发电机支承结构和风罩

发电机支承结构和风罩一、发电机支撑结构发电机支承结构直接承受机组运转中产生的振动荷载，必须具有足够的刚度，防止出现共振和过大的动力变形。立式机组的 发电机支承结构中，画筒形机墩采用最多，下面即以此为例说明发电机支承结构的设计原理。1. 设计荷载作用于机墩上的荷载，按其性质可分为垂直静荷、垂直动荷、水平动荷和扭矩四类。(1)垂直静荷。作用在机墩上的垂直静 荷有：1) 结构重，包括机墩、风罩和部分楼板重；2) 发电机定子重，通过定手机座的基础墩作用于机墩顶面；3) 机架及附属设备重，其中下机架重量通过本身基板作用于机墩顶部，上机架及励磁机固定部分重量通过定子基础墩传给 机墩。(2) 垂直动荷。作用于机墩上的垂直动荷有：1) 发电机转子连轴重；2) 励磁机转子重；3) 水轮机转轮重；4) 水轮机转轮轴向水压力。垂直动荷通过推力轴承和机架传给机墩，因而其作用位置与发电机型式有关。悬式发电机的垂直动荷作用于墩顶的定子基座 基础上；伞式发电机则作用于下机架基板上。如推力轴承直接支承于水轮机顶盖上，则垂直动荷不作用于机墩。(3) 水平动荷。作用于机墩的水平动荷是因机组转动部分质量中心偏离机组中心而引起的水平离心力。水平离心力可计算如下：1) 正常运行时= 0.001 leGw2 (kN)(. 19-532) 飞逸时= 0.001(加)(1处式中e转动部分质量中心对机组中心的偏心矩，由制造及安装质量确定；G机组转动部分重量，kN；n机组额定转速，r/min；机组飞逸转速，r /min。机组转动部分重量可不包括水轮机转动部分重量，该部分重量产生的离心力由水轮机导轴承传给水轮机顶盖和座环，不作用 于机墩。水平离心力对机墩顶部作用一水平推力，方向交变。(4) 扭矩。机组运转时，转子的旋转磁场对定子磁场的作用力，使定子受到环向力的作用，该力通过定子传给机墩，形成扭矩， 作用于墩顶。作用于机墩的扭矩可计算如下：1) 正常扭矩Mn = 9 75CQS (kN 耐(19-7)!t阅2) 短路扭矩必；=9.方黑- 画卞(19式中N发电机额定容量，kVA；COS一发电机功率因素；Xz发电机暂态电抗，在之间。短路扭矩为发电机在三相短路电流情况下产生的扭矩，可达正常扭矩的3-5 倍。2. 计算情况 机墩的计算情况为：(1 )正常运行情况。荷载组合为垂直静荷、垂直动荷、正常水平动荷和正常扭矩。 (2)短路情况。荷载组合为垂直静荷、垂直 动荷、正常水平动荷和短路扭矩。(3)飞逸情况。荷载组合为垂直静荷、垂直动荷和飞逸水平动荷。 其中正常运行情况为基本组合，其余为特殊组合。3. 动力计算 (1)强迫振动频率。作用于机墩的动力荷载频率十分复杂，为防止出现共振，动力计算需要考虑的优势频率有：1)由机械不平衡引起的强迫振动频率。由机械不平衡引起的动力荷载，如机组转动部分偏心引起的水平动荷等，其频率与机 组转速相同。即其强迫振动频率为：正常运行情况下=n飞逸情况下=(18-9)式中 n、额定转速和飞逸转速。2)由水力不平衡引起的强迫振动频率。水轮机转轮叶片与导叶叶片每重合一次，转轮四周的水力就会出现一次不平衡，这种不平衡力的振动频率又称为水力冲击引起的振动频率，可按下式确定式中、一导叶叶片数和转轮叶片数;a和两数的最大公约数。(2)机墩自振频率计算。根据机墩所受动力荷载的情况，需要计算三种机墩自振频率，即垂直、水平横向和水平扭转自振频率。