2005 船用燃气轮机建模技术研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com46卷第4期(总第171期)中国造船Vo1．46No．4(SerialNo．171)2005年12月SH[PBUILDINGOFCHINADec．2005文章编号：1000—4882(2005)04—0031—06船用燃气轮机建模技术研究黄向华，张天宏，丁毅(南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016)摘要建立燃气轮机数学模型是船舶动力及其控制系统研制的重要手段，建模的关键在于提高精度和收敛速度。为解决缺少部件实验特性数据的问题，本文基于相似理论提出了运用转速相似、流量相似和几何相似参数，对已知机组特

2、性数据进行变换，从而获得具有相似关系的待建模机组的特性数据。考虑到两个机组的非绝对相似性，对特性数据进行修正，以提高建模精度。采用传统N—R法与有限域搜索法相结合的方法有效地提高了收敛速度。上述方法业已成功地应用于某型三轴燃气轮机的建模中。关键词：船舶、舰船工程；船舶动力；燃气轮机；数学模型；相似理论；部件特性中图分类号：V231；U664．131文献标识码：A1引言现代船舶的发展对动力装置的要求越来越高，燃气涡轮发动机已被广泛用作船舶动力装置。在燃气轮机控制器的研制过程中，特别是当燃气轮机和控制器的研制同步进行时，建立一个高精度的、并能实时运行的燃气轮机数

3、学模型对其控制器的研制非常重要。采用模型代替真实燃气轮机进行数字仿真或半物理仿真试验，可减少试车次数，节约试验经费，在风险性试车及故障复现中将危险减至最小程度。由于燃气轮机是强非线性、时变、复杂的气动热力学系统，加上缺少足够精确的部件特性数据，使得所建数学模型的精度仍不尽如人意；另外模型往往：不能保证在所研究的工况内都收敛，因此燃气轮机建模的关键在于提高模型的精度及收敛性。常用的建模方法有机理分析法和辨识建模法。本文采用机理分析法建立燃气轮机的非线性实时数学模型。机理分析法也称为部件法，其建模精度依赖于部件特性数据的准确性。获取部件特性数据的方法有两种：一是

4、试验法，二是理论计算法。当燃气轮机本身还在研制中时，既没有试验条件，也没有足够的计算数据，需要考虑用其它方法获取部件特性数据。本文提出了用相似变换法来获取部件特性数据的方法。若待建模的燃气轮机与某已知特性数据的燃气轮机相似，则可通过相似变换获得待建模的特性数据，并在此基础上建立该燃气轮机的稳态模型和动态模型。2燃气轮机的非线性部件级模型根据燃气轮机工作的物理过程的机理及气动热力学关系，燃气轮机的非线性部件级建模步骤是：首先，沿流程建立一系列反映各部件共同工作关系的气动热力学和转子动力学平衡(流量连续、功率平衡等)方程；然后对这些非线性方程进行求解q。图1给出

5、了某型船用燃气轮机各部件及相关截面的示意图。收稿El期：2004—04—20；修改稿收稿日期：2004—07—27基金项目：航空科学基金资助项目(01C52015)维普资讯http://www.cqvip.com中国造船学术论文图1某型船用燃气轮机各部件及相关截面不意图稳态模型的每一个计算点都必需满足功率平衡和流量连续，但在稳态计算中不考虑容积动力学效应。由于部件间容腔进出VI截面的状态参数是相等的，因此该容腔后的部件方程就利用容腔的状态参数(即上一部件的出VI参数)作为输入量进行计算。本文采用如下所述的5个稳态平衡方程：(1)低压转子功率平衡：N一Nc／r

6、h．c；(2)高压转子功率平衡：N胛一N／7M；(3)动力转子功率平衡：N—No一。／7L0。；(4)低压压气机出口与高压压气机进口流量连续：qLOCU—q,~／Cl；(5)燃烧室出口与高压涡轮进口流量连续：qB—qll"。上述诸式中，Ⅳ为功率，7为效率，q为质量流量，下标丁、LC、H丁、HC、P丁和LOAD分别代表低压涡轮、低压压气机、高压涡轮、高压压气机、动力涡轮和负载。qLca：为低压压气机出口截面流量，qnc为根据高压压气机特性换算得到的进口流量。qBOU为燃烧室出口截面流量，9，"为根据高压涡轮特性换算得到的进口流量。在燃气轮机动态计算过程中，各部

7、件容腔内气体参数随时间变化将引起气体质量和能量的存储和释放[4]，因此在燃气轮机动态计算时应加以考虑。具体修正方法参见文献E53。功率平衡为一种动平衡，涡轮除了提供压气机消耗功率外，还提供转子加速、减速所需的功率。功率动平衡方程为(1)低压转子功率动平衡：N—N／+(n-／30)J，，；(2)高压转子功率动平衡：NH一ⅣM／H+(a'／30)Jn；(3)动力转子功率动平衡：N—N。。／'7。。+(a'／30)Jp1"／pp。上述诸式中，、和分别为低压转子、高压转子和动力转子的转动惯量，1"／、1"／和1"／分别为低压轴、高压轴和动力轴的转速。3特性数据的求解

8、几何相同的燃气轮机只要能保持转速相似参数／√丁及流量