CN114264481B - 一种双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统及试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统及试验装置，包括前支撑和后支撑，所述前、后支撑分别包括双饶性钛板，所述双饶性钛板上部和下部通过紧配螺栓和开槽螺母分别与具有转换安装方向的功能联接转接件和倒“T”型结构联接拱座进行联接，所述前、后支撑的双饶性钛板成90°互相垂直布置，将联接转接件固定到联接耳上，约束双挠性钛板；联接耳与模拟机匣进行联接，在使用的时候，冲击载荷通过隔离系统减振器、底架后由前、后外支撑传递给燃机本体机匣，由输出弹性轴将冲击载荷继续传递给后传动装置；本发明采用具有双向位移补偿能力的组合式弹性板元件吸收燃气轮机冲击载荷。

Description

一种双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统及试验装置

技术领域

本发明专利总体涉及抗冲击外部支撑系统及试验装置行业，具体涉及一种双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统及试验装置，用来实现燃气轮机装置支撑和抗冲击防护性能的试验评估。

背景技术

燃气轮机是舰船动力系统的心脏，在执行各种作战任务过程中，需要确保燃气轮机装置不受到爆炸冲击损坏。燃气轮机装置外部支撑作为燃气轮机装置本体隔离水下爆炸冲击载荷的主要抗冲功能系统，其性能与可靠性直接关系着舰船的持续作战能力、舰船自身的生存能力以及随航人员的安全。

燃气轮机装置外部支撑是指位于舰船燃气轮机装置底架与本体机匣结构之间，用于进一步隔离爆炸冲击同时具备支撑机组重量和补偿机组热变形的功能，由多个元件组合而成的系统。按我国GJB150A规定的爆炸冲击要求，燃气轮机装置的抗冲击能力等级属于A级设备，设备的性能在冲击前后应无显著变化，且不造成其它破坏。

燃气轮机外部支撑系统作为燃气轮机隔离冲击应力波主要功能系统，损坏会导致燃机安装姿态变化、机组减振抗冲击能力下降、转子输出轴轴心偏移、联轴器损坏等严重事故，使外部支撑系统性能与可靠性评估成为现代舰用燃气轮机设计与使用过程的必须环节。

燃气轮机外部支撑系统结构直接关系到机组在舰上使用安全性。舰船冲击输入经过燃气轮机隔离系统的有效隔离之后，传递到涡轮本体仍要承受几十g的冲击载荷。外部支撑系统结构组件中在保证支撑刚度、温度变形补偿的同时还要求良好的抗冲击性能。控制燃气轮机装置的弹性轴不对中变形，避免转子叶片碰磨。因此验证外支撑系的抗冲击特性试验，评估冲击安全性十分必要。针对此特点，充分考虑外支撑系统的边界条件及动力特性相似，进行具有双向位移补偿能力的组合式弹性板元件的燃气轮机抗冲击外部支撑系统及其试验装置发明设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有双向位移补偿能力的组合式弹性板元件的燃气轮机抗冲击外部支撑系统及试验装置，用来实现燃气轮机装置传递到燃机本体的冲击载荷传递及响应试验评估。

本发明的技术方案：

一种双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统，其特征在于，包括前支撑和后支撑，所述前、后支撑分别包括双饶性钛板，所述双饶性钛板上部和下部通过紧配螺栓和开槽螺母分别与具有转换安装方向的功能联接转接件和倒“T”型结构联接拱座进行联接，所述前、后支撑的双饶性钛板成90°互相垂直布置，将联接转接件固定到联接耳上，约束双挠性钛板；联接耳与模拟机匣进行联接，在使用的时候，冲击载荷通过隔离系统减振器、底架后由前、后外支撑传递给燃机本体机匣，由输出弹性轴将冲击载荷继续传递给后传动装置。

一种双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统的试验装置，其特征在于，该实验装置用于前、后支撑垂向冲击试验，包括导轨、冲击锤、第一试验工装、垂向外支撑冲击试验件、碰撞头、加速度传感器；所述垂向外支撑冲击试验件下端与碰撞头连接，上端与第一试验工装连接，所述第一试验工装与冲击锤连接，所述第一加速度传感器设置在冲击锤上，所述冲击锤在导轨上滑动，抬高大质量的冲击锤自由落体碰撞头产生瞬时的垂向冲击载荷，通过在冲击锤位置布置加速度传感器标定垂向冲击载荷环境。

