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2005年初岭澳核电站二期工程的TG包定标，采用ALSTOM的Arabelle 1000机型。国内首台单机容量百万千瓦半速汽轮发电机落户广东大亚湾畔。汽轮发电机基础(后简称“汽机基础”)是核电常规岛的核心部分，基础自主化设计是核电自主化设计的标志性项目之一。
经过国内外调研，并与中广核工程公司分析讨论，确定岭澳二期半速汽机基础采用弹簧隔振的弹性基础方案。本文对岭澳二期半速汽机基础选型予以分析论述。
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我国电力行业，传统是以“线位移”作为振动的判据[1-4]，国际上主要以“均方根振动速度”作为判据[5-8]。在德国，汽机基础振动的评估标准如表1。
区域边界 半速机组1 500或1 800 r/min 全速机组3 000或3 600 r/min A/B 2.8 3.8 B/C 5.3 7.5 C/D 8.5 11.8 Table 1.
Recommended Values for Bearing Housing/Pedestal Vibration for Steam Turbines and Generators at the Zone Boundaries 表中A、B、C、D区域分别对应于新机器，可长期使用的机器，可短期使用、需要检修的机器，不可使用的机器。
德国直接用机器的振动评估标准作为评估基础振动的标准。因此，汽机基础的振动，也以“均方根振动速度”作为判据，也分含义相同的A、B、C、D四个区域。
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德国土建专家在设计汽机基础时，认为汽轮发电机组作用于基础的扰力是与汽轮发电机组转子的动平衡等级挂钩的。具体的标准是：ISO 1940 /1[7]。汽轮发电机转子的平衡等级在这个标准中给定为G2.5级。G2.5表示机器额定角速度ω与转子不平衡量的偏心距e的乘积，e ω＝2.5 mm/s。这个不平衡量在额定转速下旋转时产生的离心力F为：
((1)) 离心力通过轴承中的油膜、轴承体、轴承座的转递到基础上，即为扰力。
我国的GB 50040—96[3]规范第5.2.2条规定了竖向与横向扰力的取值：全速机为0.20 Wgi，半速机为0.16 Wgi，其中Wgi为作用在基础第i点的机器转子重量。
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在德国，对汽机基础进行设计、进行静力与动力分析计算的标准是：DIN 4024 Part 1[8]。我国电力行业《火力发电厂土建结构设计技术规定》[4]也有相应的规定。
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汽机基础的设计，一定要进行静力与动力分析。欧洲常用STARDYNE程序包进行汽机基础的动静力分析[9-12]，国内常用SAP2000软件。
1.1 基础振动的评估标准
1.2 扰力标准
1.3 基础设计、静力与动力分析计算的标准
1.4 基础设计、静力与动力分析程序
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汽机基础的结构选型一直是人们十分关注的课题，德国以大量的试验为基础，首先进行了“低频基础”的应用，汽机基础的频率低于机器的工作频率，降低了传递力，具有更加优越的动力性能。
随着核电站的建设，给核电汽机基础提出了新的课题[13-17]。核电机组使用饱和蒸汽，蒸汽温度和压力较低，做功能力较小，叶片高度较大，受制于材料强度，要求如此大的叶片采用较低的转速，故一般采用半速机组。针对这种机组，重量很大，工作转速又低(1 500或1 800 r/min)，要想设计成低频基础，就产生了极大的困难，这就促使人们寻找别的路径。1967年，欧洲一台容量为600 MW的半速核电机组，机器的工作转速接近基础的固有频率，促使工程师选择使用弹簧隔振基础，以避开共振[2]。
欧洲和美国采用不同的设计理念进行动力基础的设计。在美国，通过增加基础的质量来抑制振动，若机器与基础的总重远大于机器转子的重量(大于100倍)，一般不考虑共振的问题。美国通过增加立柱的尺寸，如3～4 m的立柱来增加基础的尺寸。
在欧洲通过柔性支撑体系，柔性支撑的固有频率可减小到3.0～3.5 Hz[2]，远远避开了机器的转动频率，以此来隔离机器的振动。柔性支撑体系主要依靠弹簧隔振器来实现。如图1所示，将常规固定基础的刚性连接替换成弹簧隔振器，从而改变了体系的固有频率。
Figure 1. Sketches of Spring Vibration-Isolated Foundation
我们可以用单自由度的振动公式来计算振动的大小，弹性基础的系统竖向固有频率约为3.1Hz，对半速汽轮机来说，调谐比为：
