艦船燃氣輪機支撐系統結構設計及抗沖擊計算分析

尹家錄，王相平，趙祥敏，劉常青

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

燃氣輪機通過支撐系統固定在基座上，其重力、振動等載荷直接通過支撐系統傳至基座的承力構件上。支撐系統因燃氣輪機的結構及使用要求的不同而各不相同[1-3]。

本文主要介紹了某艦船燃氣輪機支撐系統的設計要求和結構設計思路，以及抗沖擊計算方法和結果。

1 設計要求

（1）支撐固定應牢固、穩定、振動小，能承受各種可能的作用力，包括機組自身的作用力和艦船行駛時產生的慣性力或沖擊力；

（2）支撐系統應盡量靠近軸承座，以保證燃氣輪機轉子的可靠固定和良好同軸度；

（3）燃氣輪機支撐處的熱膨脹應不受阻礙，如果不能滿足其熱膨脹要求，會導致燃氣輪機與支撐之間的應力過大；

（4）應能滿足燃氣輪機工作時功率輸出端與負載的同軸度要求和端面熱膨脹位移量要求；

（5）滿足抗沖擊性能要求。中國艦船系統和設備的抗沖擊性能研究和試驗工作按《GJB730A艦船燃氣輪機通用規范》要求進行，本設計中抗沖擊指標取垂向 5g，軸向 4g，橫向 4g。

2 結構設計

某艦船燃氣輪機的支撐系統模型如圖1所示。該支撐系統由主支撐、輔助支撐、防偏擺、主機底座和排氣裝置底座等部分組成。燃氣輪機主機通過主支撐、輔助支撐、防偏擺，保證其合理地安裝在底座上。

2.1 主支撐

某型艦船燃氣輪機采用功率前輸出結構，考慮到輸出軸與負載的對中要求較高，本設計將主支撐（死點）設置在靠近功率輸出端的進氣機匣截面處，進氣機匣為冷端，工作時的熱膨脹量可忽略，消除了燃氣輪機熱膨脹對輸出軸的影響。同時燃氣輪機前軸承通過進氣機匣承力，主支撐選在進氣機匣上可以縮短轉子的承力路線，有利于轉子穩定工作。

燃氣輪機與主支撐的聯接方式采用球鉸接，主支撐與底座之間采用螺栓聯接的完全約束，如圖2所示。

主支撐固定了燃氣輪機的死點，因此需要承受其工作時的垂向力Fz、軸向力Fy和橫向力Fx，對主支撐橫截面的合理設計可以提高主支撐的抗扭能力。本設計中主支撐采用槽鋼焊接而成，橫截面為空心矩形。

2.2 輔助支撐

主支撐應限定燃氣輪機的軸向位移，輔助支撐應允許燃氣輪機有一定量的軸向位移，同時與主支撐共同作用，以保持燃氣輪機中心線的穩定。

燃氣輪機后軸承通過渦輪后機匣承力，因此將輔助支撐固定在渦輪后機匣的安裝邊上。而渦輪部件為熱端部件，工作時會產生軸向膨脹和徑向膨脹，輔助支撐除了需要一定的軸向自由度外，還應有一定的橫向自由度。

輔助支撐位于燃氣輪機渦輪后機匣兩側，支撐系統中輔助支撐板與底座之間采用球鉸連接，輔助支撐板與燃氣輪機之間同樣采用球鉸連接，如圖3、4所示。

2.3 防偏擺裝置

在輔助支撐固定截面正下方設置了防偏擺裝置，對燃氣輪機側向進行限位，降低了其機匣應力，提高了其抗沖擊能力，延長了其使用壽命。

防偏擺導鍵通過精密螺栓固定在燃氣輪機渦輪后機匣的安裝邊上，防偏擺定位座通過精密螺栓固定在底座上。在定位座上增加了調整頂絲，通過調整防偏擺定位座兩側的調整頂絲，使螺桿底部端面與導鍵的2個側面貼靠，如圖5所示。

3 抗沖擊計算分析

3.1 分析方法

目前艦船用設備的抗沖擊計算分析主要采用等效靜態分析方法（靜態G法）、譜分析（動力學設計分析方法Dynamic Design Analysis Method，DDAM）和時域動力學分析等方法[4]。

動力學設計分析方法建立在模態分析和沖擊譜輸入的理論基礎上，利用模態質量和模態參與因子考慮各階模態在基礎激勵下對沖擊響應的貢獻，可以考慮高階模態的影響。DDAM的最大優勢是節約計算資源，雖然受到一定限制，但目前仍是艦船設備抗沖擊分析的主要手段，因此，對艦船燃氣輪機進行抗沖擊分析應主要采用該方法。

