汽（气）缸稳定性计算程序GUI设计

周 勇，钱 勇

（东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000）

0 引言

在汽轮机（透平）机组设计和后期工程配合阶段，汽（气）缸的稳定性计算是一项非常重要的工作。合理的受力和力矩分布能使汽（气）缸受力更为均匀，以免在运行过程中产生扭曲甚至脱空的趋势，从而影响机组的密封性和动静间隙。

1 汽（气）缸受力分析

汽（气）缸所受的作用力主要有自重、摩擦力、汽（气）流反力矩、接口力及滑销系统支反力，下面分别进行说明[1]。

（1）自重：汽（气）缸、隔板、密封等静子重量，是影响汽（气）缸稳定性的主要因素。

（2）摩擦力：汽（气）缸受热膨胀或冷却收缩时，猫爪与轴承箱或基础台板支撑面处产生的力，其大小一般不会影响汽（气）缸稳定性。

（3）汽（气）流反力矩：汽（气）流推动转子做功时，作用于静子上的力矩，其方向与转子旋向相反，大小取决于功率和转速。

（4）接口力：管道在冷态和热态时，分别在汽（气）缸接口位置产生的力及力矩。其大小和方向不仅影响汽（气）缸稳定性，还影响汽（气）缸接口强度。

（5）滑销系统支反力：上述各种作用力的平衡力，通常由汽（气）缸猫爪、横向键和轴向键承担。

2 接口力及力矩

2.1 坐标系及前后左右的定义

+X：轴向（从汽轮机（透平）指向电机）

+Y：天地方向（向上为正）

+Z：横向（由+X与+Y按右手定则确定）

坐标原点：绝对死点（图1）

-Z为“左”，+Z为“右”

2.2 接口力及力矩（含汽（气）流反力矩）的合成

不失一般性，设汽（气）缸具有进汽（气）口、抽汽（气）口及排汽（气）口共N个管道接口，其中第i个接口坐标、接口力、接口力矩分别为（xi，yi，zi）、（fxi，fyi，fzi）、（mxi，myi，mzi）。用δFxi、δFyi、δFzi、δMxi、δMyi、δMzi分别表示第i个接口对所有管道接口作用在汽（气）缸上的合力及合力矩的贡献量，则：

对于汽（气）流反力矩，由于矩心位于X轴上，可以对式（1）右边做如下处理，即：

其中，P为汽轮机（透平）功率，n为转速，此时式（1）左边的δFxi、δFyi、δFzi、δMxi、δMyi、δMzi则转化为汽（气）流反力矩对汽（气）缸所受合力及合力矩的贡献量。δMxi由汽（气）缸前后支承共同承担，且承担的力矩与第i个接口至前后支承的距离成反比。用δMxiF、δMxiB分别表示前、后支承所承担的力矩，则：

其中L为汽（气）缸前后支承轴向跨距（图1）。

用Fx、Fy、Fz、MxF、MxB、My、Mz分别表示所有管道接口作用在汽（气）缸上的合力及合力矩，则：

2.3 接口合力及合力矩在支承处的分解

用（fyFL、fyFR、fyBL、fyBR）、（fzFL、fzFR、fzBL、fzBR）分别表示所有管道接口作用在汽（气）缸上的合力及合力矩在前、后、左、右4个支承处所引起的垂直分力及水平横向分力，则：

其中，WF、WB分别为汽（气）缸前、后支承横向跨距（图1）。

图1 坐标系示意

2.4 接口力及力矩的限制条件

过大的接口力及力矩可能会使汽（气）缸平移、转动或顶起，从而引起汽轮机（透平）中心偏移、破坏动静间隙、损坏密封等。管道接口作用在汽（气）缸上的力和力矩应能满足以下限制条件[2]。

（1）所有管道接口作用在汽（气）缸上的合力及合力矩在汽（气）缸各支承处引起的天地方向分力不应超过该支承处汽（气）缸自重分量的1/2。

（2）所有管道接口作用在汽（气）缸上的合力及合力矩在汽（气）缸各支承处引起的横向分力不应超过该支承处汽（气）缸自重分量的1/3。

（3）所有管道接口作用在汽（气）缸上的合力及合力矩在汽（气）缸各支承处引起的轴向合力不应超过汽（气）缸自重的1/6。

3 程序流程

根据上述计算方法，编制了汽（气）缸稳定性计算程序，程序流程见图2。

4 GUI设计

基于图2，在MATLAB环境下完成汽（气）缸稳定性计算程序图形GUI（Graphical User Interface，图形用户界面）设计（图3）。基本数据（汽（气）缸重量、重心坐标、支承跨距、功率、转速）通过界面对话框直接输入，汽（气）缸状态、机组旋向通过按钮选择，接口数据（坐标、力、力矩）通过Excel文件输入，计算结果既可以在界面直观显示，也可以通过Excel文件进行保存。

图2 程序流程

图3 图形用户界面（GUI）

5 算例

以300 kW船舶热能发电项目为例，该项目包含透平—电机—主压缩机一体机和透平—电机—再压缩机一体机两台一体式发电机组，每台机组具有透平进（出）口、压缩机进（出）口4个管道接口，根据设计院提供的接口力及力矩，利用该GUI计算机组气缸稳定性，计算结果见表1和表2。结果表明，两台机组接口力及力矩均满足上文所述限制条件，即两台机组气缸稳定性均合格。

表1 主压缩一体机接口力及力矩在各支承处的分力相对自重占比

表2 再压缩一体机接口力及力矩在各支承处的分力相对自重占比

6 结论

通过接口力及力矩的合成与分解来计算汽（气）缸稳定性是可行的，基于该方法编制的计算程序通用性好，GUI界面数据输入方便，计算精度满足工程需要。