某重型燃機鑄造對開機匣支撐與底座

1、 某重型燃機鑄造對開機匣支撐與底座 中國航發(fā)燃氣輪機有限公司，遼寧省沈陽市，110043摘要 某重型燃機的支撐與底座是非常復(fù)雜的構(gòu)件，由多種零件組成，通過兩個前支撐及兩個浮動后支撐安裝重型燃機。本文對該設(shè)備的材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計做了應(yīng)有的闡述，并利用i-deas程序?qū)χ匦腿紮C支撐與底座進行建模，ansys程序?qū)Φ鬃M行了網(wǎng)格劃分及計算分析。關(guān)鍵詞 燃機支撐與底座 載荷 膨脹量1 引言某重型燃機底座是重要的承力件，通過前后支撐來聯(lián)接燃機本體，承擔燃機的靜載和各種動載，因此支撐與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算至關(guān)重要。本文是針對首臺某重型燃機鑄造對開機匣支撐與底座結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了介紹，并進行了強度分析計算。

2、強度分析與計算運用了i-deas程序?qū)χ匦腿紮C支撐與底座進行建模，用有限元軟件ansys程序?qū)Φ鬃M行了網(wǎng)格劃分及計算分析并進行后處理，對支撐與底座在安裝狀態(tài)、工作狀態(tài)、地震狀態(tài)、葉片飛失等狀態(tài)采用二維軸對稱法進行了強度及變形計算及分析，對機構(gòu)設(shè)計及改進提供強度依據(jù)。2 結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計輸入：燃機氣缸總長（mm） 5841.5燃機最大直徑（mm） 4147兩主支撐距氣缸前端面距離（mm） 415主支撐軸頭軸線距水平對開面距離（mm） 360兩主支撐跨距（mm） 2420燃機的主、輔支撐間距（mm） 4240.5輔助支撐軸頭端面距燃機中心線距離（mm） 1690輔助支撐軸頭軸線距水平對開

3、面距離（mm） 550輔助支撐軸頭直徑（mm） 80導(dǎo)鍵端面距燃機中心距離（mm） 1662.5燃機總重（t） 832.2 結(jié)構(gòu)介紹2.2.1 h型鋼的選取首臺整體機匣燃機重量為55t,，底座選用的型鋼為h5883001220（mm），材料為q235，經(jīng)廠內(nèi)試車檢驗，強度可靠。本次重新設(shè)計是針對首臺鑄造對開機匣燃機，重量為83t，是整體機匣1.5倍。類比整體機匣底座初選h4284072035（mm），材料仍為q235，計算兩種規(guī)格的型鋼慣性矩和抗彎截面系數(shù)并取其比值后，發(fā)現(xiàn)各項性能均大于兩種機匣燃機重量的比值1.509(83/55=1.509)。2.2.2 輔助支撐結(jié)構(gòu)及材料選取輔助支撐在燃機

4、的熱端，要求材料在高溫區(qū)有良好的性能。首臺整體機匣輔助支撐的結(jié)構(gòu)為軸向、徑向彈性板結(jié)構(gòu)，彈性板材料為tc6，由于安裝預(yù)緊困難（軸向需要10mm預(yù)緊量），在類比了9e與9f機組支撐形式的情況下，采用了鉸接的結(jié)構(gòu)。材料初選為20crmo。對比兩種材料在420時的屈服強度和最大抗拉強度，可知鉸接連桿材料的高溫強度指標高于原彈性板。2.2.3 主支撐結(jié)構(gòu)及材料選取首臺主支撐采取的是與機匣安裝邊直接把合的扇形輻板結(jié)構(gòu)，材料為20crmo，對開機匣結(jié)構(gòu)改變了主支撐的方式，為兩個主支撐承力銷（軸）承載的結(jié)構(gòu)，主支撐最大承力工況為地震狀態(tài)，為130t的軸向力、46t的垂向力和27t的側(cè)向力，所以此次設(shè)計采用了

5、三個方向長立板的結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計時在結(jié)構(gòu)上考慮了一定的強度余量，前支撐材料選用16mn。經(jīng)對比兩種材料的性能參數(shù)可知，對開機匣燃機主支撐材料的屈服強度為原整體機匣材料的53%，要求設(shè)計在結(jié)構(gòu)上重點考慮增大強度。3. 強度、變形量計算3.1 材料數(shù)據(jù)表4構(gòu)件名稱材料e（gpa）g(gpa)0.2(mpa)b(mpa)底座q235常溫21282.83034544201840.3263395后支撐/定位器20crmo常溫21082.26858854201820.3595769前支撐16mn常溫213361586420183311.6505.83.2 計算方法及軟件利用i-deas程序?qū)χ匦腿紮C支撐與底

