燃气轮机转子支承刚度计算研究.pdf

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1、第4l卷第1期2012年02月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGV01．41No．1Feb．2012DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2012．01．012燃气轮机转子支承刚度计算研究钟芳明，龚建政。贺星(海军工程大学船舶与动力学院，武汉430033)摘要：综合归纳燃气轮机转子的各种支承结构形式、特点，剖析结构参数对支承刚度的影响。针对燃气轮机转子在高转速下支承刚度获取难的问题，运用理论分析和经验公式相结合的方法，对某型燃气轮机转子支承进行刚度计算与误差分析。结果表明，对于弹性阻尼支承系统，刚度值在一定

2、精度范围内的初步计算可不考虑油膜刚度的影响。关键词：燃气轮机；转子-支承系统；等效刚度；弹性阻尼支承中图分类号：U664．13l；TK47文献标志码：A文章编号：1671-7953(2012)01-0041-04燃气轮机作为高速旋转机械，其转子动力特性对燃气轮机的安全性有重要影响⋯。支承的刚性对转子的动力特性有着至关重要的影响。现代燃气轮机转子大都采用“柔轴”设计，为避开转子的临界转速及减小轴承作用力，在支承结构中大都采用了弹性阻尼支承，见图1。l一油膜环：2-弹性支座；3r轴承；4一转轴；5·螺栓；6．机匣：7-鼠笼条；月一油膜轴颈表面图1

3、燃气轮机弹性支承的典型结构弹性支座用螺栓5固定在机匣6上，悬臂地支承转子。支承的弹性来自于具有较低刚性的鼠笼条7。在转子横向载荷作用下。弹性支座上的表面A挤压油膜，起到减振作用。在燃气轮机的初步设计阶段，对支承刚度进行近似计算，使其与转子动态特性参数匹配得当非常重要拉j。燃气轮机转子支承的刚度计算必须考虑支承各结构的刚度特性，主要包括机匣、弹性支承、油膜阻尼器收稿日期：2011—03—11修稿日期：2011—03—16第一作者简介：钟芳明(1986一)，男，硕士生。研究方向：舰船燃气动力装置E·mail：xueyoulOl8@sohu。COr

4、n及轴承。1支承系统各组件刚度1．1机匣燃气轮机机匣的支承刚度计算是一个静力学问题，可以用解析法、能量法或者有限元法求得数值解。通常由于发动机的转子支承系统结构和传力路线等很复杂，涉及的零件多，而有限元法适合求解复杂结构及边界条件，所以机匣的支承刚度多选用有限元法进行计算分析。根据线刚度的计算公式可以方便地求出机匣的径向支承刚度。％=F／8(1)式中：％——机匣支承的刚度系数；卜施加在轴承外环的径向力：卜在F下响应的径向位移。对于有弹性支承的转子系统的支点，机匣的刚度一般要远大于弹性支承的刚度(1个量级以上)。因而在计算采用了弹性支承结构的支

5、承系统时，可将机匣考虑为刚性体。1．2弹性支承燃气轮机转子-支承系统通常都采用弹性支承，其刚度相对于转子的刚度较低，即所谓低刚性弹性支承。这样可以使得转子系统的临界转速降低到要求的数值而不削弱转子本身的刚性，且通过临界转速时，转子的振幅和通过轴承座的外传载荷很小。图2给出的是某转子不平衡响应的幅频特性。由图2可见，采用弹性支承后，低阶临界转速降低到发动机工作转速范围以下；而高阶临界转速则由原来刚性支承时的临界转速值提高到发动41第1期船海工程第4l卷机工作转速范嗣以上。同时，采用阻尼器时，临界转速时的响应峰值将大大减小，从而保证发动机转子平稳

6、地通过这些临界转速区。钡翠。图2转子不平衡响应的幅频特性目前，燃气轮机上采用的弹性支承结构多种多样，主要分为笼条式和环式两类。笼条式弹性支承与弹性环式支承相比，所占空间大，质量也大，但其支承结构简单，加工和装配也方便，生产和使用经验丰富，可靠性高。笼条式弹性支承包括鼠笼式和拉杆式。它们均可以分别加挤压油膜阻尼器或其它挠度限制器构成弹性阻尼支承。1．2．1鼠笼式弹性支承鼠笼式弹性支承的弹性由鼠笼条提供。由于笼条比较细长、柔软，轴承安装座及安装边与之相比，可以视为刚性同定端，见图3。L仁!I[=]亡===]E一材料弹性模量；6一笼条截面宽度；^一

7、笼条截面高度；f一笼条长度图3鼠笼弹性支承结构示意如果杆的数目较少，当不平衡力作用方向变化时，弹性支承的刚度瞬时可能是变化的，因而会显示出各向不均匀性。但当弹性杆数目较多时，这种各向异性就基本消失了。将笼条截面近似成矩形，得到刚度计算式【33K，：丁nEb2h2(2)式中：n——笼条数。应用此公式应考虑以下两点H1。1)由于公式推导中认为支承两端为绝对刚性，因此，只能用于计算低刚性的弹性支承。计算肋条数很多的高刚性支承，应采用有限元方法。422)肋条在靠近根部处必然存在圆角尺，因此，按上述公式计算的刚度值要比实际刚度值偏低，可利用实验结果获得

8、修正曲线。对计算的刚度值进行修正，可以使计算精度得到提高。为此，文献[5]基于鼠笼弹性支承实物，分别用近似公式(1)、有限元法进行了刚度计算，并且进行了刚度试验研究