在机墩动力计算叭通常将机墩简化为一单自由度无阻尼弹性系统，并把机墩本身的质量集中移置于机墩的顶端。按照系统变 形最大动能相等原理，移置后的质量应乘一系数，机墩质量移置于顶端时，该系数取0.35.令为作用于机墩顶端的设备和结构重量(kN )，Po为机墩本身的重量(kN)，则集中于机墩顶端的质量，其相应重量G可计算如下G =+ 0.-35/J) W -(19-11)G 又称为集中于机墩顶端的当量重量。叫11)垂直自振频率。将机墩视作上端自由、下端固结的筒形受压构件，其垂直自振频率为 式中一单位垂直力作用下机墩顶端的垂直位移m/kN19-1 刀(19-13)h机墩高度，m；E 一混凝土弹性模量，kN/m?；F机墩水平截面积，m，。计算可沿平均圆周取单位周长进行，这时G和F均为单位平均周长的机墩当量重量和水平截面积。按式(18-12)计算所得结果偏大。实际上，机墩的底部支承于蜗壳顶板上，而不是固结端，在垂直动力荷载的作用下，不仅机 墩出现垂直振动，蜗壳顶板也要发生垂直振动，将机墩和蜗壳顶板组成的弹性系统，其垂直自振频率要比式(18-12)计算所得小 得多。为使垂直自振频率计算比较合理，通常在蜗壳进口断面的位置切取单位宽度的蜗壳顶板和相应的机墩，组成一两自由度的弹性系统，顶板为一端固支于蜗壳边墙，一端铰支于水轮机座环的水平梁，蜗壳顶板的质量集中于跨中，机墩为一与梁刚性连接的垂直柱，质量集中于其顶端。在这种情况下，机墩的垂直自振频率可用式(18-14)所示的简化公式计算。式中一机墩(i=1)和蜗壳顶板(i=2)部分的重量;单位垂直力作用于机墩顶端时，机墩顶端的垂直位枫=1)和蜗壳顶板水平梁跨中的垂直位移 与 乘积之和，i=1、2。式(18-14)也可更进一步简化为2)水平横向自振频率。将机墩作为质量集中于顶端的顶端自由，底端固结的垂直悬臂梁，则水平横向自振频率可按式式中一机墩顶端在单位水平力作用下的水平位移;I机墩水平截面对中和轴的惯性矩;D、d圆筒的外径和内径。3) 水平扭转自振频率。将机墩视为质量集中于顶端的圆筒形受扭构件，则水平扭转自振频率可按式18-19)计算式中一集中于机墩顶端的重量绕轴惯性矩总和kN沁机墩顶端的结梅和设备重，kN；的旋转半径，m；机墩自重，kN；的旋转半径，可取为圆筒的平均半径，m；乌一机墩顶端作用单位扭矩时的扭角 rad/kN*m；却一混凝土剪切模氧kN曲一机墩环形截面的极惯性矩，m；h、D、d 的意义同前。共振检验和动力系数确定。Q为某一类型机墩动力荷载的强迫振动频率为相应的结构自振频率，为避免出现共振，要求%一般希望。转速高的机组，或者采用轻型发电机支承结构时，可能出现V的情况，这时应注意机组启动及停机过程中可能出现共振的问题，验算振幅是否允许。动力系数可按下式确定由于的计算不很精确，为安全计、机墩强度计算时采用的动力系数中不能小于。(4)振幅检验。机墩振幅过大会造成运行困难，损害机墩和机组设备。根据机墩动力荷载的情况，机墩动力计算中要进行垂直振幅、水平横向振幅和水平扭转振幅的检验。振幅验算中，按计人阻尼的单自由度系统简谐振动的公式计算振幅。1）垂直振幅式中 一机墩垂直动荷，kN；G机墩上的结构和设备重、机墩自重以及拐壳顶板重之和，kN；g 一重力加速度，机墩垂直自振圆频率rad/s；旳一机墩垂直动荷的强迫振动圆频率，rad/s；01勺 1、一垂直自振频率和强迫振动频率，次/min.2）水平横向振幅式中一机墩水平动荷，即机组转动部分的离心力kN；G集中于机墩顶端的当量重量，见式（18-11）, kN；几2机墩水平自振圆频率，rad/s；机墩水平动荷强迫振动圆频率，rad/s。