6、座進行建模，用有限元軟件ansys程序?qū)Φ鬃M行了網(wǎng)格劃分及計算分析并進行后處理。3.2.1 計算模型由于結(jié)構(gòu)的對稱性，取支撐與底座的一半建立有限元模型。3.2.2 邊界條件約束重型燃機支撐底座與地腳螺栓聯(lián)接底板底面上節(jié)點軸向及垂向的位移，并約束對稱邊界上節(jié)點的側(cè)向位移。3.2.3 載荷重型燃機支撐與底座在安裝及工作狀態(tài)下的載荷與膨脹量要求:前支撐在安裝狀態(tài)下的載荷：垂向力35690kg前支撐在工作狀態(tài)下的載荷：軸向力83000 kg，垂向力35690 kg后支撐在安裝狀態(tài)下的載荷：垂向力47310 kg，軸向膨脹量-10mm后支撐在工作狀態(tài)下的載荷：垂向力47310 kg，軸向膨脹量7 mm

7、，徑向膨脹量6.5 mm注：軸向力向后為正，垂向力向下為正，軸向膨脹量向后為正，徑向向外膨脹為正。4. 計算結(jié)果及分析4.1 安裝狀態(tài)計算結(jié)果4.1.1 安裝狀態(tài)應(yīng)力計算結(jié)果在安裝狀態(tài)下，重型燃機支撐與底座的最大應(yīng)力為218mpa，位于后支撐上。4.1.2 安裝狀態(tài)位移計算結(jié)果在安裝狀態(tài)下，重型燃機支撐與底座的最大變形為10.775mm，位于后支撐上。4.2 工作狀態(tài)計算結(jié)果4.2.1 工作狀態(tài)下應(yīng)力計算結(jié)果在工作狀態(tài)下，重型燃機支撐底座的最大應(yīng)力為169 mpa，位于后支撐上。4.2.2工作狀態(tài)下位移計算結(jié)果在工作狀態(tài)下，重型燃機支撐底座的最大變形為8.365mm，位于后支撐上。4.3 安裝

8、及工作狀態(tài)應(yīng)力分析由應(yīng)力計算結(jié)果可得重型燃機支撐與底座對應(yīng)各基本狀態(tài)下的安全系數(shù)計算結(jié)果，計算結(jié)果顯示：安裝狀態(tài)下的后支撐屈服強度安全系數(shù)和工作狀態(tài)下的底座屈服強度安全系數(shù)最小，分別為3.1和2.3?？梢钥闯觯蔚鬃鳂?gòu)件滿足應(yīng)力標準規(guī)定n0.21.0和nb1.5的要求。5. 支撐與底座承受非正常載荷上述計算是針對基本工作狀態(tài)進行的，燃機支撐底座的設(shè)計還應(yīng)考慮地震、葉片飛失等極限載荷狀態(tài)。根據(jù)烏克蘭的有關(guān)資料介紹，燃機支撐底座按msk7級地震設(shè)計，地震引起的過載系數(shù)垂向為0.3g，其中垂向載荷的43%由前支撐承受，57%由后支撐承受；軸向為0.57g，軸向載荷主要由前支撐承受；側(cè)向為0.76

9、g，側(cè)向載荷主要由前支撐及定位器承受。另外，當一個渦輪動葉片斷裂時，根據(jù)計算確定的動力放大系數(shù)為1.6，渦輪動葉片斷裂產(chǎn)生的載荷為115200kg，水平方向的載荷由定位器承受，垂直方向的載荷由后支撐承受。6. 非正常載荷下計算結(jié)果及分析6.1 地震狀態(tài)計算結(jié)果6.1.1 地震狀態(tài)下應(yīng)力計算結(jié)果地震狀態(tài)下重型燃機支撐與底座的最大應(yīng)力為226mpa，位于底座上。6.1.2 地震狀態(tài)下位移計算結(jié)果在地震狀態(tài)下，重型燃機支撐與底座的最大變形為8.37mm，位于后支撐上。6.2 葉片飛失狀態(tài)計算結(jié)果及分析葉片飛失時產(chǎn)生的水平方向載荷由定位器承受，垂直方向載荷由后支撐承受。承受水平方向載荷時最大應(yīng)力為264mpa，位于定位器處；承受垂直方向載荷時最大應(yīng)力為169mpa，位于后支撐處。變形與工作狀態(tài)下相當。7. 失穩(wěn)分析由于后支撐是薄壁件，承受較大垂向壓力載荷，需對其進行失穩(wěn)分析。分析結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的后支撐最大可承受1560kn壓力才會失穩(wěn)，所以該結(jié)構(gòu)可以使用。8. 結(jié)論經(jīng)過以上驗