李徐嘉，敖晨陽(yáng)，劉云生

(海軍裝備研究院，北京 100161)

艦用間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)間冷器失效性能分析

李徐嘉，敖晨陽(yáng)，劉云生

(海軍裝備研究院，北京 100161)

為研究某型艦用間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)間冷器失效時(shí)的性能，本文建立燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型，在保證壓氣機(jī)10%喘振裕度以及渦輪前溫度不超溫的情況下，計(jì)算間冷器失效時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的各性能參數(shù)，得出間冷器失效后燃?xì)廨啓C(jī)仍能繼續(xù)使用的結(jié)論，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出該型燃?xì)廨啓C(jī)的一些設(shè)計(jì)建議。

燃?xì)廨啓C(jī)；間冷器；失效；分析

0 引 言

間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)是在分軸燃?xì)廨啓C(jī)的高、低壓壓氣機(jī)之間安裝中間空氣冷卻器的復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。間冷器利用低溫液體降低進(jìn)入高壓壓氣機(jī)空氣溫度的同時(shí)減少高壓壓氣機(jī)耗功，以達(dá)到提高燃?xì)廨啓C(jī)功率的目的。艦用燃?xì)廨啓C(jī)的間冷器若發(fā)生故障或需要進(jìn)行清洗維護(hù)時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能因?yàn)檫M(jìn)入高壓壓器機(jī)空氣溫度的變化而發(fā)生改變，本文針對(duì)某間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)間冷器失效時(shí)該機(jī)性能的變化情況進(jìn)行量化分析。

1 間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)間冷器失效的原因分析

三軸艦用間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)間冷系統(tǒng)由機(jī)上冷卻器和機(jī)外冷卻器2部分組成。機(jī)上冷卻器的工作原理是利用溫度較低的液體冷卻燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)出口的較高溫空氣，機(jī)外冷卻器的工作原理是利用海水冷卻從機(jī)上冷卻器被空氣加熱的液體，使液體重新以低溫進(jìn)入機(jī)上冷卻器對(duì)空氣進(jìn)行冷卻。機(jī)上冷卻器和機(jī)外冷卻器均利用電泵使冷卻液流量滿足冷卻空氣的要求。從間冷器結(jié)構(gòu)分析出使間冷器失效的2種情況：

圖1 三軸艦用間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of triple-axis naval intercooling-cycle gas-turbine

1)機(jī)上冷卻器或者機(jī)外冷卻器電泵突然損壞或者液體管道破裂等造成冷卻液體流量失效的情況。當(dāng)電泵損壞時(shí)，冷卻液突然停止流動(dòng)，大量的高溫空氣會(huì)蒸發(fā)機(jī)上間冷器中的液體引起間冷器液測(cè)壓力劇增，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使機(jī)上間冷器爆裂。在設(shè)計(jì)時(shí)必須在機(jī)上間冷器設(shè)置泄壓閥門，在這種情況發(fā)生的時(shí)候及時(shí)放出高壓蒸汽以防間冷器損壞。

2)機(jī)上冷卻器和機(jī)外冷卻器清洗維護(hù)時(shí)。機(jī)上間冷器由于受空間所限具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)，流過(guò)空氣或液體的雜質(zhì)如殘留在里面會(huì)對(duì)換熱效果造成不利影響，所以必須定期進(jìn)行清洗和維護(hù)。機(jī)外冷卻器的冷卻液體是海水，一樣會(huì)在冷卻器中留下雜質(zhì)，同樣需要定期清洗和維護(hù)。本文假設(shè)間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)在高低壓壓氣機(jī)之間留有旁通管道，在清洗間冷器期間空氣可流經(jīng)旁通管道使燃?xì)廨啓C(jī)繼續(xù)工作。

