賈小權，黃東煜，鞠東兵

(中國人民解放軍海軍駐哈爾濱第七〇三研究所軍事代表室，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

燃氣輪機是一種新型動力機械，目前廣泛應用于航空、艦船以及電站系統(tǒng)中。燃氣輪機以功率密度大、啟動快、機動性好等突出優(yōu)點越來越多地用于艦船主動力裝置［1］。但由于船用燃氣輪機布置在機艙底部，所以燃氣輪機進氣和排氣通道沿程長，往往貫穿上層建筑直達機艙，由此帶來的管道壓力損失使得船用燃氣輪機與陸用和試驗臺架條件下相比進氣和排氣壓力有著較大的不同［2］。

一方面，在燃氣輪機裝置的流路中有許多管路，當燃氣流過這些管道時將產(chǎn)生流體阻力損失，從而影響裝置的性能。另一方面，在變工況工作時，由于流路中的流量、溫度、壓力及流速的變化，流阻損失也將發(fā)生變化，流阻損失表現(xiàn)為進、排氣總壓損失。此外，隨著燃氣輪機在艦船上使用時間的增長，空氣中的鹽分對燃氣輪機的進氣濾清裝置產(chǎn)生腐蝕、結垢等因素會造成進、排氣壓力的損失［3］。

1 模型建立

1.1 壓氣機模塊

這個模塊里主要是由特性子模塊、溫升子模塊和耗功子模塊組成。其中特性子模塊皆為二維查表函數(shù)模塊(Look－Up Table(2D))，前者可實現(xiàn)壓氣機壓比一流量變工況性能曲線數(shù)據(jù)的讀取，后者可實現(xiàn)壓氣機壓比—效率變工況性能曲線數(shù)據(jù)的讀取。壓氣機出口溫升由式(1)給出，壓氣機耗功由式(2)給出，分別對應壓氣機模塊中的溫升子模塊和耗功子模塊［4－6］。圖1 考慮了定壓比熱隨溫度的變化。

式中:ma為空氣比熱比;Cpa為空氣定壓比熱容;NC為壓氣機消耗功率。

圖1 壓氣機仿真模型Fig.1 Simulation model of compressor

1.2 容積環(huán)節(jié)模塊

此模塊代表的是一定當量容積的流動連接部分，在動態(tài)計算中主要考慮因流入流出流量差而引起的壓力變化，由質量守恒定律得出壓力流量微分方程［7－8］:

式中:t 為時間;V 為容積;R 為氣體常數(shù)。在整個容積模塊計算過程中假定進出口溫度、壓力一致。

圖2 容積模塊仿真模型Fig.2 The simulation model of volume

1.3 燃燒室模塊

此模塊比較特殊，可以將其看作是具有強烈熱交換的管路，因此燃燒室模塊由容積型子模塊和換熱型子模塊2 部分組成。其中容積型模塊中的溫度T 取燃燒室的進口溫度和出口溫度的平均值。燃燒室出口的溫度由熱平衡方程得出:

式中:Gf為燃油量;Hu為燃油低發(fā)熱值;ηB為燃燒室效率。

圖3 燃燒室仿真模型Fig.3 The Simulation model of combustion

1.4 渦輪模塊

類似于壓氣機模塊，這個模塊里主要是由特性子模塊、溫降子模塊和作功子模塊組成。其中特性子模塊皆為一維查表函數(shù)模塊，前者可實現(xiàn)渦輪壓比一流量變工況性能曲線數(shù)據(jù)的讀取，后者可實現(xiàn)渦輪壓比一效率變工況性能曲線數(shù)據(jù)的讀取。這里由于渦輪轉速變化對特性曲線影響不大，只考慮一定轉速下的特性曲線［9］。

其出口溫度和功率輸出由式(5)和式(6)計算

式中:mg為燃氣比熱比;Cpg為燃氣定壓比熱容;NT為渦輪發(fā)出功率。

圖4 渦輪仿真模型Fig.4 Simulation model of Turbine

1.5 轉子模塊

本文未考慮動力渦輪所帶的負荷特性，只考慮輸出功率，則只需考慮發(fā)生器轉子模塊，文中考慮忽略較小的摩擦損失轉矩于是簡化得到轉子的轉動慣性微分方程為:

圖5 轉子仿真模型Fig.5 The simulation model of Shaft

圖6 某型燃氣機仿真模型Fig.6 The simulation model of gas turbine

這里取大氣壓P1=101 325 Pa，取大氣溫度T1=300.15 K。共有6 個代表實體的模塊，分別是壓氣機模塊、燃燒室模塊、渦輪模塊、動力渦輪模塊、容積模塊和轉子模塊，這些模塊都是封裝的子系統(tǒng)。利用Matlab/Simulink 軟件［10］對該型燃氣輪機進行建立關于進、排氣壓力損失的仿真模型，如圖6所示。

2 進氣壓力損失對燃氣輪機性能影響

本文選擇某型燃氣輪機在0.5 ～1.0 工況的加速過程來仿真進氣道壓力損失對燃氣輪機加速時整體性能參數(shù)的變化關系，改變進氣道的總壓損失，由原來的進氣道總壓損失為200 mm 水柱變?yōu)?00 mm水柱時，仿真燃氣輪機的性能參數(shù)的變化。進氣損失對燃氣輪機性能影響(功率、溫度為無因次量)如圖7 ～圖9所示。

圖7 進氣道壓力損失時功率隨時間變化曲線Fig.7 The curves of power vs.time consideration the inlet pressure loss

