尹家錄，王相平，趙祥敏，劉常青

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

燃氣輪機通過支撐系統(tǒng)固定在基座上，其重力、振動等載荷直接通過支撐系統(tǒng)傳至基座的承力構(gòu)件上。支撐系統(tǒng)因燃氣輪機的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的設(shè)計要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，以及抗沖擊計算方法和結(jié)果。

1 設(shè)計要求

（1）支撐固定應(yīng)牢固、穩(wěn)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(chǎn)生的慣性力或沖擊力；

（2）支撐系統(tǒng)應(yīng)盡量靠近軸承座，以保證燃氣輪機轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)力過大；

（4）應(yīng)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(tǒng)和設(shè)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(guī)范》要求進行，本設(shè)計中抗沖擊指標取垂向 5g，軸向 4g，橫向 4g。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

某艦船燃氣輪機的支撐系統(tǒng)模型如圖1所示。該支撐系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，考慮到輸出軸與負載的對中要求較高，本設(shè)計將主支撐（死點）設(shè)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(zhuǎn)子的承力路線，有利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作。

燃氣輪機與主支撐的聯(lián)接方式采用球鉸接，主支撐與底座之間采用螺栓聯(lián)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(shè)計可以提高主支撐的抗扭能力。本設(shè)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(yīng)限定燃氣輪機的軸向位移，輔助支撐應(yīng)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(wěn)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(chǎn)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(yīng)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(cè)，支撐系統(tǒng)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(shè)置了防偏擺裝置，對燃氣輪機側(cè)向進行限位，降低了其機匣應(yīng)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(diào)整頂絲，通過調(diào)整防偏擺定位座兩側(cè)的調(diào)整頂絲，使螺桿底部端面與導鍵的2個側(cè)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(shè)備的抗沖擊計算分析主要采用等效靜態(tài)分析方法（靜態(tài)G法）、譜分析（動力學設(shè)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(shè)計分析方法建立在模態(tài)分析和沖擊譜輸入的理論基礎(chǔ)上，利用模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)參與因子考慮各階模態(tài)在基礎(chǔ)激勵下對沖擊響應(yīng)的貢獻，可以考慮高階模態(tài)的影響。DDAM的最大優(yōu)勢是節(jié)約計算資源，雖然受到一定限制，但目前仍是艦船設(shè)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(yīng)主要采用該方法。

3.2 設(shè)計沖擊譜

DDAM是將設(shè)計沖擊譜作為設(shè)備基礎(chǔ)的沖擊輸入，設(shè)計沖擊譜隨艦船的類型、安裝位置及設(shè)備各階模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量的變化而變化。根據(jù)《GJB1060.1-91艦船環(huán)境條件要求機械環(huán)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(yīng)系數(shù)，得到各方向的沖擊譜設(shè)計值A(chǔ)a和Va。

艦船燃氣輪機安裝于水面艦船的船體部位，應(yīng)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(tài)所對應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量，t。

3.3 沖擊載荷加載方法

沖擊屬于瞬態(tài)動力學分析，按《GJB150.18軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法沖擊試驗》的規(guī)定，沖擊脈沖的波形為后峰鋸齒波，脈沖的持續(xù)時間為11 ms，如圖6所示。燃氣輪機支撐系統(tǒng)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(zhì)量法和慣性質(zhì)量法）將沖擊脈沖載荷施加到結(jié)構(gòu)上。通過對比計算分析發(fā)現(xiàn)，在ANSYS的瞬態(tài)動力學分析中，采用大質(zhì)量法和慣性質(zhì)量法所得到的計算結(jié)果完全相同，因此，在對艦船燃氣輪機進行沖擊響應(yīng)分析時可以根據(jù)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(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對某艦船燃氣輪機支撐系統(tǒng)進行了計算。受計算規(guī)模限制，利用8節(jié)點殼單元和3節(jié)點梁單元對該系統(tǒng)進行有限元建模，把燃氣輪機主機作為剛體，僅考慮其質(zhì)心位置，在該位置施加載荷，質(zhì)心與主安裝節(jié)、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(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(yīng)力及屈服安全系數(shù)

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(jīng)考核，輔助支撐的最大應(yīng)力為7.4 MPa，屈服安全系數(shù)為61，可見，輔助支撐滿足強度設(shè)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(jié)果如圖8所示。根據(jù)計算結(jié)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(yīng)力值為116 MPa，可滿足強度要求。

5 結(jié)束語

（1）對某型艦船燃氣輪機的支撐系統(tǒng)進行了設(shè)計分析，介紹了主、附支撐及防偏擺的設(shè)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(tǒng)進行了抗沖擊計算，結(jié)果表明可滿足強度要求。

[1]國防科學技術(shù)工業(yè)委員會.GJB730A-1997.艦船燃氣輪機通用規(guī)范[S].北京：船舶工業(yè)總公司，1997.

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

[3]國防科學技術(shù)工業(yè)委員會.GJB150.18-1986.軍用設(shè)備環(huán)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(shù)解析[J].現(xiàn)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.