大型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特性研究

唐敏

摘 要：近年來，我國(guó)大型燃?xì)廨啓C(jī)迅速發(fā)展，9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用，然而大型燃?xì)廨啓C(jī)作為重要的動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在我國(guó)仍處于初期階段，阻礙了我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)事業(yè)的發(fā)展。本文將簡(jiǎn)要分析大型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展情況，并研究大型燃?xì)廨啓C(jī)的制造技術(shù)，探索其在動(dòng)力、諧響應(yīng)、振動(dòng)、支撐機(jī)座熱對(duì)中性方面的特性。

關(guān)鍵詞：大型燃?xì)廨啓C(jī);技術(shù)特性;動(dòng)力分析

0 引言

大型燃?xì)廨啓C(jī)是典型的高端工業(yè)產(chǎn)品，是國(guó)家高端裝備制造能力的體現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)原理與先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)類似，也因此被譽(yù)為制造業(yè)“皇冠上的明珠”。大型燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電廠、艦船動(dòng)力上有著廣泛應(yīng)用。

1 大型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展情況

燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙竭@三大部件組成燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，也被稱為簡(jiǎn)單循環(huán)，大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡(jiǎn)單循環(huán)，只有重型燃?xì)廨啓C(jī)使用聯(lián)合循環(huán)方案。由于歷史發(fā)展背景不同，燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)發(fā)展道路也有所區(qū)別，有用航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型而成的工業(yè)或船用航改型燃?xì)廨啓C(jī)，也有遵循傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)理念發(fā)展起來，多用于機(jī)械驅(qū)動(dòng)或大型電站的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)。大型燃?xì)廨啓C(jī)作為21世紀(jì)先進(jìn)的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，集成了各種高新技術(shù)，隨著高溫材料、設(shè)備制造工藝及施工技術(shù)等條件的進(jìn)步，大型燃?xì)廨啓C(jī)正朝著適用范圍更廣的方向發(fā)展，許多發(fā)達(dá)國(guó)家的燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)配套設(shè)備已經(jīng)占據(jù)市場(chǎng)的較大份額。而我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和制造起步較晚，伴隨著我國(guó)社會(huì)的全面發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的需求量不斷提升，大力促進(jìn)我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)事業(yè)的發(fā)展，具有高生產(chǎn)率、低資源消耗的大型燃?xì)廨啓C(jī)正被燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)所重視，將會(huì)為國(guó)家和社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

2 大型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特性

2.1 特性概述

燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電和艦船的舞臺(tái)上已經(jīng)存在了一段時(shí)間，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，大型動(dòng)力設(shè)備的基礎(chǔ)特性分析能力得到了顯著提升，在進(jìn)行大型燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)特性分析時(shí)，不僅要考慮機(jī)器自身的振動(dòng)影響，還要減少或消除環(huán)境中產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，以確保整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定。以船用大型燃?xì)廨啓C(jī)為例，其與船用柴油機(jī)或汽輪機(jī)機(jī)組相比，能夠節(jié)省機(jī)艙面積，并且具有啟動(dòng)快、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，從而提高艦船的機(jī)動(dòng)性，也無需過多運(yùn)行人員。現(xiàn)階段，船用燃?xì)廨啓C(jī)多采用箱型或塊狀結(jié)構(gòu)，將船用燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)、輔助設(shè)備連同機(jī)底座一同置于箱裝體中。采用箱裝體的目的是為了隔音、隔熱，能夠避免核、生物或化學(xué)污染，也有利于調(diào)換機(jī)組。由于箱型基礎(chǔ)在進(jìn)行動(dòng)力分析計(jì)算時(shí)其振動(dòng)特性主要有由地基彈性變形或船體晃動(dòng)所引起的，所以船體內(nèi)部穩(wěn)定情況對(duì)大型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力分析及使用性能起著至關(guān)重要的影響。在正常特性分析中應(yīng)盡量再現(xiàn)大型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際情況，或通過詳細(xì)計(jì)算采用等效簡(jiǎn)化的方法對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬，以此保障大型燃?xì)廨啓C(jī)的物理特性。

2.2 動(dòng)力分析

對(duì)大型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力分析的模擬可以分為兩種，一種是根據(jù)艦船實(shí)際情況對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)及周圍環(huán)境進(jìn)行建模;另一種是根據(jù)相關(guān)參數(shù)，利用等效方法添加彈簧阻尼器系統(tǒng)進(jìn)行模擬。而對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)豎向動(dòng)剛度和水平動(dòng)剛度的計(jì)算可以依照《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，并且大型燃?xì)廨啓C(jī)最終檢驗(yàn)要符合《艦船燃?xì)廨啓C(jī)通過規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)。先分析根據(jù)實(shí)際情況有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的計(jì)算，通過對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)制樁基和打入式樁基的豎向與豎向剛度計(jì)算，可以計(jì)算出燃?xì)廨啓C(jī)周圍環(huán)境的抗壓剛度，得出燃?xì)廨啓C(jī)樁基抗剪剛度需要為艦船環(huán)境抗剪剛度的1.4倍才不會(huì)受到周圍環(huán)境的影響。而根據(jù)《燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》提供的計(jì)算方法得出的數(shù)據(jù)，其中豎向剛度更小，而水平剛度更大，不過計(jì)算結(jié)果基本一致，不會(huì)對(duì)后續(xù)諧響應(yīng)或振動(dòng)分析產(chǎn)生影響。再進(jìn)行模擬相關(guān)參數(shù)的動(dòng)力分析，模擬分析主要跟燃?xì)廨啓C(jī)的固有結(jié)構(gòu)有關(guān)，計(jì)算結(jié)果更便于反映出燃?xì)廨啓C(jī)的自身結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和條件，也是其他動(dòng)力分析和諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。利用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件（CAE）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）對(duì)大型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果與實(shí)際計(jì)算差別較小，主要是因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)動(dòng)力的非線性特征單元在計(jì)算過程中將被忽略。