一种双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统的试验装置，其特征在于，该实验装置用于前、后支撑横向/纵向冲击试验，包括冲击摆锤、砧台、限位结构、第二试验工装、螺旋弹簧、模拟机匣及负载、第二加速度传感器、应变片和横、纵向外支撑冲击试验件；一对横、纵向外支撑冲击试验件和一对螺旋弹簧四点支撑模拟机匣及负载，所述横、纵向外支撑冲击试验件的下面安装第二试验工装，所述第二试验工装安装在砧台上，通过抬高冲击摆锤撞击砧台由限位结构控制行程，提供横向/纵向冲击载荷，在砧台和负载上布置加速度传感器，测量燃气轮机外支撑系统冲击动态性能。

本发明专利具有以下优点及突出效果：

1、本发明采用具有双向位移补偿能力的组合式弹性板元件吸收燃气轮机冲击载荷；

2、本发明采用双板持板的结构形式，前、后支撑互相垂直预倾斜安装的设计，补偿热膨胀变形；

3、本发明采用导轨、螺旋弹簧等装置实现成对支撑的相似冲击特性试验，即保持了试验装置稳定性又大大降低了对试验台的负载能力要求。

附图说明

图1a-b为前、后支撑系统试验件结构示意图；

图2为前、后支撑系统安装位置示意图；

图3为前、后支撑系统垂向冲击试验装置示意图；

图4为前、后支撑系统横/纵向冲击试验装置示意图；

其中，1为第一双挠性钛板；2为第二双挠性钛板；3为第一联接拱座、4为第二联接拱座；5为第一开槽螺母、6为第二开槽螺母；7为第一紧配螺栓、8为第二紧配螺栓；9为第一联接转接件、10为第二联接转接件；11为第一联接耳、12为第二联接耳；13为第一模拟机匣、14为第二模拟机匣；15为隔离系统减振器；16为底架；17为燃机本体机匣；18为输出弹性轴；19为箱装体；20为导轨；21为碰撞头；22为垂向外支撑冲击试验件(外贴应变片)；23为第一试验工装；24为冲击锤；25为第一加速度传感器；26为横、纵向外支撑冲击试验件；27为螺旋弹簧；28为模拟机匣及负载；29为第二试验工装；30为冲击摆锤；31为限位结构；32为砧台；34为第二加速度传感器；35为应变片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统及试验装置作进一步的说明：

图1a-b是前、后支撑系统试验件结构示意图。结合图1a-b，本发明专利具有挠度缓冲能力并排平行布置的双挠性钛板的上部和下部通过紧配螺栓和开槽螺母分别与具有转换安装方向的功能联接转接件和倒“T”型结构联接拱座进行联接。前、后支撑钛板成90°互相垂直布置，相互协同补偿轴向热变形和周向热变形。

结合图1a-b，联接转接件，采用加强翼板、增加受力面积等结构，从双挠性钛板的小尺度过渡到联接耳侧的大尺度，给联接转接件提供足够的受力截面。将联接转接件通过止口与螺纹固定到联接耳上，约束双挠性钛板；

结合图1a-b和图2，联接耳通过螺栓或者焊接与模拟机匣.进行联接，对于螺栓联接的需要在机匣上设计做够厚度的双法兰环，对于螺栓联接的需要在机匣上保证足够的焊接长度。联接耳通过止口接口与联接转接件进行过盈装配定位，采用高强度的紧配螺栓进行联接；联接耳给整个燃机本体提够结构支撑，支撑机组重量及吸收传递冲击载荷，是燃气轮机支撑系统承受应力最大的薄弱位置。与联接耳相连的机匣部位也需要采用高强度的材料和结构设计，保证足够的强度。

结合图2，冲击载荷通过隔离系统减振器15、底架16后由前、后外支撑系统传递给燃机本体机匣17；由输出弹性轴18将冲击载荷继续传递给后传动装置；箱装体19质量作为隔离系统的负载，与外支撑系统负载无关。前、后外支撑系统，静态时倾斜安装，热态时补偿热变形，保持铅垂状态。

结合图3，前、后支撑垂向冲击试验装置中利用导轨20与滑槽内起到导向作用，解决了只有一对外支撑做垂向冲击试验时的稳定性；大质量的冲击锤24及负载模拟等效外支撑承担的机组总重量；冲击锤24及第一试验工装23的刚性设计降低了对外支撑系统的冲击动态特性影响。抬高大质量的冲击锤24自由落体碰撞头21产生瞬时的垂向冲击载荷，通过在冲击锤位置布置第一加速度传感器25标定垂向冲击载荷环境。外支撑系统采用预拉伸倾斜状态安装，等效了外支撑系统的实际安装状态，试验条件更加真实等效。

