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文檔簡介
1、 某重型燃機(jī)鑄造對開機(jī)匣支撐與底座 中國航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)有限公司,遼寧省沈陽市,110043摘要 某重型燃機(jī)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(jī)。本文對該設(shè)備的材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了應(yīng)有的闡述,并利用i-deas程序?qū)χ匦腿紮C(jī)支撐與底座進(jìn)行建模,ansys程序?qū)Φ鬃M(jìn)行了網(wǎng)格劃分及計(jì)算分析。關(guān)鍵詞 燃機(jī)支撐與底座 載荷 膨脹量1 引言某重型燃機(jī)底座是重要的承力件,通過前后支撐來聯(lián)接燃機(jī)本體,承擔(dān)燃機(jī)的靜載和各種動載,因此支撐與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算至關(guān)重要。本文是針對首臺某重型燃機(jī)鑄造對開機(jī)匣支撐與底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹,并進(jìn)行了強(qiáng)度分析計(jì)算。
2、強(qiáng)度分析與計(jì)算運(yùn)用了i-deas程序?qū)χ匦腿紮C(jī)支撐與底座進(jìn)行建模,用有限元軟件ansys程序?qū)Φ鬃M(jìn)行了網(wǎng)格劃分及計(jì)算分析并進(jìn)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(jìn)行了強(qiáng)度及變形計(jì)算及分析,對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供強(qiáng)度依據(jù)。2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入:燃機(jī)氣缸總長(mm) 5841.5燃機(jī)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(jī)的主、輔支撐間距(mm) 4240.5輔助支撐軸頭端面距燃機(jī)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(jī)中心距離(mm) 1662.5燃機(jī)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(jī)匣燃機(jī)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(yàn),強(qiáng)度可靠。本次重新設(shè)計(jì)是針對首臺鑄造對開機(jī)匣燃機(jī),重量為83t,是整體機(jī)匣1.5倍。類比整體機(jī)匣底座初選h4284072035(mm),材料仍為q235,計(jì)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(xiàng)性能均大于兩種機(jī)匣燃機(jī)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(jī)
4、的熱端,要求材料在高溫區(qū)有良好的性能。首臺整體機(jī)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(jī)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(qiáng)度和最大抗拉強(qiáng)度,可知鉸接連桿材料的高溫強(qiáng)度指標(biāo)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(jī)匣安裝邊直接把合的扇形輻板結(jié)構(gòu),材料為20crmo,對開機(jī)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(jì)采用了
5、三個方向長立板的結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)時在結(jié)構(gòu)上考慮了一定的強(qiáng)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(jī)匣燃機(jī)主支撐材料的屈服強(qiáng)度為原整體機(jī)匣材料的53%,要求設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上重點(diǎn)考慮增大強(qiáng)度。3. 強(qiáng)度、變形量計(jì)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(jì)算方法及軟件利用i-deas程序?qū)χ匦腿紮C(jī)支撐與底
6、座進(jìn)行建模,用有限元軟件ansys程序?qū)Φ鬃M(jìn)行了網(wǎng)格劃分及計(jì)算分析并進(jìn)行后處理。3.2.1 計(jì)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(jī)支撐底座與地腳螺栓聯(lián)接底板底面上節(jié)點(diǎn)軸向及垂向的位移,并約束對稱邊界上節(jié)點(diǎn)的側(cè)向位移。3.2.3 載荷重型燃機(jī)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(jì)算結(jié)果及分析4.1 安裝狀態(tài)計(jì)算結(jié)果4.1.1 安裝狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果在安裝狀態(tài)下,重型燃機(jī)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(jì)算結(jié)果在安裝狀態(tài)下,重型燃機(jī)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(jì)算結(jié)果4.2.1 工作狀態(tài)下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果在工作狀態(tài)下,重型燃機(jī)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(jì)算結(jié)果在工作狀態(tài)下,重型燃機(jī)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(jì)算結(jié)果可得重型燃機(jī)支撐與底座對應(yīng)各基本狀態(tài)下的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果,計(jì)算結(jié)果顯示:安裝狀態(tài)下的后支撐屈服強(qiáng)度安全系數(shù)和工作狀態(tài)下的底座屈服強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算是針對基本工作狀態(tài)進(jìn)行的,燃機(jī)支撐底座的設(shè)計(jì)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(jī)支撐底座按msk7級地震設(shè)計(jì),地震引起的過載系數(shù)垂向?yàn)?.3g,其中垂向載荷的43%由前支撐承受,57%由后支撐承受;軸向?yàn)?.57g,軸向載荷主要由前支撐承受;側(cè)向?yàn)?.76
9、g,側(cè)向載荷主要由前支撐及定位器承受。另外,當(dāng)一個渦輪動葉片斷裂時,根據(jù)計(jì)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(jì)算結(jié)果及分析6.1 地震狀態(tài)計(jì)算結(jié)果6.1.1 地震狀態(tài)下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果地震狀態(tài)下重型燃機(jī)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(jì)算結(jié)果在地震狀態(tài)下,重型燃機(jī)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(jì)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(dāng)。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(jìn)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(yàn)
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