艦船燃?xì)廨啓C(jī)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(jī)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?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的可靠固定和良好同軸度；

（3）燃?xì)廨啓C(jī)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(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)與支撐之間的應(yīng)力過大；

（4）應(yīng)能滿足燃?xì)廨啓C(jī)工作時功率輸出端與負(fù)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?xì)廨啓C(jī)通用規(guī)范》要求進(jìn)行，本設(shè)計中抗沖擊指標(biāo)取垂向 5g，軸向 4g，橫向 4g。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

某艦船燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)底座和排氣裝置底座等部分組成。燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)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?xì)廨啓C(jī)采用功率前輸出結(jié)構(gòu)，考慮到輸出軸與負(fù)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(jìn)氣機(jī)匣截面處，進(jìn)氣機(jī)匣為冷端，工作時的熱膨脹量可忽略，消除了燃?xì)廨啓C(jī)熱膨脹對輸出軸的影響。同時燃?xì)廨啓C(jī)前軸承通過進(jìn)氣機(jī)匣承力，主支撐選在進(jìn)氣機(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)的軸向位移，輔助支撐應(yīng)允許燃?xì)廨啓C(jī)有一定量的軸向位移，同時與主支撐共同作用，以保持燃?xì)廨啓C(jī)中心線的穩(wěn)定。

燃?xì)廨啓C(jī)后軸承通過渦輪后機(jī)匣承力，因此將輔助支撐固定在渦輪后機(jī)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?xì)廨啓C(jī)渦輪后機(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)側(cè)向進(jìn)行限位，降低了其機(jī)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(dǎo)鍵通過精密螺栓固定在燃?xì)廨啓C(jī)渦輪后機(jī)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(dǎo)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(xué)設(shè)計分析方法Dynamic Design Analysis Method，DDAM）和時域動力學(xué)分析等方法[4]。

動力學(xué)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(xiàn)，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?xì)廨啓C(jī)進(jìn)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(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(jìn)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(xué)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?xì)廨啓C(jī)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(xué)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?xì)廨啓C(jī)進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)支撐系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行有限元建模，把燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)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(jìn)行剛性約束。按抗沖擊指標(biāo)（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(jìn)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(qiáng)度考核

主支撐作為燃?xì)廨啓C(jī)支撐系統(tǒng)的“死點”，承受燃?xì)廨啓C(jī)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(qiáng)度。截面1為沒有加強(qiáng)筋的位置，截面2為包含加強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度考核

輔助支撐僅承受燃?xì)廨啓C(jī)的垂向5g載荷。在評估其抗沖擊強(qiáng)度時，對其面積最小的截面進(jìn)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(qiáng)度設(shè)計要求。

4.4 防偏擺的強(qiáng)度計算

防偏擺僅承受橫向4g載荷，其強(qiáng)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(qiáng)度要求。

5 結(jié)束語

（1）對某型艦船燃?xì)廨啓C(jī)的支撐系統(tǒng)進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)抗沖擊理論計算方法，目前常用DDAM方法；

（3）對某型艦船燃?xì)廨啓C(jī)支撐系統(tǒng)進(jìn)行了抗沖擊計算，結(jié)果表明可滿足強(qiáng)度要求。

[1]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB730A-1997.艦船燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)承力和安裝系統(tǒng)設(shè)計初步研究 [C]//中國航空學(xué)會第六屆輕型燃?xì)廨啓C(jī)學(xué)術(shù)交流會論文集.沈陽：沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，2009.

[3]國防科學(xué)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(biāo)中心，1986.

[4]尤國英，黃飛.燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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.