唐敏

摘 要：近年來，我國大型燃氣輪機迅速發(fā)展，9F級燃氣輪機在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，然而大型燃氣輪機作為重要的動力設(shè)備基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計在我國仍處于初期階段，阻礙了我國燃氣輪機事業(yè)的發(fā)展。本文將簡要分析大型燃氣輪機的發(fā)展情況，并研究大型燃氣輪機的制造技術(shù)，探索其在動力、諧響應(yīng)、振動、支撐機座熱對中性方面的特性。

關(guān)鍵詞：大型燃氣輪機;技術(shù)特性;動力分析

0 引言

大型燃氣輪機是典型的高端工業(yè)產(chǎn)品，是國家高端裝備制造能力的體現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)原理與先進航空發(fā)動機類似，也因此被譽為制造業(yè)“皇冠上的明珠”。大型燃氣輪機在發(fā)電廠、艦船動力上有著廣泛應(yīng)用。

1 大型燃氣輪機發(fā)展情況

燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室和燃氣透平這三大部件組成燃氣輪機循環(huán)，也被稱為簡單循環(huán)，大多數(shù)燃氣輪機均采用簡單循環(huán)，只有重型燃氣輪機使用聯(lián)合循環(huán)方案。由于歷史發(fā)展背景不同，燃氣輪機的技術(shù)發(fā)展道路也有所區(qū)別，有用航空發(fā)動機改型而成的工業(yè)或船用航改型燃氣輪機，也有遵循傳統(tǒng)蒸汽輪機理念發(fā)展起來，多用于機械驅(qū)動或大型電站的工業(yè)燃氣輪機。大型燃氣輪機作為21世紀先進的動力機械設(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)等條件的進步，大型燃氣輪機正朝著適用范圍更廣的方向發(fā)展，許多發(fā)達國家的燃氣輪機及燃氣輪機配套設(shè)備已經(jīng)占據(jù)市場的較大份額。而我國燃氣輪機技術(shù)和制造起步較晚，伴隨著我國社會的全面發(fā)展，市場對燃氣輪機的需求量不斷提升，大力促進我國燃氣輪機事業(yè)的發(fā)展，具有高生產(chǎn)率、低資源消耗的大型燃氣輪機正被燃氣輪機產(chǎn)業(yè)所重視，將會為國家和社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

2 大型燃氣輪機的技術(shù)特性

2.1 特性概述

燃氣輪機在發(fā)電和艦船的舞臺上已經(jīng)存在了一段時間，在科學技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，大型動力設(shè)備的基礎(chǔ)特性分析能力得到了顯著提升，在進行大型燃氣輪機基礎(chǔ)特性分析時，不僅要考慮機器自身的振動影響，還要減少或消除環(huán)境中產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，以確保整個燃氣輪機的安全穩(wěn)定。以船用大型燃氣輪機為例，其與船用柴油機或汽輪機機組相比，能夠節(jié)省機艙面積，并且具有啟動快、維護簡單等優(yōu)勢，從而提高艦船的機動性，也無需過多運行人員?，F(xiàn)階段，船用燃氣輪機多采用箱型或塊狀結(jié)構(gòu)，將船用燃氣輪機的進氣系統(tǒng)、輔助設(shè)備連同機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、生物或化學污染，也有利于調(diào)換機組。由于箱型基礎(chǔ)在進行動力分析計算時其振動特性主要有由地基彈性變形或船體晃動所引起的，所以船體內(nèi)部穩(wěn)定情況對大型燃氣輪機動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)大型燃氣輪機的實際情況，或通過詳細計算采用等效簡化的方法對實際情況進行模擬，以此保障大型燃氣輪機的物理特性。

2.2 動力分析

對大型燃氣輪機動力分析的模擬可以分為兩種，一種是根據(jù)艦船實際情況對燃氣輪機及周圍環(huán)境進行建模;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)進行模擬。而對于燃氣輪機豎向動剛度和水平動剛度的計算可以依照《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和《燃氣輪機基礎(chǔ)設(shè)計導(dǎo)則》，并且大型燃氣輪機最終檢驗要符合《艦船燃氣輪機通過規(guī)范》的標準。先分析根據(jù)實際情況有現(xiàn)場試驗的計算，通過對燃氣輪機預(yù)制樁基和打入式樁基的豎向與豎向剛度計算，可以計算出燃氣輪機周圍環(huán)境的抗壓剛度，得出燃氣輪機樁基抗剪剛度需要為艦船環(huán)境抗剪剛度的1.4倍才不會受到周圍環(huán)境的影響。而根據(jù)《燃氣輪機基礎(chǔ)設(shè)計導(dǎo)則》提供的計算方法得出的數(shù)據(jù)，其中豎向剛度更小，而水平剛度更大，不過計算結(jié)果基本一致，不會對后續(xù)諧響應(yīng)或振動分析產(chǎn)生影響。再進行模擬相關(guān)參數(shù)的動力分析，模擬分析主要跟燃氣輪機的固有結(jié)構(gòu)有關(guān)，計算結(jié)果更便于反映出燃氣輪機的自身結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和條件，也是其他動力分析和諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。利用計算機輔助工程軟件（CAE）和計算機輔助設(shè)計（CAD）對大型燃氣輪機進行有限元分析，其結(jié)果與實際計算差別較小，主要是因為燃氣輪機動力的非線性特征單元在計算過程中將被忽略。

