基于SIMULINK的气垫船三轴燃气轮机的动态仿真.pdf

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1、第19卷　第3期《燃　气　轮　机　技　术》Vol119No.32006年9月GASTURBINETECHNOLOGYSept.,2006基于SIMULINK的气垫船三轴燃气轮机的动态仿真史霖鑫,臧述升(上海交通大学叶轮机械研究所,上海　200030)摘　要:以气垫船用三轴燃气轮机为仿真对象,建立高低压轴及动力输出轴的转动微分方程。采用以非稳态工况为小偏差线性化起点的方法进行微分方程的求解,每一步都是以前一步达到的非稳态工况为起始零点,不断变换所有微分方程中的偏微分系数。按照上述方法进行SIMULINK建模仿真,分析了在气垫船行使过程中,当变距螺旋桨螺距角变化时高低压轴和动力输出轴转速的响应情

2、况。关　键　词:三轴燃气轮机;气垫船;动态仿真中图分类号:TK472,O24211　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2889(2006)03-0037-03　　由于气垫船对动力装置的特殊要求,轻型燃气燃气轮机中容积惯性远小于转动惯性,所以在仿真过轮机应用于气垫船主动力装置伴随着气垫船的诞生程中可以忽略不计。轻型燃气轮机中一般也不设回而出现。早在上世纪60年代,英国第一代实用型全热装置以及间冷设备,所以热惯性也可以忽略不计。垫升气垫船SRN5就采用一台“地神”燃气轮机为主根据以上假设建立推进系统数学模型为:机。目前,国外较先进的气垫船尤其是全垫升气垫πdnLIL=MLT-MLC船几

3、乎都采用燃气轮机为主机。例如美国LCAC采30dt用四台TF-40B型燃气轮机作为主机;英国BH-7πIdnHH=MHT-MHC(1)30dt装有4台“海神”(Proteus)船用燃气轮机。πdnP直到上世纪80年代,我国还没有实用的船用燃IP=MPT-MP-MF30dt气轮机。1989年,我国首次在自行研制的31M大型其中:M为各个转子的扭矩;燃气发生器的高海上气垫船上采用国产409船用燃气轮机作为动力低压轴扭矩MHT、MHC、MLT和MLC由高低压轴转速装置主机,这是我国高性能船舶动力装置研究的一nH、nL及燃油量Wf决定,动力涡轮扭矩MPT决定于项重大突破。但是目前我国船用燃气轮机的研

4、究还转速nL,nH,nPT、nL及燃油量Wf;螺旋桨扭矩MP决处于起步阶段。本文借鉴了国内一些燃气轮机动态定于转速nP和螺矩角α;风扇扭矩MF决定于转速性能研究的方法,应用SIMULINK仿真软件进行气nF及风扇调矩角β。因此,各扭矩的状态方程为:垫船三轴燃气轮机推进系统的动态特性仿真,为进MLT=fLT(nL,nH,Wf);一步进行气垫船推进系统的控制以及气垫船本体的MLC=fLC(nL,nH,Wf);动态特性研究提供了一定的基础。MHT=fHT(nL,nH,Wf);1气垫船三轴燃气轮机推进系统数学MHC=fHC(nL,nH,Wf);(2)模型MPT=fPT(nL,nH,nPT,Wf);　

5、　图1是本文所研究的动力装置系统的物理模型。MP=fP(nP,α);动态问题多数都是研究惯性系统在外力和外力矩作MF=fF(nF,β)用下的运动。燃气轮机作为一个复杂的惯性系统,系根据本文所研究的动力系统的特点,作以下两统中有转动惯性、容积惯性和热惯性。由于船用轻型点假设:收稿日期:2006201209　改稿日期:2006-03-0238燃气轮机技术第19卷　nPT=iPnP=iFnF其中:iP、iF分别为螺旋桨和风扇与动力涡轮之间的传动比,所以螺旋桨转速和风扇转速可以折合到动力涡轮转速上。将式(2)代入式(1)并利用泰勒级数将式(2)在燃气轮机的稳态工况点展开并略去二阶以上偏导数项。利用上

6、面的假设条件和稳态点平衡方程,整理得到下面的偏微分方程表达式:图1　气垫船三轴燃气轮机推进系统结构简图πdnL9ML9ML(1)由于动力涡轮功率随转速变化不大,近似认IL=()0ΔnH+()0ΔWf30dt9nH9Wf为动力涡轮功率不随动力涡轮转速变化;πdnH9MH9MHIH=()0ΔnL+()0ΔWf(3)(2)垫升风扇可转导叶变化幅度很小,近似认为30dt9nL9Wf风扇导叶不可调,即β=常数。πdnPT9MPT9MPTIPT=()0ΔnL+()0ΔnH令30dt9nL9WHML=MLT-MLC,9MPT9MP9MFMH=MHT-MHC+()0ΔWf-[()0+()0]ΔnPT9Wf9

7、nPT9nPT根据稳态点的平衡方程,在稳态有MLT0=9MPMLC0,MHT0=MHC0,MPT0=MP0+MF0,则有ML0=0,-(9α)0Δα(4)MH0=0,MPT0-(MP0+MF0)=0(代表稳态点参数)。根据上面的偏微分公式(3),在供油量Wf和空动力涡轮转速nPT与螺旋桨转速nP和风扇转速nF气螺旋桨螺距角α给定的情况下,三个转子的运行有如下关系:状态可完全由三根轴的转速nL,nH,nPT决定