2.3 諧響應(yīng)分析

從過往大型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生周期響應(yīng)，而諧響應(yīng)分析就是研究燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)在承受正弦荷載時(shí)的振動(dòng)情況，從而確定大型燃?xì)廨啓C(jī)的線性移值是否符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。一般情況下諧響應(yīng)分析是用來計(jì)算在周期荷載作用下燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)情況，以此預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性質(zhì)，避免疲勞、共振等不利因素的發(fā)生，不過諧響應(yīng)分析也有一定局限性，其只能計(jì)算穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，無法考慮瞬時(shí)振動(dòng)變化，并且當(dāng)多個(gè)外界荷載作用在燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)構(gòu)上時(shí)，諧響應(yīng)分析難以得出準(zhǔn)確的變化頻率，需要在后期處理中對(duì)多個(gè)周期荷載進(jìn)行疊加，才能得到結(jié)構(gòu)的總體響應(yīng)。

諧響應(yīng)分析有完全法、縮減法和模態(tài)疊加法三種。首先是完全法，此方法無須考慮振型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，允許燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)定義上的位移、壓力和溫度載荷，有分別處理應(yīng)力和位移的優(yōu)點(diǎn)。只是完全法不能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。其次是縮減法，優(yōu)點(diǎn)是自由度較高，通過初始的完整結(jié)構(gòu)便能進(jìn)行簡(jiǎn)化模型計(jì)算，也能夠考慮到結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力，這也帶來其計(jì)算結(jié)果不夠精確，無法施加壓力、穩(wěn)定等荷載。最后，模態(tài)疊加法是利用模態(tài)分析得出結(jié)構(gòu)的振型，在將結(jié)果與一定因子相乘求和，從而分析計(jì)算出結(jié)構(gòu)相應(yīng)，相比前兩種方法模態(tài)疊加法的分析速度更快，分析成本更低，已經(jīng)被廣泛用于諧響應(yīng)分析。

2.4 振動(dòng)分析

振動(dòng)分析的主要內(nèi)容是隔振技術(shù)特點(diǎn)。目前隔振技術(shù)理論多是針對(duì)降低地震作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響，較少有涉及對(duì)工業(yè)動(dòng)力設(shè)備隔振的研究。大型動(dòng)力輪機(jī)的隔振本質(zhì)是降低機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的自振頻率來減少干擾力對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響。指實(shí)際隔振分析中有兩類為，一種是減少旋轉(zhuǎn)設(shè)備對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的有害振動(dòng)，另一種是降低支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)精密設(shè)備的有害振動(dòng)。針對(duì)第一種隔振體系，使大型燃?xì)廨啓C(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不平衡時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相反的作用力，利用作用力和反作用力相互抵消的原理，使轉(zhuǎn)子振動(dòng)荷載降低。而第二種情況多是由諧振運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的相對(duì)位移，在這類情況中機(jī)器傳導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)振幅要高于基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)振幅，需要額外添加輔助設(shè)備，幫助穩(wěn)定燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單來說燃?xì)廨啓C(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，但燃?xì)廨啓C(jī)必然會(huì)有開停機(jī)階段，在燃?xì)廨啓C(jī)下方安裝彈簧隔振裝置有利于降低諧振干擾力對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響。

2.5 支撐機(jī)座熱對(duì)中性分析

支撐機(jī)座熱對(duì)中性主要是燃?xì)馔ǖ篮屠鋮s氣體通道換熱情況。其中燃?xì)馔ǖ赖娜肟趬簭?qiáng)較小，在燃?xì)馀c擴(kuò)壓器支撐接觸位置上最小。當(dāng)高溫燃?xì)庠跀U(kuò)壓器中流過，溫度高，溫差大，總變形量集中在外套層上，熱變形量也會(huì)從內(nèi)向外逐漸增加，就會(huì)導(dǎo)致燃?xì)馔ǖ栏魈帨囟确植疾痪鶆颍瑑?nèi)外套層的熱應(yīng)力分布自然也會(huì)不均勻，但是只有部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)高熱應(yīng)力，大部分區(qū)域熱應(yīng)力趨于穩(wěn)定，影響不大。而在冷卻氣體通道中，轉(zhuǎn)子會(huì)直接暴露在冷卻氣體中，受到熱變形影響較大，支撐板的變形將嚴(yán)重影響對(duì)中性能，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子效率及壽命的下降。此外，熱對(duì)中性優(yōu)劣的主要參考數(shù)據(jù)是中心位移數(shù)據(jù)，大型燃?xì)廨啓C(jī)主要使用的是切向支撐機(jī)構(gòu)其支撐變形及中心處位移參數(shù)值最小，與垂直、45度、60度支承結(jié)構(gòu)相比，變形隨機(jī)性最低，因此適合作為大型燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

隨著我國(guó)大型燃?xì)廨啓C(jī)的迅速發(fā)展，以及各行各業(yè)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的需求，不能僅依靠引進(jìn)國(guó)外燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，需要建立我國(guó)自主的大型燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)。探究了燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力、諧響應(yīng)、振動(dòng)隔振和支撐機(jī)座熱對(duì)中性幾方面的特性，分析了燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，以此促進(jìn)我國(guó)大型燃?xì)廨啓C(jī)事業(yè)的發(fā)展。