2.3 諧響應(yīng)分析

從過往大型燃氣輪機運行經(jīng)驗可知，燃氣輪機結(jié)構(gòu)在長期載荷的作用下會產(chǎn)生周期響應(yīng)，而諧響應(yīng)分析就是研究燃氣輪機結(jié)構(gòu)在承受正弦荷載時的振動情況，從而確定大型燃氣輪機的線性移值是否符合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。一般情況下諧響應(yīng)分析是用來計算在周期荷載作用下燃氣輪機機構(gòu)的穩(wěn)態(tài)振動情況，以此預(yù)測結(jié)構(gòu)的動力性質(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，其只能計算穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，無法考慮瞬時振動變化，并且當多個外界荷載作用在燃氣輪機的機構(gòu)上時，諧響應(yīng)分析難以得出準確的變化頻率，需要在后期處理中對多個周期荷載進行疊加，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結(jié)構(gòu)的影響，允許燃氣輪機結(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。只是完全法不能預(yù)測結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。其次是縮減法，優(yōu)點是自由度較高，通過初始的完整結(jié)構(gòu)便能進行簡化模型計算，也能夠考慮到結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力，這也帶來其計算結(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 振動分析

振動分析的主要內(nèi)容是隔振技術(shù)特點。目前隔振技術(shù)理論多是針對降低地震作用對建筑結(jié)構(gòu)影響，較少有涉及對工業(yè)動力設(shè)備隔振的研究。大型動力輪機的隔振本質(zhì)是降低機構(gòu)系統(tǒng)的自振頻率來減少干擾力對燃氣輪機的影響。指實際隔振分析中有兩類為，一種是減少旋轉(zhuǎn)設(shè)備對支撐結(jié)構(gòu)的有害振動，另一種是降低支撐結(jié)構(gòu)振動對精密設(shè)備的有害振動。針對第一種隔振體系，使大型燃氣輪機在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不平衡時產(chǎn)生一個相反的作用力，利用作用力和反作用力相互抵消的原理，使轉(zhuǎn)子振動荷載降低。而第二種情況多是由諧振運動所產(chǎn)生的相對位移，在這類情況中機器傳導(dǎo)的運動振幅要高于基礎(chǔ)運動振幅，需要額外添加輔助設(shè)備，幫助穩(wěn)定燃氣輪機結(jié)構(gòu)。簡單來說燃氣輪機在高速旋轉(zhuǎn)時對結(jié)構(gòu)的影響較小，但燃氣輪機必然會有開停機階段，在燃氣輪機下方安裝彈簧隔振裝置有利于降低諧振干擾力對燃氣輪機的影響。

2.5 支撐機座熱對中性分析

支撐機座熱對中性主要是燃氣通道和冷卻氣體通道換熱情況。其中燃氣通道的入口壓強較小，在燃氣與擴壓器支撐接觸位置上最小。當高溫燃氣在擴壓器中流過，溫度高，溫差大，總變形量集中在外套層上，熱變形量也會從內(nèi)向外逐漸增加，就會導(dǎo)致燃氣通道各處溫度分布不均勻，內(nèi)外套層的熱應(yīng)力分布自然也會不均勻，但是只有部分區(qū)域會出現(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，支撐板的變形將嚴重影響對中性能，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子效率及壽命的下降。此外，熱對中性優(yōu)劣的主要參考數(shù)據(jù)是中心位移數(shù)據(jù)，大型燃氣輪機主要使用的是切向支撐機構(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，變形隨機性最低，因此適合作為大型燃氣輪機的優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

隨著我國大型燃氣輪機的迅速發(fā)展，以及各行各業(yè)對燃氣輪機的需求，不能僅依靠引進國外燃氣輪機技術(shù)，需要建立我國自主的大型燃氣輪機制造技術(shù)。探究了燃氣輪機動力、諧響應(yīng)、振動隔振和支撐機座熱對中性幾方面的特性，分析了燃氣輪機基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)計方案，以此促進我國大型燃氣輪機事業(yè)的發(fā)展。