求得，同式（18-26）和式（18-27）。3）水平扭转振幅和 由 和式中一水平扭转振动时机墩外缘水平切向振幅;水平扭矩，kN*m；R机墩外半径，m；意乂冋式（18-20）；机墩水平扭转自振频率，rad/s ；匹一机墩水平扭矩强迫振动频率，rad/s。由 和 求得，同式（18-26）和式（18-27）。4）振幅检验要求。（SD335-89,试行）水电站厂房设计规范要求:A垂直振幅0.00015m （0.15mm）（18-30）A水平振幅0.0002m （0.2mm）4.强度计算强度计算中计算内力或应力时，动方荷载应乘上动力系数U其中短路扭矩则应乘以冲击系数1+ T(19-32：)30耳=%式中一机墩水平扭转自振周期的1/2,该时刻动力扭角最大，s；Ta发电机定子挠组时间常数，其值为0.15-0.40, s。（1）轴向正应力的计算。作用在机墩上的垂直荷载可化为沿圆筒平均周长均匀分布的轴向力和弯矩，平均圆周上单位长度的轴向力为 ，相应弯矩为Mo,见图18-1。n p。图18-1符号说明图圆筒形钢筋混凝土机墩的高度一般不大筒厚s 般较大因而可取单位周长机墩按偏心受压柱计算轴向正应力。半6径为r的圆周上的轴向正应力可按下式计算，以压为正。 _厂 Z式中F单位周长机墩水平截面积；一圆筒的平均半径，：(49；33)1一单位周长水平截面积对其中和轴的截面惯性矩。机墩高度大而壁厚小时，需用圆筒公式计算(2) 环向剪应力计算。水平截面环向剪应力由两部分引起;1) 水平推力引起的环向剪应力。水平推力为p,截面为环形时式中 D、d 圆筒的外径和内径。通过人孔的截面为开口环形截面，式(18-34)中分母应取实有面积。2) 水平扭矩引起的环向剪应力。扭矩为M、截面为环形、半径为r的圆周上Mr式中Ip的意义同式(18-22)。如机墩高度不大，可根据人孔处截面的形状按开口环形截面受扭的杆件计算。(3)主应力和孔口应力计算。机墩中的第二主应力可计算如下式(18-36)计算中忽略了其他应力的影响。计算按荷载组合情况进行，为 和二者之和。机墩人孔和其他孔口处还需进行孔口应力集中分析。(4)计算要求和配筋。机墩强度计算要求第二主应力的数值不超过混凝土的允许拉应力,以免配置斜向钢筋。主拉应力不满足 要求时，应加大机墩截面，提高混凝土标号或适，当增加水平或竖向钢筋。机墩混凝土标号(28 天龄期)应不小于 200。 经验表明，圆筒形机墩往往按构造要求配筋。钢筋网由竖向受力筋和环向架立筋组成。竖向受力筋同时起架立作用，直径不 小于16mm,间距不大于30cm;沿圆筒内外壁各布置一层。竖向受力筋按偏心受压柱验算面积是否足够。环向筋起固定竖向筋、 抵抗温度应力和承受未予计算的环向正应力等作用，按构造要求配置，直径不小于12mm,间距不大于30cm。圆筒形机墩不进 行温度计算。孔口边缘应按应力集中情况加强配筋。5.墩顶细部结构 机墩顶部有定子机座基础、下机架基板基础以及制动器基础等细部结构，图18-2所示为某水电站厂房的机墩顶部平面图。 制动器置于下机架上时则无制动器基础。0 阴龙图 18-2 机墩顶部平面图定子机座的基础为由通风孔分隔的矮墩，称为定子基础墩。