舰船燃气轮机支撑系统结构设计及抗冲击计算分析

尹家录，王相平，赵祥敏，刘常青

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

燃气轮机通过支撑系统固定在基座上，其重力、振动等载荷直接通过支撑系统传至基座的承力构件上。支撑系统因燃气轮机的结构及使用要求的不同而各不相同[1-3]。

本文主要介绍了某舰船燃气轮机支撑系统的设计要求和结构设计思路，以及抗冲击计算方法和结果。

1 设计要求

（1）支撑固定应牢固、稳定、振动小，能承受各种可能的作用力，包括机组自身的作用力和舰船行驶时产生的惯性力或冲击力；

（2）支撑系统应尽量靠近轴承座，以保证燃气轮机转子的可靠固定和良好同轴度；

（3）燃气轮机支撑处的热膨胀应不受阻碍，如果不能满足其热膨胀要求，会导致燃气轮机与支撑之间的应力过大；

（4）应能满足燃气轮机工作时功率输出端与负载的同轴度要求和端面热膨胀位移量要求；

（5）满足抗冲击性能要求。中国舰船系统和设备的抗冲击性能研究和试验工作按《GJB730A舰船燃气轮机通用规范》要求进行，本设计中抗冲击指标取垂向 5g，轴向 4g，横向 4g。

2 结构设计

某舰船燃气轮机的支撑系统模型如图1所示。该支撑系统由主支撑、辅助支撑、防偏摆、主机底座和排气装置底座等部分组成。燃气轮机主机通过主支撑、辅助支撑、防偏摆，保证其合理地安装在底座上。

2.1 主支撑

某型舰船燃气轮机采用功率前输出结构，考虑到输出轴与负载的对中要求较高，本设计将主支撑（死点）设置在靠近功率输出端的进气机匣截面处，进气机匣为冷端，工作时的热膨胀量可忽略，消除了燃气轮机热膨胀对输出轴的影响。同时燃气轮机前轴承通过进气机匣承力，主支撑选在进气机匣上可以缩短转子的承力路线，有利于转子稳定工作。

燃气轮机与主支撑的联接方式采用球铰接，主支撑与底座之间采用螺栓联接的完全约束，如图2所示。

主支撑固定了燃气轮机的死点，因此需要承受其工作时的垂向力Fz、轴向力Fy和横向力Fx，对主支撑横截面的合理设计可以提高主支撑的抗扭能力。本设计中主支撑采用槽钢焊接而成，横截面为空心矩形。

2.2 辅助支撑

主支撑应限定燃气轮机的轴向位移，辅助支撑应允许燃气轮机有一定量的轴向位移，同时与主支撑共同作用，以保持燃气轮机中心线的稳定。

燃气轮机后轴承通过涡轮后机匣承力，因此将辅助支撑固定在涡轮后机匣的安装边上。而涡轮部件为热端部件，工作时会产生轴向膨胀和径向膨胀，辅助支撑除了需要一定的轴向自由度外，还应有一定的横向自由度。

辅助支撑位于燃气轮机涡轮后机匣两侧，支撑系统中辅助支撑板与底座之间采用球铰连接，辅助支撑板与燃气轮机之间同样采用球铰连接，如图3、4所示。

2.3 防偏摆装置

在辅助支撑固定截面正下方设置了防偏摆装置，对燃气轮机侧向进行限位，降低了其机匣应力，提高了其抗冲击能力，延长了其使用寿命。

防偏摆导键通过精密螺栓固定在燃气轮机涡轮后机匣的安装边上，防偏摆定位座通过精密螺栓固定在底座上。在定位座上增加了调整顶丝，通过调整防偏摆定位座两侧的调整顶丝，使螺杆底部端面与导键的2个侧面贴靠，如图5所示。

3 抗冲击计算分析

3.1 分析方法

目前舰船用设备的抗冲击计算分析主要采用等效静态分析方法（静态G法）、谱分析（动力学设计分析方法Dynamic Design Analysis Method，DDAM）和时域动力学分析等方法[4]。

动力学设计分析方法建立在模态分析和冲击谱输入的理论基础上，利用模态质量和模态参与因子考虑各阶模态在基础激励下对冲击响应的贡献，可以考虑高阶模态的影响。DDAM的最大优势是节约计算资源，虽然受到一定限制，但目前仍是舰船设备抗冲击分析的主要手段，因此，对舰船燃气轮机进行抗冲击分析应主要采用该方法。