((2)) 式中：η——调谐比，fexc——机器工作转动频率，fv——基础的固有频率。
当扰力频率大于20 Hz，远大于体系频率时，体系的反应由质量控制，与阻尼基本无关，可取：
因而基础的动力放大系数为：
((3)) 式中：V——动力放大系数；η——调谐比；D——阻尼比。
上面的计算表明，使用弹性基础以后，调谐比为8.06，基础的动力放大系数为0.016，系数小于1表明基础能减振，动力放大系数越小，基础的振幅则越小，减振效果越好。
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当不均匀沉降影响机组的正常工作时，对于常规刚接式基础，调平对中耗费时间长，需要将固定地脚螺栓的二次灌浆敲掉，调整机器轴承下面的垫片。而对于弹簧隔振基础，仅仅需要用千斤顶将台板顶起，在柱顶填进相应于沉降量的垫片即可，耗时短且不需停机。与常规的固定基础相比，弹簧隔振基础的“可调性”具有无可比拟的优点。
Figure 2. Leveling and Centralizing Using Spring Vibration-Isolated Foundation
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弹簧的抗侧刚度较低，通过与阻尼器的联合工作，可以有效降低台板的地震响应，同时耗散地震能量，避免基础的破坏，在机器启动期间，阻尼也能起到限制荷载传递的作用。核电安全社会影响巨大，常规运行、恐怖袭击、地震等等，都要按百年大计来考虑。弹性基础可以减小了机器受地震等外来袭击引起的振动，对电厂是有百利而无一害。
2.1 汽轮发电机组弹性基础的产生
2.2 弹性基础有快速对中与调平功能，而且可以补偿不均匀沉降
2.3 弹性基础有抗地震的功能
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一项新技术的采用，其优点往往不是一下子就被人们认识清楚的，而是在实践中不断地被人们所发现。欧洲机组出现了一个特殊的问题。
欧洲机组与美国机组的一个重要的区别是，欧洲机组，以德国Siemens与Alstom Mannheim(以前的ABB Mannheim)为代表，系单轴承结构；而美国机组，以美国GE与Westinghouse为代表，系双轴承结构。单轴承结构的优点是：
1)轴系可以连接成一条光滑的绳索曲线，振动性能好。
2)机器非常紧凑，轴系中每根轴段都缩短了一米多、低压轴段甚至缩短了2 m多长。单机容量为600 MW的美国机型与欧洲机型的基础比较，美国机型基础顶台板的长度约为50 m，而欧洲机型基础顶台板的长度只有43 m，即机组轴系长度缩短了7 m左右。
3)轴承比压大大提高，减小了汽轮机内部通流部分产生汽流激振的可能性。
这些优点显示了欧洲工程师们不断进取的精神，但是也给凝汽器的布置出了一道难题。轴段缩短以后，基础台板上汽轮机低压缸排汽口通往凝汽器进口的轴向开口尺寸，欧洲Alstom Mannheim机型相对于美国Westinghouse机型缩短了30%以上；横向开口尺寸，欧洲机型相对于美国机型缩短了9.5%以上；两个低压缸排汽口之间的横梁尺寸，欧洲机型相对于美国机型缩短了21%以上。
Figure 3. Comparison of the Openings Size of Alstom Models and Westinghouse Models (600 MW)
对美国Westinghouse机型，台板下有足够的余地可以布置3 m、甚至4 m大尺寸的立柱，但对Alstom Mannheim机型就不行了。通过台板上的开孔，Alstom Mannheim的凝汽器除了向机组横向伸张以外，在机组轴向也要伸张，因此大尺寸立柱不能用了，必须用小尺寸立柱。在欧洲，小尺寸立柱是配合弹性基础设计的，因为弹簧隔振器隔离了机器的动载荷，立柱只受静载荷，尺寸便可大大减小。
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隔振公司对弹簧作了疲劳试验，由疲劳试验得到的许用载荷的0.8倍值作为额定载荷，设计上再取工作载荷为额定载荷的0.8倍值。另外弹簧是经过喷丸除锈后进行喷塑保护处理的，在电厂汽机岛厂房内，弹簧隔振器不受腐蚀性介质的直接侵蚀，又并不浸泡在水中，因此不会变质。机组运行时，弹簧的振幅在12 μm以内，一般小于4～5 μm。振幅如此小，对弹簧隔振器50年的寿命是没有影响的，就如同汽轮机危急遮断器中的弹簧一样，可与机器共同工作40年。
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用弹簧隔振基础替代常规固定基础时，基础台板与汽轮发电机组底部的连接方式不需要任何改变。美国机型变化的是凝汽器的支承方式，由固定支承(图4中的左图)变化到弹性支承(图4中的右图)，汽轮机与凝汽器的连接方式由波纹管(图4中的左图)变为刚性焊接(图4中的右图) 。凝汽器支承方式与连接方式变化的目的，是为了消除真空吸力。