2 間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)間冷器失效時(shí)性能計(jì)算

1)計(jì)算方法的選取

當(dāng)間冷器失效時(shí)，進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣溫度會(huì)比間冷器正常時(shí)上升，根據(jù)相似理論，高壓壓氣機(jī)的折合參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)高壓壓氣機(jī)的工況點(diǎn)會(huì)偏離間冷器正常工作時(shí)的工況點(diǎn)，高壓壓氣機(jī)的變化，必然帶來(lái)整機(jī)其他部件工況點(diǎn)都發(fā)生偏移，所有部件會(huì)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中重新匹配，并遠(yuǎn)離額定工況點(diǎn)，使燃?xì)廨啓C(jī)整體性能發(fā)生變化。如果用普通的循環(huán)熱力計(jì)算方法去進(jìn)行計(jì)算，會(huì)遇到：① 壓氣機(jī)的壓比如何確定；② 各部件的效率如何確定；③ 燃油流量如何確定；④ 即使對(duì)前三點(diǎn)假定參數(shù)并進(jìn)行匹配計(jì)算，但匹配后的部件工況點(diǎn)是否在合理工作區(qū)域內(nèi)，例如壓氣機(jī)的工作點(diǎn)是否在合理范圍內(nèi)不得而知。

由于間冷失效后各部件是在動(dòng)態(tài)中進(jìn)行重新匹配，所以最佳的方法是建立燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)態(tài)仿真模型進(jìn)行計(jì)算。

2)間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型的建立

為了滿足燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)仿真的要求，本文基于模塊化建模思想，并考慮容積慣性和轉(zhuǎn)子慣性，將間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)分為壓氣機(jī)、渦輪、間冷器、燃燒室、負(fù)載、容積模塊和轉(zhuǎn)子模塊，在Matlab/Simulink上進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模型的建立。建模方法如下：

① 壓氣機(jī)。壓氣機(jī)模型由特性模塊和功耗模塊組成。特性模塊基于壓氣機(jī)特性曲線，對(duì)壓氣機(jī)的折合流量和效率進(jìn)行求解，功耗模塊利用特性模塊求解的值對(duì)壓氣機(jī)的耗功以及壓氣機(jī)出口溫度進(jìn)行計(jì)算。壓氣機(jī)需要抽取一部分氣體用于渦輪冷卻和封嚴(yán)，這部分氣體的耗功和出口溫度需要單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，不然會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

② 間冷器。間冷器模型主要考慮間冷器的熱慣性，其容積慣性放在低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)之間的容積模塊統(tǒng)一考慮。

③ 渦輪。渦輪模型類似于壓氣機(jī)模型，主要由特性模塊和做功模塊組成，由于引氣的緣故，還需要先計(jì)算從壓氣機(jī)的引氣與主氣流混合后燃?xì)獾臏囟取?/p>

④ 燃燒室。燃燒室模型由容積模塊和燃料燃燒溫升兩部分組成。

⑤ 容積模塊。反應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程容積慣性的模塊。

⑥ 轉(zhuǎn)子模塊。反應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中各轉(zhuǎn)子慣性的模塊。

⑦ 負(fù)載模型。燃?xì)廨啓C(jī)工作在推進(jìn)模式或者發(fā)電模式下，負(fù)載分為帶螺旋槳或者發(fā)電機(jī)組。

本文為研究方便，在推進(jìn)模式下采用理想螺旋槳模型，即功率正比于轉(zhuǎn)速的立方：Ne=kn3，式中Ne為螺旋槳功率，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，k為定值；在發(fā)電模式下，對(duì)燃機(jī)簡(jiǎn)化處理為動(dòng)力渦輪定轉(zhuǎn)速，即npt=n0，式中npt為動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，n0為定值。

建立的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型如圖2所示。

圖2 間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.2 The dynamic simulation model of intercooling-cycle gas-turbine

