摘要 某重型燃机的支撑与底座是非常复杂的构件，由多种零件组成，通过两个前支撑及两个浮动后支撑安装重型燃机。本文对该设备的材料选取、结构设计做了应有的阐述，并利用I-Deas程序对重型燃机支撑与底座进行建模，ANSYS程序对底座进行了网格划分及计算分析。
关键词 燃机支撑与底座 载荷 膨胀量
1 引言
某重型燃机底座是重要的承力件，通过前后支撑来联接燃机本体，承担燃机的静载和各种动载，因此支撑与底座的结构设计和强度计算至关重要。
本文是针对首台某重型燃机铸造对开机匣支撑与底座结构设计进行了介绍，并进行了强度分析计算。强度分析与计算运用了I-Deas程序对重型燃机支撑与底座进行建模，用有限元软件ANSYS程序对底座进行了网格划分及计算分析并进行后处理，对支撑与底座在安装状态、工作状态、地震状态、叶片飞失等状态采用二维轴对称法进行了强度及变形计算及分析，对机构设计及改进提供强度依据。
2 结构设计
2.1 结构设计输入：
燃机气缸总长（mm） 5841.5
燃机最大直径（mm） φ4147
两主支撑距气缸前端面距离（mm） 415
主支撑轴头轴线距水平对开面距离（mm） 360
两主支撑跨距（mm） 2420
燃机的主、辅支撑间距（mm） 4240.5
辅助支撑轴头端面距燃机中心线距离（mm） 1690
辅助支撑轴头轴线距水平对开面距离（mm） 550
辅助支撑轴头直径（mm） φ80
导键端面距燃机中心距离（mm） 1662.5
燃机总重（t） 83
2.2 结构介绍
2.2.1 H型钢的选取
首台整体机匣燃机重量为55t,，底座选用的型钢为H588×300×12×20（mm），材料为Q235，经厂内试车检验，强度可靠。本次重新设计是针对首台铸造对开机匣燃机，重量为83t，是整体机匣1.5倍。类比整体机匣底座初选H428×407×20×35（mm），材料仍为Q235，计算两种规格的型钢惯性矩和抗弯截面系数并取其比值后，发现各项性能均大于两种机匣燃机重量的比值1.509(83/55=1.509)。
2.2.2 辅助支撑结构及材料选取
辅助支撑在燃机的热端，要求材料在高温区有良好的性能。首台整体机匣辅助支撑的结构为轴向、径向弹性板结构，弹性板材料为TC6，由于安装预紧困难（轴向需要10mm预紧量），在类比了9E与9F机组支撑形式的情况下，采用了铰接的结构。材料初选为20CrMo。对比两种材料在420℃时的屈服强度和最大抗拉强度，可知铰接连杆材料的高温强度指标高于原弹性板。
2.2.3 主支撑结构及材料选取
首台主支撑采取的是与机匣安装边直接把合的扇形辐板结构，材料为20CrMo，对开机匣结构改变了主支撑的方式，为两个主支撑承力销（轴）承载的结构，主支撑最大承力工况为地震状态，为130t的轴向力、46t的垂向力和27t的侧向力，所以此次设计采用了三个方向长立板的结构。由于设计时在结构上考虑了一定的强度余量，前支撑材料选用16Mn。经对比两种材料的性能参数可知，对开机匣燃机主支撑材料的屈服强度为原整体机匣材料的53%，要求设计在结构上重点考虑增大强度。
3. 强度、变形量计算
3.1 材料数据
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3.2 计算方法及软件
利用I-Deas程序对重型燃机支撑与底座进行建模，用有限元软件ANSYS程序对底座进行了网格划分及计算分析并进行后处理。
3.2.1 计算模型
由于结构的对称性，取支撑与底座的一半建立有限元模型。
3.2.2 边界条件
约束重型燃机支撑底座与地脚螺栓联接底板底面上节点轴向及垂向的位移，并约束对称边界上节点的侧向位移。
3.2.3 载荷
重型燃机支撑与底座在安装及工作状态下的载荷与膨胀量要求:
前支撑在安装状态下的载荷：垂向力35690kg
前支撑在工作状态下的载荷：轴向力83000 kg，垂向力35690 kg
后支撑在安装状态下的载荷：垂向力47310 kg，轴向膨胀量-10mm
后支撑在工作状态下的载荷：垂向力47310 kg，轴向膨胀量7 mm，径向膨胀量6.5 mm
注：轴向力向后为正，垂向力向下为正，轴向膨胀量向后为正，径向向外膨胀为正。
4. 计算结果及分析
4.1 安装状态计算结果
4.1.1 安装状态应力计算结果
在安装状态下，重型燃机支撑与底座的最大应力为218MPa，位于后支撑上。
4.1.2 安装状态位移计算结果
在安装状态下，重型燃机支撑与底座的最大变形为10.775mm，位于后支撑上。
4.2 工作状态计算结果
4.2.1 工作状态下应力计算结果
在工作状态下，重型燃机支撑底座的最大应力为169 MPa，位于后支撑上。
4.2.2工作状态下位移计算结果
在工作状态下，重型燃机支撑底座的最大变形为8.365mm，位于后支撑上。
4.3 安装及工作状态应力分析
由应力计算结果可得重型燃机支撑与底座对应各基本状态下的安全系数计算结果，计算结果显示：安装状态下的后支撑屈服强度安全系数和工作状态下的底座屈服强度安全系数最小，分别为3.1和2.3。
可以看出，支撑底座各构件满足应力标准规定n0.2≥1.0和nb≥1.5的要求。
5. 支撑与底座承受非正常载荷
上述计算是针对基本工作状态进行的，燃机支撑底座的设计还应考虑地震、叶片飞失等极限载荷状态。根据乌克兰的有关资料介绍，燃机支撑底座按MSK7级地震设计，地震引起的过载系数垂向为0.3g，其中垂向载荷的43%由前支撑承受，57%由后支撑承受；轴向为0.57g，轴向载荷主要由前支撑承受；侧向为0.76g，侧向载荷主要由前支撑及定位器承受。另外，当一个涡轮动叶片断裂时，根据计算确定的动力放大系数为1.6，涡轮动叶片断裂产生的载荷为115200kg，水平方向的载荷由定位器承受，垂直方向的载荷由后支撑承受。
6. 非正常载荷下计算结果及分析
6.1 地震状态计算结果
6.1.1 地震状态下应力计算结果
地震状态下重型燃机支撑与底座的最大应力为226MPa，位于底座上。
6.1.2 地震状态下位移计算结果
在地震状态下，重型燃机支撑与底座的最大变形为8.37mm，位于后支撑上。
6.2 叶片飞失状态计算结果及分析
叶片飞失时产生的水平方向载荷由定位器承受，垂直方向载荷由后支撑承受。承受水平方向载荷时最大应力为264MPa，位于定位器处；承受垂直方向载荷时最大应力为169MPa，位于后支撑处。变形与工作状态下相当。
7. 失稳分析
由于后支撑是薄壁件，承受较大垂向压力载荷，需对其进行失稳分析。分析结果显示该结构的后支撑最大可承受1560kN压力才会失稳，所以该结构可以使用。
8. 结论
经过以上验算结果分析，本对开机匣燃机底座与支撑构件能满足强度要求。
参考文献
［1］《某重型燃机成套设系统计任务书》
［2］成大先主编《机械设计手册》化学工业出版社 2008年4月
［3］《燃气轮机原理、结构与应用》黎明公司科学出版社2002年
［4］《钢结构设计规范》GB50017-2003
［5］《钢结构施工验收规范》GB50205-2001