3.2 设计冲击谱

DDAM是将设计冲击谱作为设备基础的冲击输入，设计冲击谱随舰船的类型、安装位置及设备各阶模态的模态质量的变化而变化。根据《GJB1060.1-91舰船环境条件要求机械环境》，可给出水面舰船不同安装位置的冲击加速度谱A0和冲击速度谱V0，将A0和V0乘以相应系数，得到各方向的冲击谱设计值Aa和Va。

舰船燃气轮机安装于水面舰船的船体部位，应使用如式（1）所示的冲击谱进行抗冲击分析

式中：A0为加速度，m/s2；V0为速度，m/s；ma为第 a阶模态所对应的模态质量，t。

3.3 冲击载荷加载方法

冲击属于瞬态动力学分析，按《GJB150.18军用设备环境试验方法冲击试验》的规定，冲击脉冲的波形为后峰锯齿波，脉冲的持续时间为11 ms，如图6所示。燃气轮机支撑系统实际承受的冲击载荷是3个方向的，加速度的峰值取100 m/s2。

目前有2种方法（大质量法和惯性质量法）将冲击脉冲载荷施加到结构上。通过对比计算分析发现，在ANSYS的瞬态动力学分析中，采用大质量法和惯性质量法所得到的计算结果完全相同，因此，在对舰船燃气轮机进行冲击响应分析时可以根据实际情况任选其中1种计算方法。

4 抗冲击能力计算

4.1 计算方法

利用大型有限元结构分析软件ANSYS对某舰船燃气轮机支撑系统进行了计算。受计算规模限制，利用8节点壳单元和3节点梁单元对该系统进行有限元建模，把燃气轮机主机作为刚体，仅考虑其质心位置，在该位置施加载荷，质心与主安装节、排气筒支承轴颈、排气筒定位块进行刚性约束。按抗冲击指标（垂向5g，轴向4g，横向4g）把加速度转化为惯性力，按表1中的4种工况对其进行静力分析计算。计算时对支撑系统底座的6个安装面加全约束。

表1 分析计算的4种工况

4.2 主支撑强度考核

主支撑作为燃气轮机支撑系统的“死点”，承受燃气轮机垂向5g、横向4g及轴向4g的载荷。对2个考核截面（如图7所示）评估主支撑的强度。截面1为没有加强筋的位置，截面2为包含加强筋的主支撑根部。计算结果见表2。从表中可见，主支撑满足强度要求。

表2 主支撑的最大应力及屈服安全系数

4.3 辅助支撑强度考核

辅助支撑仅承受燃气轮机的垂向5g载荷。在评估其抗冲击强度时，对其面积最小的截面进行校核。经考核，辅助支撑的最大应力为7.4 MPa，屈服安全系数为61，可见，辅助支撑满足强度设计要求。

4.4 防偏摆的强度计算

防偏摆仅承受横向4g载荷，其强度计算结果如图8所示。根据计算结果可知，防偏摆装置的薄弱部位在防偏摆定位座及固定它的铝合金底座上，最大应力值为116 MPa，可满足强度要求。

5 结束语

（1）对某型舰船燃气轮机的支撑系统进行了设计分析，介绍了主、附支撑及防偏摆的设计要点；

（2）介绍了舰船燃气轮机抗冲击理论计算方法，目前常用DDAM方法；

（3）对某型舰船燃气轮机支撑系统进行了抗冲击计算，结果表明可满足强度要求。

[1]国防科学技术工业委员会.GJB730A-1997.舰船燃气轮机通用规范[S].北京：船舶工业总公司，1997.

[2]尹家录，陈亮.国内外燃气轮机承力和安装系统设计初步研究 [C]//中国航空学会第六届轻型燃气轮机学术交流会论文集.沈阳：沈阳发动机设计研究所，2009.

[3]国防科学技术工业委员会.GJB150.18-1986.军用设备环境试验方法冲击试验[S].北京：科工委军标中心，1986.

[4]尤国英，黄飞.燃气轮机底架抗冲击非线性计算分析[J].热能动力工程,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.美国LM2500舰船燃气轮机技术解析[J].现代兵器，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.