3)間冷器失效時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)性能仿真計(jì)算

間冷器失效時(shí)，進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣不再被冷卻，此時(shí)有2種情況：一是間冷器故障時(shí)，空氣還流過(guò)間冷器，空氣溫度不再降低，但間冷器帶來(lái)的壓降依然存在；二是間冷器處于維護(hù)保養(yǎng)期間，空氣流過(guò)旁通管道，空氣溫度不再降低，也無(wú)流過(guò)間冷器時(shí)的壓降。

間冷器失效時(shí)，如果燃?xì)廨啓C(jī)工作在較高工況時(shí)，由于進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣溫度瞬時(shí)上升，燃燒室進(jìn)口和出口溫度都會(huì)上升，有可能造成燃燒室出口溫度超過(guò)上限，燒壞渦輪葉片，這種情況是不允許的。所以必須設(shè)立超溫保護(hù)裝置，在超溫瞬時(shí)降低燃油流量以保護(hù)渦輪。燃?xì)廨啓C(jī)各軸的轉(zhuǎn)速也需要進(jìn)行關(guān)注，一般來(lái)說(shuō)，特殊工況超速10%在可接受范圍內(nèi)。

為了計(jì)算間冷器失效時(shí)的燃?xì)廨啓C(jī)最大功率，對(duì)燃油流量進(jìn)行燃燒室出口溫度限制控制，限制值與額定工況時(shí)溫度值相等，在無(wú)進(jìn)排氣損失的標(biāo)準(zhǔn)大氣(288.15 K，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)條件下，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能進(jìn)行仿真計(jì)算。

在仿真計(jì)算時(shí)，出現(xiàn)了低壓壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入了喘振區(qū)的現(xiàn)象，在這種情況下必須對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行放氣處理，否則會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)的損壞，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試湊計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對(duì)低壓壓氣機(jī)進(jìn)行20%的放氣處理能使壓氣機(jī)有效遠(yuǎn)離喘振區(qū)并且不降低太多效率。對(duì)模型修改完善后進(jìn)行仿真計(jì)算，得到表1和表2，分別為推進(jìn)模式和發(fā)電模式下間冷器失效的燃?xì)廨啓C(jī)性能仿真計(jì)算結(jié)果,由于具體數(shù)據(jù)涉及軍事及商業(yè)機(jī)密，故對(duì)所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行了歸一化處理。

表1 推進(jìn)模式時(shí)間冷器失效計(jì)算

表2 發(fā)電模式時(shí)間冷器失效計(jì)算

說(shuō)明：機(jī)上間冷器的壓降在仿真計(jì)算時(shí)取定值。

從表1與表2可以看出，間冷器失效時(shí)相比間冷器正常工作時(shí)整機(jī)功率和效率都出現(xiàn)了大幅下降，尤其是功率，在推進(jìn)模式下、空氣仍然從間冷器流過(guò)的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)功率下降到正常工況時(shí)的36.7%，效率下降到正常工況時(shí)的75.48%。通過(guò)對(duì)比帶不同負(fù)載時(shí)整機(jī)性能發(fā)現(xiàn)：燃機(jī)發(fā)電模式時(shí)整機(jī)功率和效率高于推進(jìn)模式。

原因分析：1)高壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度升高后，各部件工況變動(dòng)以及為了防止燃燒室出口超溫的原因，進(jìn)口空氣流量和燃油量有大幅下降，渦輪做功顯著降低；2)除高壓壓氣機(jī)外，所有部件的效率均有不同程度降低，再加上低壓壓氣機(jī)的大量放氣，導(dǎo)致整機(jī)效率偏低；3)在推進(jìn)模式下，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速降低，效率相比定轉(zhuǎn)速時(shí)有所下降，故輸出功率和效率都不同程度地小于發(fā)電模式。

為了對(duì)比放氣對(duì)于低壓壓氣機(jī)運(yùn)行工況的影響，圖3所示為低壓壓氣機(jī)在各情況下不放氣與放氣的工況點(diǎn)對(duì)比示意。