3.2 設計沖擊譜

DDAM是將設計沖擊譜作為設備基礎的沖擊輸入，設計沖擊譜隨艦船的類型、安裝位置及設備各階模態的模態質量的變化而變化。根據《GJB1060.1-91艦船環境條件要求機械環境》，可給出水面艦船不同安裝位置的沖擊加速度譜A0和沖擊速度譜V0，將A0和V0乘以相應系數，得到各方向的沖擊譜設計值Aa和Va。

艦船燃氣輪機安裝于水面艦船的船體部位，應使用如式（1）所示的沖擊譜進行抗沖擊分析

式中：A0為加速度，m/s2；V0為速度，m/s；ma為第 a階模態所對應的模態質量，t。

3.3 沖擊載荷加載方法

沖擊屬于瞬態動力學分析，按《GJB150.18軍用設備環境試驗方法沖擊試驗》的規定，沖擊脈沖的波形為后峰鋸齒波，脈沖的持續時間為11 ms，如圖6所示。燃氣輪機支撐系統實際承受的沖擊載荷是3個方向的，加速度的峰值取100 m/s2。

目前有2種方法（大質量法和慣性質量法）將沖擊脈沖載荷施加到結構上。通過對比計算分析發現，在ANSYS的瞬態動力學分析中，采用大質量法和慣性質量法所得到的計算結果完全相同，因此，在對艦船燃氣輪機進行沖擊響應分析時可以根據實際情況任選其中1種計算方法。

4 抗沖擊能力計算

4.1 計算方法

利用大型有限元結構分析軟件ANSYS對某艦船燃氣輪機支撐系統進行了計算。受計算規模限制，利用8節點殼單元和3節點梁單元對該系統進行有限元建模，把燃氣輪機主機作為剛體，僅考慮其質心位置，在該位置施加載荷，質心與主安裝節、排氣筒支承軸頸、排氣筒定位塊進行剛性約束。按抗沖擊指標（垂向5g，軸向4g，橫向4g）把加速度轉化為慣性力，按表1中的4種工況對其進行靜力分析計算。計算時對支撐系統底座的6個安裝面加全約束。

表1 分析計算的4種工況

4.2 主支撐強度考核

主支撐作為燃氣輪機支撐系統的“死點”，承受燃氣輪機垂向5g、橫向4g及軸向4g的載荷。對2個考核截面（如圖7所示）評估主支撐的強度。截面1為沒有加強筋的位置，截面2為包含加強筋的主支撐根部。計算結果見表2。從表中可見，主支撐滿足強度要求。

表2 主支撐的最大應力及屈服安全系數

4.3 輔助支撐強度考核

輔助支撐僅承受燃氣輪機的垂向5g載荷。在評估其抗沖擊強度時，對其面積最小的截面進行校核。經考核，輔助支撐的最大應力為7.4 MPa，屈服安全系數為61，可見，輔助支撐滿足強度設計要求。

4.4 防偏擺的強度計算

防偏擺僅承受橫向4g載荷，其強度計算結果如圖8所示。根據計算結果可知，防偏擺裝置的薄弱部位在防偏擺定位座及固定它的鋁合金底座上，最大應力值為116 MPa，可滿足強度要求。

5 結束語

（1）對某型艦船燃氣輪機的支撐系統進行了設計分析，介紹了主、附支撐及防偏擺的設計要點；

（2）介紹了艦船燃氣輪機抗沖擊理論計算方法，目前常用DDAM方法；

（3）對某型艦船燃氣輪機支撐系統進行了抗沖擊計算，結果表明可滿足強度要求。

[1]國防科學技術工業委員會.GJB730A-1997.艦船燃氣輪機通用規范[S].北京：船舶工業總公司，1997.

[2]尹家錄，陳亮.國內外燃氣輪機承力和安裝系統設計初步研究 [C]//中國航空學會第六屆輕型燃氣輪機學術交流會論文集.沈陽：沈陽發動機設計研究所，2009.

[3]國防科學技術工業委員會.GJB150.18-1986.軍用設備環境試驗方法沖擊試驗[S].北京：科工委軍標中心，1986.

[4]尤國英，黃飛.燃氣輪機底架抗沖擊非線性計算分析[J].熱能動力工程,1996,(S1):50-52.

[5]Luck D L.Extending use of marine gas turbines through application of the LM2500+[C]//the International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition.Orlando,1998.

[6]侯戈.美國LM2500艦船燃氣輪機技術解析[J].現代兵器，2009（1）:27-36.

[7]Parry R W,Stauffer M.USN land based testing of the WR21 gas turbine [C]//Gas Turbine Society ofJapan Indianapolis.Indianapolis,Indiana,1999.