Figure 4. By Conventional Fixed Foundation Changes to the Spring Vibration-Isolated Foundation，the Change of the Supporting Way of the Condenser and the Connection Type of the Steam Turbine
对欧洲机型来说，凝汽器的支承方式本来就是弹性支承，凝汽器与汽轮机的连接也本来就是刚性焊接，因此从型式上看没有任何变化。但是，对弹性基础来说，汽轮发电机组的隔振弹簧与凝汽器的支承弹簧之间存在刚度匹配问题。凝汽器支承弹簧的总刚度，要远小于汽轮发电机组隔振弹簧总刚度，以使汽轮发电机组的工作不受凝汽器工作时微小移位的影响。
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1)无论常规固定基础，还是弹性基础，顶台板的尺寸(长度、宽度与厚度)是完全一样的。因此，常规固定基础时机器与台板是怎么连接的，弹性基础也这么连接，一点也没有变化。
2)在机器安装时，弹簧处于1.2倍工作载荷的预压缩状态，也即处于刚性支承状态，台板不会摇摆。在这种刚性支承状态下，汽轮发电机组进行初步对中与调平，汽缸扣盖，地脚螺栓拧紧，但是不进行二次灌浆。然后进行弹簧的释放，释放后的精对中与调平，不牵涉汽缸内部的间隙，而只对联轴器的对中进行校核与调整。
3)管道的连接，台板以内部分与台板以外部分分别进行。在弹簧释放以后处于静平衡状态下，再进行台板以内部分与台板以外部分管道之间的连接，因此不会有大的变形。
4)弹簧隔振器其实是很刚、很硬的。对一台600 MW机组来说，垂直总刚度约为2 000 kN/mm，水平总刚度约为1 200 kN/mm。这意味着，在垂直方向上必须施加200 t的力，或者在水平方向上必须施加120 t的力，才能使台板产生1mm的位移。任何一个管道接口的反作用力都达不到这样大的数值。在不平衡力的作用下台座振幅小于0.01mm，这样的变形对于管道是察觉不到的。
Alstom Mannheim公司有一个土建设计准则规定，凡是在力作用下，位移小于0.5mm的，都视为固定点。
3.1 欧洲机组的一个特殊问题
3.2 弹性基础的寿命
3.3 凝汽器支承方式、凝汽器与汽轮机连接方式的变化
3.4 弹性基础不会影响机器的安装、对中与调整
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岭澳二期半速机采用ALSTOM的Arabelle 1000机型，机组的外形尺寸比岭澳一期全速机增加较多，见表3。
项目 岭澳一期机组 岭澳二期机组 高(中)压缸上半缸重量 50 t 123.9 t 高(中)压转子尺寸、重量 最大直径1.871 m、长6.71 m、33 t 最大直径3.795 m、长12.79 m、105 t 低压转子尺寸、重量 最大直径3.58 m、长7.3 m、58 t 最大直径5.64 m、长11.95 m、180.8 t 发电机转子尺寸、重量 直径1.3 m，长16 m，100 t 直径约2 m、长约15.2 m、233 t 发电机定子重量 170 t 355 t Table 3.
Comparison of the Phase Ⅰ and Phase Ⅱ Large Turbo Generator Unit of Ling Ao 分析表3可知，汽机岛在汽机间内占用的空间更多，而汽机间的44 m跨度没有变化，汽机平台布置极为紧凑，低压缸下的两凝汽器连成一体，凝汽器体型庞大，其支墩只有一个布置在中间的死点，不能在两凝汽器间布置墙体结构，凝汽器间柱宽只能设计为1 m，这就是欧洲机型的特点，给汽机立柱预留的空间很小，所以采用弹性基础是最好选择。
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总结上述分析，相对于常规的框架式汽机基础而言，弹簧基础具有如下四个优点：
1)属于柔性支撑体系，频率低达3～3.5 Hz，具有良好的隔振效果，降低了机组转动对基础的影响。
2)弹簧联合阻尼器使用，具有良好的耗能作用，可以降低地震反应，同时限制机器启动阶段荷载的传递。
3)可以实现基础不均匀沉降的快速对中与调平，施工便捷。
4)有效地隔离动力荷载，减小立柱的尺寸，特别适合欧洲机型的要求。
岭澳二期半速机采用ALSTOM(Arabelle 1000机型)，对于首次国产化设计的百万千瓦半速汽轮发电机组，采用弹簧隔振的弹性基础，其低频、抗震、可调的优点无疑更确保机组的安全运行。
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