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        某型艦用三軸燃?xì)廨啓C(jī)性能仿真研究

        2012-10-08 08:52:34劉小方司品順
        江蘇船舶 2012年3期
        關(guān)鍵詞:壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室

        劉小方,蔣 磊,司品順

        (1.中船重工集團(tuán)公司703研究所無錫分部,江蘇 無錫214151;2.江蘇科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003)

        燃?xì)廨啓C(jī)具有功率大、單位質(zhì)量輕、啟動和加載時(shí)間短、污染低等優(yōu)點(diǎn),越來越受到各國海軍的青睞。但是,燃?xì)廨啓C(jī)的工作特性具有高度非線性,其實(shí)際工作過程很難被掌握。通過建立燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的仿真模型解決了這一難題,對預(yù)測其實(shí)際工作特性,研究其在運(yùn)行中存在的問題具有重要意義。本文以某型艦用三軸燃?xì)廨啓C(jī)為研究對象,在分析機(jī)組結(jié)構(gòu)和特性的基礎(chǔ)上,選擇應(yīng)用MATLABSimulink軟件,利用模塊化建模的方法,建立三軸燃?xì)廨啓C(jī)各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。在仿真模型中,對部件特性曲線的處理是關(guān)鍵,直接影響整個(gè)燃機(jī)系統(tǒng)的仿真精度。本文基于最小二乘法,對壓氣機(jī)特性曲線做二步一元擬合,達(dá)到了較好的擬合精度。最后,連接各子系統(tǒng)模型組成三軸燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)仿真模型,并對其動態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

        1 燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型

        本文所研究的三軸燃?xì)廨啓C(jī)由低壓壓氣機(jī)(簡稱LC)、高壓壓氣機(jī)(簡稱HC)、燃燒室(簡稱FB)、高壓渦輪(簡稱HT)、低壓渦輪(簡稱LT)以及動力渦輪(簡稱PT)等部件組成。燃?xì)廨啓C(jī)動態(tài)性能主要決定于各種慣性,其中主要的兩種是容積慣性和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣性。容積包括低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)間的連接段容積V1、高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪間的連接段及燃燒室的純?nèi)莘eV2、高壓渦輪與低壓渦輪間的連接段容積V3以及低壓渦輪與動力渦輪間的連接段V4;轉(zhuǎn)子包括低壓渦輪與低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和動力渦輪與負(fù)載轉(zhuǎn)子。按照上述,該三軸燃?xì)廨啓C(jī)具體部件聯(lián)系示意圖,如圖1 所示。圖 1 中,P0、T0、NPT、n1、n2、n3分別為低壓壓氣機(jī)進(jìn)口壓力、低壓壓氣機(jī)進(jìn)口溫度、動力渦輪的輸出功率、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、動渦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

        由于低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)以及高壓渦輪、低壓渦輪和動力渦輪的工作原理和建模方法基本相似,只是其中參數(shù)設(shè)置和符號下標(biāo)表示等方面略有不同,故下文分別以建立低壓壓氣機(jī)和高壓渦輪的數(shù)學(xué)模型和仿真模型為例。

        1.1 壓氣機(jī)模塊

        式中:NC為壓氣機(jī)耗功,kJ/s;Gcin為壓氣機(jī)進(jìn)氣流量,kg/s;cpa為空氣定壓比熱容,kJ/(kg·K);Tcout為壓氣機(jī)出口溫度,K;Tcin為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度,K;pcout為壓氣機(jī)出口壓力,Pa;Pcin為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力,Pa;ma=(ka-1)/ka,ka為空氣比熱比;πC為壓氣機(jī)壓比;ηC為壓氣機(jī)效率。

        1.2 燃燒室模塊

        燃燒室出口溫度(即燃?xì)獬鯗?為:輪效率;Ptout為渦輪出口壓力,Pa;Ptin為渦輪進(jìn)口壓力,Pa。

        1.4 轉(zhuǎn)子模塊

        轉(zhuǎn)子是使壓氣機(jī)和渦輪聯(lián)系在一起的部件,其兩端一個(gè)是發(fā)出功的渦輪,帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,一個(gè)是消耗功的壓氣機(jī)或負(fù)載,由轉(zhuǎn)子帶動工作。三軸燃?xì)廨啓C(jī)有低壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和動力渦輪轉(zhuǎn)子三個(gè)轉(zhuǎn)子。

        式中:燃油燃燒效率ηb是燃料實(shí)際用于加熱工質(zhì)的熱量與燃料完全燃燒的理論發(fā)熱之比,在設(shè)計(jì)工況時(shí),ηb為 0.97 ~0.99,由于 ηb值變化的范圍比較小,有時(shí)可以忽略其變化,將其設(shè)計(jì)值作為各種工況的燃燒室效率[1];Tfout為燃燒室出口燃?xì)鉁囟?,K;Tfin為燃燒室進(jìn)口空氣溫度,K;Gf為燃油的質(zhì)量流量,kg/s;Hu為燃料的低發(fā)熱值,kJ/kg;Gcin為燃燒室進(jìn)氣流量,kg/s;cpg為燃?xì)舛▔罕葻崛荩琸J/(kg.K)。