结合图4，前、后支撑横向/纵向冲击试验装置中利用一对横、纵向外支撑冲击试验件26和一对螺旋弹簧27结构四点支撑模拟机匣及负载28安装在砧台32上，保证了前后支撑单独进行试验，排除了相互冲击动态特性的耦合干扰；外支撑系统采用预拉伸倾斜状态安装；横、纵向外支撑冲击试验件26双挠性钛板通过垂直或平行冲击摆锤30方向安装，一种第二试验工装29可以进行前、后支撑横向/纵向两个方向的冲击试验；采用的螺旋弹簧27垂向刚度较大起到垂向支撑作用，水平向刚度较小，不影响外支撑系统横、纵向冲击性能。通过抬高冲击摆锤30撞击砧台32由限位结构31控制行程，提供横向/纵向冲击载荷，在砧台32和模拟机匣及负载28上布置第二加速度传感器34，测量燃气轮机外支撑系统冲击动态性能。

工作原理是：外部支撑系统承载了燃机本体的全部重量，在燃气轮机装置冲击载荷向燃机本体传递过程中，外部支撑系统通过一系列厚度的弹性板元件进行减振并吸收冲击载荷能量，影响垂向/横向/纵向的冲击加速度响应；采用双板的结构形式，固定夹持板，通过前、后支撑互相垂直的设计，前支撑向排气端内预倾斜安装在压气机机匣位置吸收燃气轮机机匣轴向热态变形、后支撑向轴线内侧倾斜预安装在动力涡轮机匣位置吸收径向热膨胀变形，保证支撑系统装置的挠度和刚度特性，具有较大弹性力，为燃气轮机本体支撑变形提供弹性－阻尼缓冲。控制燃机本体轴线位置及对中、避免转子叶片碰磨。对于联接底架和压气机机匣的前支撑和与之相垂直的联接底架和动力涡轮机匣的后支撑，为了考虑负载质量、冲击载荷、安装边界相似等效性，燃气轮机抗冲击外部支撑及其试验装置包括：联接底架接口的联接拱座；给前后支撑整个燃气轮机装置提供变形补偿的互相垂直的双挠性钛板，两块钛板强度高厚度较薄，挠度较大并且保持距离预留足够的变形空间；通过紧配螺栓和开槽螺母，将两块钛板在下部与联接拱座相连，在上部与联接转接件相连；联接转接件通过止口接口与联接耳进行过盈装配定位；联接耳通过螺栓与模拟机匣进行联接；通过上部模拟机匣接口与底部底架接口的位置偏移量，保证冷态时外支撑钛板处于预拉伸倾斜状态，热态时由于机匣的热膨胀变形，保证外支撑在机组热态工作时处于铅直状态，支撑机组重量及吸收传递冲击载荷；前、后支撑垂向冲击试验装置导轨与嵌到冲击锤的滑槽内起到导向作用的同时保证在只有一对外支撑做垂向冲击试验时沿垂直方向的稳定性；冲击锤及负载模拟等效外支撑承担的机组总重量，同时保证刚性足够强；碰撞头为实心金属球体，通过抬高大质量的冲击锤自由落体碰撞产生瞬时的垂向冲击载荷；前、后支撑横向/纵向冲击试验装置通过抬高摆锤碰撞砧台与限位结构产生横、纵向的冲击载荷；螺旋弹簧垂向刚度较大起到垂向支撑作用，水平向刚度较小，不影响外支撑系统横、纵向冲击性能，并能够保证仅一对外支撑试验件支持负载情况下平衡稳定。

所述双挠性钛板具有较大的挠度缓冲能力，钛板采用夹持式形式，钛板采用方形结构，厚度方向较薄，钛板上部和钛板下部夹持固定，下部与燃机底架协同运动，上部通过联接转接件和联接耳与燃气轮机压气机机匣和动力涡轮机匣结构相连。通过调整薄板的材料、厚度、偏移量调整双挠性钛板动力学特性。通过夹持的双挠性钛板螺栓联接结构设计，而不是传统的整体成型设计，联接件间具有一定的摩擦和滑动间隙，保证双向的缓冲隔离载荷，避免了在结构的应力集中。同时在轴向和周向提供足够的刚度，起到在径向缓冲，轴向和周向约束限位的作用。以此保证高温工作条件下双挠性钛板的结构强度和可靠性。双挠性钛板结构，通过逐步的弯曲变形产生足够的复合缓冲反力，使燃机本体在振动冲击双向变形下，满足加速度响应要求。

所述联接拱座采用倒“T”型结构，“T”型腹板通过开槽螺母以及紧配螺栓与双挠性钛板间隔相连，“T”型翼板包含对称的4个连接孔与底架接口采用螺纹联接。联接拱座下表面需要平面度要求，下部通过布置调整垫片，用来调整整机装配位置，补充装配间隙，保证双挠性钛板预拉伸的紧密配合；

