汽（氣）缸穩定性計算程序GUI設計

周 勇，錢 勇

（東方汽輪機有限公司，四川德陽 618000）

0 引言

在汽輪機（透平）機組設計和后期工程配合階段，汽（氣）缸的穩定性計算是一項非常重要的工作。合理的受力和力矩分布能使汽（氣）缸受力更為均勻，以免在運行過程中產生扭曲甚至脫空的趨勢，從而影響機組的密封性和動靜間隙。

1 汽（氣）缸受力分析

汽（氣）缸所受的作用力主要有自重、摩擦力、汽（氣）流反力矩、接口力及滑銷系統支反力，下面分別進行說明[1]。

（1）自重：汽（氣）缸、隔板、密封等靜子重量，是影響汽（氣）缸穩定性的主要因素。

（2）摩擦力：汽（氣）缸受熱膨脹或冷卻收縮時，貓爪與軸承箱或基礎臺板支撐面處產生的力，其大小一般不會影響汽（氣）缸穩定性。

（3）汽（氣）流反力矩：汽（氣）流推動轉子做功時，作用于靜子上的力矩，其方向與轉子旋向相反，大小取決于功率和轉速。

（4）接口力：管道在冷態和熱態時，分別在汽（氣）缸接口位置產生的力及力矩。其大小和方向不僅影響汽（氣）缸穩定性，還影響汽（氣）缸接口強度。

（5）滑銷系統支反力：上述各種作用力的平衡力，通常由汽（氣）缸貓爪、橫向鍵和軸向鍵承擔。

2 接口力及力矩

2.1 坐標系及前后左右的定義

+X：軸向（從汽輪機（透平）指向電機）

+Y：天地方向（向上為正）

+Z：橫向（由+X與+Y按右手定則確定）

坐標原點：絕對死點（圖1）

-Z為“左”，+Z為“右”

2.2 接口力及力矩（含汽（氣）流反力矩）的合成

不失一般性，設汽（氣）缸具有進汽（氣）口、抽汽（氣）口及排汽（氣）口共N個管道接口，其中第i個接口坐標、接口力、接口力矩分別為（xi，yi，zi）、（fxi，fyi，fzi）、（mxi，myi，mzi）。用δFxi、δFyi、δFzi、δMxi、δMyi、δMzi分別表示第i個接口對所有管道接口作用在汽（氣）缸上的合力及合力矩的貢獻量，則：

對于汽（氣）流反力矩，由于矩心位于X軸上，可以對式（1）右邊做如下處理，即：

其中，P為汽輪機（透平）功率，n為轉速，此時式（1）左邊的δFxi、δFyi、δFzi、δMxi、δMyi、δMzi則轉化為汽（氣）流反力矩對汽（氣）缸所受合力及合力矩的貢獻量。δMxi由汽（氣）缸前后支承共同承擔，且承擔的力矩與第i個接口至前后支承的距離成反比。用δMxiF、δMxiB分別表示前、后支承所承擔的力矩，則：

其中L為汽（氣）缸前后支承軸向跨距（圖1）。

用Fx、Fy、Fz、MxF、MxB、My、Mz分別表示所有管道接口作用在汽（氣）缸上的合力及合力矩，則：

2.3 接口合力及合力矩在支承處的分解

用（fyFL、fyFR、fyBL、fyBR）、（fzFL、fzFR、fzBL、fzBR）分別表示所有管道接口作用在汽（氣）缸上的合力及合力矩在前、后、左、右4個支承處所引起的垂直分力及水平橫向分力，則：

其中，WF、WB分別為汽（氣）缸前、后支承橫向跨距（圖1）。

圖1 坐標系示意

2.4 接口力及力矩的限制條件

過大的接口力及力矩可能會使汽（氣）缸平移、轉動或頂起，從而引起汽輪機（透平）中心偏移、破壞動靜間隙、損壞密封等。管道接口作用在汽（氣）缸上的力和力矩應能滿足以下限制條件[2]。

（1）所有管道接口作用在汽（氣）缸上的合力及合力矩在汽（氣）缸各支承處引起的天地方向分力不應超過該支承處汽（氣）缸自重分量的1/2。

（2）所有管道接口作用在汽（氣）缸上的合力及合力矩在汽（氣）缸各支承處引起的橫向分力不應超過該支承處汽（氣）缸自重分量的1/3。

（3）所有管道接口作用在汽（氣）缸上的合力及合力矩在汽（氣）缸各支承處引起的軸向合力不應超過汽（氣）缸自重的1/6。

3 程序流程

根據上述計算方法，編制了汽（氣）缸穩定性計算程序，程序流程見圖2。

4 GUI設計

基于圖2，在MATLAB環境下完成汽（氣）缸穩定性計算程序圖形GUI（Graphical User Interface，圖形用戶界面）設計（圖3）。基本數據（汽（氣）缸重量、重心坐標、支承跨距、功率、轉速）通過界面對話框直接輸入，汽（氣）缸狀態、機組旋向通過按鈕選擇，接口數據（坐標、力、力矩）通過Excel文件輸入，計算結果既可以在界面直觀顯示，也可以通過Excel文件進行保存。

圖2 程序流程

圖3 圖形用戶界面（GUI）

5 算例

以300 kW船舶熱能發電項目為例，該項目包含透平—電機—主壓縮機一體機和透平—電機—再壓縮機一體機兩臺一體式發電機組，每臺機組具有透平進（出）口、壓縮機進（出）口4個管道接口，根據設計院提供的接口力及力矩，利用該GUI計算機組氣缸穩定性，計算結果見表1和表2。結果表明，兩臺機組接口力及力矩均滿足上文所述限制條件，即兩臺機組氣缸穩定性均合格。

表1 主壓縮一體機接口力及力矩在各支承處的分力相對自重占比

表2 再壓縮一體機接口力及力矩在各支承處的分力相對自重占比

6 結論

通過接口力及力矩的合成與分解來計算汽（氣）缸穩定性是可行的，基于該方法編制的計算程序通用性好，GUI界面數據輸入方便，計算精度滿足工程需要。