基础墩直接承受由发电机定子和上机架传来的垂直荷载、水平离 心力和水平扭矩。定子基础墩的计算如下。(1)边缘垂直正应力O和水平截面平均剪应力T的计算及竖向钢筋和箍筋的配置式中P作用于墩子上的垂直力;Q-作用子墩子上的切向剪力或径向剪力，由水平离心力和扭矩引起;、一垂直力绕墩子水平截面形心轴X、丫的弯矩;F 一每个墩子的水平截面积；、对X、Y轴的截面抵抗矩。墩子的竖向钢筋和箍筋可参照短柱配置，并应满足构造要求。(2)局部承压面积计算。墩子的局部承压面积应满足下列条件式中b、I定子机座垫板的宽度（切向）和长度（径向）；Ra-混凝土轴心抗压设计强度;K安全系数，取1.65。（3）水平钢筋的配置。墩子的水平钢筋可通过劈裂计算确定：1）切向水平钢筋面积式中一切向劈裂力;omax墩子最大压应加;p混凝土泊桑比;h墩子咼度;一墩子径向平均长度;Rg 受拉钢筋设计强度;K受拉钢筋安全系数。2）径向水平钢筋面积式中一径向劈裂力;墩子切向平均宽度。图18-3所示为某厂房定子基础墩和下机架基墩的细部结构图。该厂房的机墩很矮，可以看作定子基础墩直接置于加厚的蜗壳顶板上。图 18-3 定子基础墩细部结构图二、发电机风罩1. 结构型式发电机风罩一般为圆筒式，厚度30- 50cm。 风罩底部与机墩整体连接。顶部与发电机层楼板的连接方式有三种型式：，(1) 整体式连接，见图18-4 (a)。风罩顶部与楼板整体连接可以增强风罩抗水平力的刚度，对机墩的抗水平推力和抗扭也有 好处，这种连接方式采用较多。(2) 简支式连接，见图18-4 (b)。这种连接方式使发电机层楼板简支于风罩顶部的牛腿上，用防振垫层将两者分开，可以减 轻机墩和风罩振动对楼板的影响。(3) 分离式连接，见图13-4 (c)。这种连接方式是风罩与楼板在结构上不相连接，受力互不影响，楼板的浇注不受风罩施 工的牵制。采用分离式连接方式时，楼板在风罩处要有自己的支承系统。风罩一般在现场整体浇筑，也可用预制构件在现场分片组合。2. 结构计算(1)计算情况和荷载组合。风罩的荷载有以下几种。1 )结构自重；2) 发电机层楼板荷载；3) 温度影响力；4) 发电机上机架千斤顶推力；5) 施工荷载，包括发电机安装调圆时千斤顶传给风罩的推力。弹性垫层()(6)(e)(a)整休式,(6)简支式；(c)分离式图 18-4 风罩顶部与发电机楼板的连接方式千斤顶推力的资料由厂家提供。风罩的计算情况为：1) 正常运行。组合荷载包括结构自重，发电机层楼板荷载和发电机上机架千斤顶推力2) 正常运行温度影响力。组合荷载包括正常运行的荷载和温度影响力。3）施工情况。组合荷载包括结构自重、发电机层楼板荷载和施工荷载。 上述计算情况中，正常运行为基本组合，其余为特殊组合。 （2）计算方法。风罩计算的简图一般有两种取法。1）薄壁圆筒。将风罩取为薄壁圆筒，按轴对称有矩理论计算内力。圆筒的约束情况为：底部 固结，顶部则视与发电机层楼板的连接方式而定，整体或简支连接时，顶部取径向简支，分离时 顶部自由。2）形框架。风罩与发电机层楼板为整体连接时，可以在风罩上切取圆周向为单宽的竖向杆 件，连同楼板组合成形框架，进行内力分析，这时竖杆底部为固结。风罩的高度较直径小得多， 环向受力作用不大时，可以采用形框架分析内力。3. 钢筋配置风罩配置竖向和环向钢筋，都是内外壁各布置一层环向筋一般为u10-20mm,间距20-25cm。 竖向筋一般为u16-30mm,间距16-20cm。