所述联接转接件在下部通过开槽螺母以及紧配螺栓与双挠性钛板间隔相连，在上部联接转接件通过止口接口与联接耳进行过盈装配定位；联接转接件下部布置在双挠性钛板左右两侧，通过开槽螺母以及紧配螺栓起到紧固件端面与双挠性钛板之间的转接配合，夹持双挠性钛板。联接转接件上部通过设计，具有转换安装方向的功能，使得前、后支撑钛板成90°互相垂直布置，相互协同补偿轴向热变形和周向热变形。给整个燃机本体提够结构支撑，承受主要的结构强度载荷。联接耳给整个燃机本体提够结构支撑，与联接耳相连的机匣部位也需要采用高强度的材料和结构设计，保证足够的强度。

所述前、后支撑垂向冲击试验装置中试验件通过导轨与嵌到冲击锤的滑槽内起到导向作用的同时保证在只有一对外支撑做垂向冲击试验时沿垂直方向的稳定性；由于外支撑系统的额定支撑载荷大，需要大质量的冲击锤及负载模拟等效外支撑承担的机组总重量；外支撑系统采用预拉伸倾斜状态安装；为了不影响外支撑系统的冲击动态特性，的冲击锤及试验工装要求保证刚性足够强；碰撞头为实心金属球体，通过抬高大质量的冲击锤自由落体碰撞产生瞬时的垂向冲击载荷；通过在冲击锤位置布置加速度传感器标定垂向冲击载荷环境，通过将高频加速度传感器测量数据转化为冲击力和冲击位移，进而测量外支撑系统的冲击动态特性；通过在双挠性钛板、联接转接件、联接耳等应力响应大位置布置应变片，测量冲击应力。

所述前、后支撑横向/纵向冲击试验装置中负载由一对试验件支撑结构和一对螺旋弹簧结构四点支撑安装在砧台上，保证前后支撑单独进行试验，排除了相互冲击动态特性的耦合干扰；将通过抬高摆锤碰撞砧台与限位结构产生横、纵向的冲击载荷；试验件双挠性钛板通过垂直或平行冲击摆锤螺旋方向安装，来进行前、后支撑横向/纵向冲击试验；采用的螺旋弹簧垂向刚度较大起到垂向支撑作用，水平向刚度较小，不影响外支撑系统横、纵向冲击性能，并能够保证仅一对两点支撑试验件支持负载情况下平衡稳定；通过在砧台位置布置加速度传感器标定横向/纵向冲击载荷环境，在模拟负载位置布置加速度传感器测量外支撑系统的横向/纵向的冲击动态特性。

Claims (1)

1.一种双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统，其特征在于，包括前支撑和后支撑，所述前支撑和后支撑分别包括双挠性钛板，所述双挠性钛板上部和下部通过紧配螺栓和开槽螺母分别与具有转换安装方向的功能联接转接件和倒“T”型结构联接拱座进行联接，所述前支撑和后支撑的双挠性钛板成90°互相垂直布置，将联接转接件固定到联接耳上，约束双挠性钛板；联接耳与模拟机匣进行联接，在使用的时候，冲击载荷通过隔离系统减振器、底架后由前支撑和后支撑传递给燃机本体机匣，由输出弹性轴将冲击载荷继续传递给后传动装置；前支撑向排气端内预倾斜安装在压气机机匣位置吸收燃气轮机机匣轴向热态变形、后支撑向轴线内侧倾斜预安装在动力涡轮机匣位置吸收径向热膨胀变形；双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统的实验装置用于前支撑和后支撑垂向冲击试验，包括导轨、冲击锤、第一试验工装、垂向外支撑冲击试验件、碰撞头、第一加速度传感器；所述垂向外支撑冲击试验件下端与碰撞头连接，上端与第一试验工装接，所述第一试验工装与冲击锤连接，所述第一加速度传感器设置在冲击锤上，所述冲击锤在导轨上滑动，抬高大质量的冲击锤自由落体碰撞头产生瞬时的垂向冲击载荷，通过在冲击锤位置布置加速度传感器标定垂向冲击载荷环境；双向补偿的燃气轮机抗冲击外部支撑系统的实验装置用于前支撑和后支撑横向/纵向冲击试验，包括冲击摆锤、砧台、限位结构、第二试验工装、螺旋弹簧、模拟机匣及负载、第二加速度传感器、应变片和横、纵向外支撑冲击试验件；一对横、纵向外支撑冲击试验件和一对螺旋弹簧四点支撑模拟机匣及负载，所述横、纵向外支撑冲击试验件的下面安装第二试验工装，所述第二试验工装安装在砧台上，通过抬高冲击摆锤撞击砧台由限位结构控制行程，提供横向/纵向冲击载荷，在砧台和负载上布置加速度传感器，测量燃气轮机外支撑系统冲击动态性能。