圖3 低壓壓氣機(jī)不放氣與放氣的工況點(diǎn)對(duì)比Fig.3 Comparison of air-bleed in low pressure compressor and not

從圖中可以看出，在沒(méi)有進(jìn)行放氣處理時(shí)，低壓壓氣機(jī)在間冷器失效時(shí)已經(jīng)進(jìn)入了喘振區(qū)，而在進(jìn)行20%放氣處理后，所有工況點(diǎn)都遠(yuǎn)離了喘振區(qū)，并且在10%喘振裕度線之外，運(yùn)行狀況良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)間冷失效時(shí)的仿真計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1)間冷器失效時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)功率會(huì)出現(xiàn)大幅下降，效率也有一定程度下降，但也證明如果艦船不需求燃?xì)廨啓C(jī)全功率運(yùn)行時(shí)，可以邊開(kāi)機(jī)邊進(jìn)行間冷器的維護(hù)保養(yǎng)，一定程度上提高了艦船機(jī)動(dòng)性；

2)間冷器損壞瞬時(shí)燃燒室出口溫度會(huì)出現(xiàn)大幅度上升，間冷器內(nèi)液體停止流動(dòng)時(shí)會(huì)被高溫氣體加熱蒸發(fā)膨脹；

3)在間冷器損壞后，工況的大幅降低和匹配點(diǎn)的改變，低壓壓氣機(jī)會(huì)進(jìn)入喘振區(qū)域。

對(duì)此，有以下建議：

1)在間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可以在低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)之間預(yù)留旁通管道，對(duì)間冷器進(jìn)行清理維護(hù)時(shí)空氣可以通過(guò)旁通管道以保證燃?xì)廨啓C(jī)仍能正常運(yùn)行；

2)間冷器失效時(shí)工況完全發(fā)生變化，如果要對(duì)間冷器進(jìn)行清理維護(hù)前，最好先將燃油流量調(diào)到間冷失效最高工況的燃油量以下，以防止燃燒室出口溫度過(guò)高；

3)為了防止在間冷器損壞后低壓壓氣機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象，必須對(duì)低壓壓氣機(jī)設(shè)置間冷失效放氣閥門，在間冷器失效時(shí)控制器能夠迅速打開(kāi)放氣閥進(jìn)行放氣，放氣量建議在20%。

4)為了避免間冷器損壞這種非正常失效情況，最好對(duì)間冷系統(tǒng)進(jìn)行雙重保護(hù)：對(duì)間冷器水側(cè)設(shè)置備用電泵，防止電泵故障引起的間冷器失效。

[1] 朱行健，王雪瑜.燃?xì)廨啓C(jī)工作原理及性能[M].北京：科學(xué)出版社,1992.

[2] 翁史烈.燃?xì)廨啓C(jī)性能分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,1987.

[3] 蘇明,陳德來(lái)，張園薇，等.一種燃?xì)廨啓C(jī)模塊化非線性仿真模型[J].熱能動(dòng)力工程，1998(6)：51-53.

Analysis of the performance of a certain type of warship-used intercooling-cycle gas-turbine with its intercooler invalidating

LI Xu-jia,AO Chen-yang,LIU Yun-sheng

(Naval Academy of Amament,Beijing 100161,China)

In order to analysis the performance of a certain type of warship-used intercooling-cycle gas-turbine when its intercooler was invalidated, this paper established a dynamic simulation model of the gas-turbine, and calculated its performance parameters in case of guaranteeing 10% surge margin of the compressor and turbine inlet temperature not overheating, then got the conclusion that gas-turbine can still work when its intercooler was invalidated, finally give some advices to the designers of the gas-turbine according to the calculation results.

gas-turbine;intercooler;invalidation;analysis

2013-09-29;

2013-11-21

李徐嘉(1985-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)榕炗萌細(xì)廨啓C(jī)仿真。

U664.131

A

1672-7649(2014)12-0043-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.009