能。

6 结论

隔振设计的主要任务是正确选择系统的自振频率，常规的基础因受下部结构的影响不能实现这个目标；弹簧、阻尼器支承系统，只要选择合适的隔振元件，系统的基频可以降到3Hz及以下，隔振效率高达98%以上，动力作用小，柱子可直接置于单独基础或桩基承台上，所节省的费用多于隔振元件付出的费用，一般情况下工程造价低于常规基础45%左右。

汽轮机隔振用的弹簧刚度比控制在KH／KV≤0．75范围内，它相当于中等硬度的弹簧，为消除水平力的作用，水平向的挠度很重要。3Hz和5Hz系统弹簧的使用静工作挠度分别为28mm和10mm，就隔振的需要而言，3Hz系统综合优于5Hz系统。在正常荷载和安装预加荷载下，弹簧的使用静工作挠度分别为32mm和38mm，但后者使用要谨慎。

凝汽器采用刚性连接对消除真空荷载和避免地震作用下汽轮机与凝汽器相对位移很重要。

隔振器预加荷载和安装以及顶板调平等各道工序应仔细配合进行，并严格控制施工误差。

从抗震计算和试验分析证实，弹簧隔振基础有良好的抗震性能，它不只是系统调频低，而且阻尼起更重要的作用，减小地震作用的最佳阻尼值为15%，过高的阻尼系统朝刚性变形发展起相反的作用。

原文链接：http://enpinfo.com/Turbine/Doc/Data/200807/14311.html