        壓力損失的大小通常是用總壓保持系數(shù)σb(也有稱壓力恢復(fù)系數(shù)或壓力損失系數(shù))來表示的。

        根據(jù)文獻(xiàn)[1],通常

        式中:n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min;J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;MT、MC、Mm、ML分別為渦輪產(chǎn)生扭矩、壓氣機(jī)阻力扭矩、機(jī)械損失扭矩、負(fù)載扭矩,N·m;NT、NC、Nm、NL分別為渦輪有效功、壓氣機(jī)消耗功、機(jī)械損失功、負(fù)載損失功,kW。

        1.3 渦輪模塊

        渦輪有效功為:

        渦輪出口溫度為:

        2 燃?xì)廨啓C(jī)仿真模型

        式中:NT為渦輪有效功,kJ/s;Gtin為渦輪進(jìn)口燃?xì)饬髁?,kg/s;mg=(kg-1)/kg,kg為燃?xì)獗葻岜?Ttout為渦輪出口溫度,K;Ttin為渦輪機(jī)進(jìn)口溫度(即燃?xì)鉁囟?,燃燒室出口溫?,K;πT為渦輪膨脹比;ηT為渦

        渦輪出口壓力為:

        根據(jù)上文所述的各部件數(shù)學(xué)模型,利用Simulink仿真工具建立仿真模型,然后將各部件模型依據(jù)三軸燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)理聯(lián)立組成整機(jī)模型。將擬合所得壓氣機(jī)特性曲線用正交網(wǎng)格離散,讀出足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)以數(shù)組的形式存儲于計(jì)算機(jī)中,應(yīng)用于壓氣機(jī)模塊中的二維查表模塊Look-Up Table(2D),在仿真計(jì)算中實(shí)現(xiàn)插值計(jì)算。圖2為三軸燃?xì)廨啓C(jī)的仿真模型。

        圖2 仿真模型

        圖2中,LC為低壓壓氣機(jī),HC為高壓壓氣機(jī),F(xiàn)ire Box為燃燒室,HT為高壓渦輪,LT為低壓渦輪,PT為動力渦輪,Shaft-L為低壓轉(zhuǎn)子,Shaft-H為高壓轉(zhuǎn)子。定的燃油規(guī)律下,燃?xì)廨啓C(jī)由0.36工況加速到0.92工況,仿真結(jié)果如圖3~圖4所示。

        4 結(jié)論

        3 仿真結(jié)果

        參數(shù)設(shè)置:大氣溫度為30℃,燃料低發(fā)熱值為42 700 kJ/kg,大氣壓力為101 300 Pa。

        3.1 穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

        通過對三軸燃?xì)廨啓C(jī)的仿真計(jì)算,得到燃?xì)廨啓C(jī)在0.36、0.74、0.92 工況下的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差,見表1。

        通過表中仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,除個(gè)別數(shù)據(jù)的相對誤差大于±5%之外,其余各工況時(shí)的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差均在±5%以內(nèi)。

        3.2 動態(tài)仿真結(jié)果

        燃?xì)廨啓C(jī)在不同工況之間的轉(zhuǎn)換是否良好是研究燃?xì)廨啓C(jī)動態(tài)仿真合理性的一個(gè)重要依據(jù)。在一

        (1)燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算精度基本能滿足仿真要求,說明本文所建立的三軸燃?xì)廨啓C(jī)仿真模型可以較準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作特性。通過對動態(tài)仿真曲線的觀察和分析,該三軸燃?xì)廨啓C(jī)模型各參數(shù)的變化趨勢與實(shí)際情況相符合,與相應(yīng)工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,基本在誤差允許范圍內(nèi),驗(yàn)證了該建模方法的正確性及仿真結(jié)果的精度,為燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特性的預(yù)測及工作狀態(tài)的評估奠定了基礎(chǔ)。

        (2)基于MATLABSimulink的模塊化建模方法和仿真的應(yīng)用,簡化了艦船燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的建模過程,使多輸入-多輸出的復(fù)雜模型系統(tǒng)變得簡潔、容易操作,也使得模塊化建模方法的可擴(kuò)展性、通用性等優(yōu)點(diǎn)得以體現(xiàn)。

        表1 燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)對照表

        圖3 0.36工況加速到0.92工況高壓軸轉(zhuǎn)速

        圖5 0.36工況加速到0.92工況輸出功率

        圖4 0.36工況加速到0.92工況低壓軸轉(zhuǎn)速

        圖6 0.36工況加速到0.92工況排氣溫度

        [1] 吳會泉.艦船燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置[M].武漢:海軍工程大學(xué),2005:2-5.

        [2] 余又紅,孫豐瑞,張仁興.基于MATLAB的面向?qū)ο蟮娜細(xì)廨啓C(jī)動態(tài)仿真研究[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2003,16(1):53-56.

        [3] Yu Youhong,Chen Lingen,Sun Fengrui,Wu Chih.MATLABSimulink-based simulation for digital-control system of marine three-shaft gas-turbine[J].Applied Energy,2005,80:1-10.

        [4] 楊濤,王志濤,李淑英.船用分軸燃?xì)廨啓C(jī)的模塊化建模與動態(tài)仿真[J].汽輪機(jī)技術(shù),2008,50(4):267-269.

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