Methodology of calculation of the dynamics of the system turbine-foundation-base power units under seismic actions

ISSN 2078-774X (print) Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування УДК 539.3 doi: 10.20998/2078-774X.2016.08.22 П. П. ГОНТАРОВСКИЙ, Н. Г. ГАРМАШ, Н. Г. ШУЛЬЖЕНКО МЕТОДИКА РАСЧЁТА ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ ТУРБОАГРЕГАТ-ФУНДАМЕНТОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОБЛОКОВ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ АННОТАЦИЯ Представлены основные особенности методического обеспечения, разработанного на основе метода конечных элементов для расчета динамики системы турбоагрегат-фундамент-основание при сейсмических воздействиях. Элементы расчетной схемы моделируются произвольно ориентированными стержнями и сосредоточенными массами с моментами инерции, которые соединяются абсолютно жестко или с помощью упругодемпферных связей. В стержневых элементах с распределенными параметрами учитываются все виды деформаций, которые имеют место при колебаниях. Сейсмическое нагружение моделируется переменными инерционными силами, полученными из экспериментальных акселерограмм землетрясений. При исследовании динамических процессов в системе турбоагрегат-фундамент-основание при сейсмических воздействиях используются расчетные модели различного уровня сложности. Ключевые слова: турбоагрегат, сейсмическое воздействие, колебания, стержневой конечный элемент, упругодемпферная связь. P. GONTAROVSKIY, N. GARMASH, N. SHULZHENKO METHODOLOGY OF CALCULATION OF THE DYNAMICS OF THE SYSTEM TURBINEFOUNDATION-BASE POWER UNITS UNDER SEISMIC ACTIONS ABSTRACT The creation of powerful turbine units of nuclear power plants requires an assessment of the structure response to seismic action. For analysis of dynamic processes in the turbine units under seismic actions is necessary to be taken into account the interaction of the turbine unit and foundation. Method and software for analysis of turbine-foundation-base system under seismic action are proposed. The software package is based on the finite element method with the direct integration of the motion equations by Newmark’s or Vilson’s method. The rod computational models for solve problems forced flexural, longitudinal, torsional vibrations and transients shafting on complex elastic-damper supports are used. The foundation plates are modeled by of the rods grating that take into account elasticity and inertial properties of foundation elements. The lumped mass at the nodes of rods of foundation are used to account for the mass of the installed equipment and pipelines. The problem of non-stationary dynamic analysis of forced vibrations is solved in the mobile coordinate system associated with the foundation. The accelerations of foundation in three perpendicular directions are specified by using digitized real or synthesized accelerograms. The symmetric matrices of a special structure are used to achieve high performance in the calculations. Created graphical interface allows to visualize the geometry of the structure, its discretization into finite elements, deformation at different times, the graphics of displacement vs. time, velocity and acceleration of individual construction points, as well as forces in the elastic connections. The stresses in elastic connections, their maximum and minimum values and the time of their occurrence are determined for evaluation of strength of the turbine-foundation-base system. The results of analysis of turbine К-1100-23.5 for different design models are shown. Key words: turbine, seismic action, vibration, rod finite element, elastic-damper connection. Введение Создание мощных турбоагрегатов требует оценки реакции конструкции на сейсмические воздействия. При этом используемые расчетные модели должны позволять прогнозирование усилий, возникающих в отдельных элементах турбоагрегата и, прежде всего, в элементах крепления его на фундаменте и в опорном подшипнике, а также оценить возможность задевания роторов валопровода о корпусные элементы [1]. Постановка задачи Задача динамического анализа вынужденных нестационарных колебаний решается в подвижной системе координат, связанной с основанием, ускорения которого в трех взаимноперепендикулярных направлениях задаются с помощью оцифрованных реальных или синтезированных акселерограмм. Возмущение передается от грунта на нижнюю фундаментную плиту. При этом податливость почвы учитывается моделью Винклера. Динамическая система турбоагрегат-фундамент представлена расчетной моделью, включающей фундаментную плиту, на которой установлены конденсаторы, и рамно-стеновой фундамент с установленными на нем корпусами цилиндров высокого и низкого давления, корпусами генератора и возбудителя, выносными подшипниками, на которые через масляный слой опирается валопровод. Элементы конструкции моделируются набором произвольно ориентированных стержней с распределенной массой и сосредоточенных масс, обладающих моментами инерции, которые соединяются между собой абсолютно жестко или с помощью линейных или нелинейных упруго© П. П. Гонтаровский, Н. Г. Гармаш, Н. Г. Шульженко, 2016 Вісник НТУ «ХПІ». 2016. № 8(1180) 153 Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування другом стержней, разбитых на конечные элементы, и масс-ответвлений, содержащих один узел в центре масс и занимающих недеформируемый объем, обладающий центральными моментами инерции относительно осей, параллельных осям глобальной системы координат. С помощью упруго-демпферных связей масса-ответвление может быть соединена с другими узлами конструкции. Положение оси стержня определяется координатами ее начала xн, yн, zн и конца xк, yк, zк. Его деформирование рассматривается в местной системе координат x′y′z′, где ось x′ направлена вдоль оси стержня, y′, z′ – главные центральные оси поперечного сечения. В случае стержня общего положения для ориентации оси y′ задаются координаты x0, y0, z0 любой точки, лежащей в плоскости x′y′ (рис. 1). демпферных связей. Пластинчатые составляющие фундамента моделируются решетками из стержней, учитывающими податливость и инерционные свойства его элементов. Сосредоточенные массы в узлах стержней фундамента используются для учета массы установленного оборудования и трубопроводов. Корпуса цилиндров высокого давления, генератора и возбудителя, корпуса подшипников, конденсаторы могут моделироваться стержнями, системой стержней или сосредоточенными массами. Последнее вполне допустимо, если учесть высокие жесткостные характеристики этих элементов. Тонкостенные и более податливые корпуса цилиндров низкого давления целесообразно представлять системой стержней, характеристики которых определяются на основе предварительных расчетов их динамических характеристик по трехмерным оболочечно-стержневым моделям. Участки роторов моделируются трубчатыми стержневыми элементами соответствующей формы, а облопаченые диски и фланцевые соединения – сосредоточенными массами. Стержни могут испытывать изгибнокрутильно-продольные деформации. При этом имеет место депланация их поперечных сечений при сдвиге и кручении. Алгоритм решения задачи Рис. 1 – Стержневой элемент системы Конструкция рассматривается в правой декартовой системе координат xyz. Для описания ее деф (...truncated)