圖8 進氣壓力損失排氣溫度隨時間變化曲線Fig.8 The curves of temperature vs.time consideration the inlet pressure loss

圖9 考慮進氣道壓力損失時效率隨時間變化曲線Fig.9 The curves of efficiency vs.time consideration the inlet pressure loss

與廠家經(jīng)過臺架試車實驗后得出進氣壓力損失對效率、功率和排氣溫度的修正曲線，根據(jù)所給的曲線得出進氣壓力損失從200 mm 水柱到400 mm 水柱中效率、功率和排氣溫度的修正值與文中的仿真結果相比較，當加速到1.0 工況后如表1所示。

表1 進氣壓力損失變化時各參數(shù)變化與實測修正值的比較Tab.1 The compression of parameters change and actual amendment value when input pressure loss

3 排氣壓力損失對燃氣輪機性能影響

隨著燃氣輪機在艦船上使用的時間的增長，會增加排氣道的壓力損失，從而造成排氣壓力的損失增大。本文建立關于排氣壓力損失的仿真模型，選擇0.5－1.0 工況的加速過程來仿真排氣壓力損失對燃氣輪機加速時整體性能參數(shù)隨時間的變化關系，改變排氣道的總壓損失系數(shù)，由原來的排氣道總壓損失為150 mm 水柱變?yōu)?50 mm 水柱時，通過仿真研究燃氣輪機的性能參數(shù)隨時間的變化，排氣損失對燃氣輪機性能影響(功率、溫度為無因次量)隨時間變化關系曲線如圖10 ～圖12所示。

圖10 排氣道壓力損失時效率隨時間變化曲線Fig.10 The curves of efficiency vs.time consideration the exit pressure loss

圖11 排氣道壓力損失時功率隨時間變化曲線Fig.11 The curves of power vs.time consideration the exit pressure loss

圖12 考慮進氣道壓力損失時排氣溫度隨時間變化曲線Fig.12 The curves of temperature vs.time consideration the exit pressure loss

由廠家經(jīng)過臺架試車實驗后得出排氣壓力損失對效率、功率和排氣溫度的修正曲線，根據(jù)所給的曲線得出進氣壓力損失從150 mm 水柱到350 mm 水柱中效率、功率和排氣溫度的修正值與文中的仿真結果相比較，當加速到1.0 工況后如表2所示。

表2 排氣壓力損失變化時各參數(shù)與實測修正值的比較Tab.2 The comparasion of parameters change and actual amendment value when output pressure loss

4 結 語

由上文分析可知:圖7 ～圖12 是考慮進、排氣壓力損失后燃氣輪機功率、效率和排氣溫度隨時間變化的關系曲線。表1和表2 是考慮進、排氣壓力損失后該型燃氣輪機功率、效率和排氣溫度與廠家提供的進、排氣壓力損失各參數(shù)的修正值的比較對照表。

1)在定性上，當進、排氣壓力損失增大時，燃氣輪機輸出功率和效率下降，排氣溫度增大。

2)進氣壓力損失對該型燃氣輪機性能的影響大于排氣壓力損失對該型燃氣輪機性能的影響。究其原因主要是:由于排氣壓力的大小只是影響渦輪的膨脹比，當渦輪的膨脹比減小時，此時渦輪發(fā)出的功率就相應減小，而進氣壓力的大小則影響整個燃氣輪機壓氣機的壓比和渦輪的膨脹比，此時燃氣輪機的功率下降較只考慮排氣壓力損失的功率損失要大。所以，進氣壓力損失對該型燃氣輪機性能的影響大于排氣壓力損失對該型燃氣輪機性能的影響。

3)在定量上，當進氣壓力損失減小200 mm水柱時:功率和效率分別下降2.94%和1.59%，排氣溫度升高5.13 K;當排氣壓力損失下降200 mm時功率和效率分別下降1.24%和1.55%，排氣溫度升高8.8 K。仿真結果與實際試驗所測得值的誤差最大在3%以內，滿足動態(tài)過程建模精度的要求，可以看出仿真結果和廠家實驗結果具有良好的吻合性。

［1］龔建政，繆四春，石恒，等．艦用燃氣輪機啟動過程仿真［J］．艦船科學技術，2010，32(5):116－119．

GONG Jian-zheng，MIU Si-chun，SHI Heng，et al．The start up process simulation of marine gas turbine［J］．Ship Science and Technology，2010，32(5):116－119．

［2］劉建華，劉永葆，賀星，等．進排氣壓力損失偶合下的船用燃氣輪機性能研究［J］．機械工程及自動化，2012，20(3):110－113．

LIU Jian-hua，LIU Yong-bao，HE Xing，et al．Study on the performance of a marine gas turbine with inlet and exhaust pressure loss coupling［J］．Mechanical Engineering and Automation，2012，20(3):110－113．

［3］劉光宇．船舶燃氣輪機裝置原理與設計［M］．哈爾濱:哈爾濱船舶工程學院出版社，1992:207－213．

LIU Guang-yu．The principle and design of marine gas turbine［M］．Harbin:Harbin Shipbuilding Engineering Institute Press，1992:207－213．

［4］楊濤，王志濤，李淑英，等．船用分軸燃氣輪機的模塊化建模與動態(tài)仿真［J］．汽輪機技術，2008，50(4):267－269．

YANG Tao，WANG Zhi-tao，LI Shu-ying，et al．Modularized modeling and dynamic simulation of sp lit shaft gas turbine for ships［J］．Turbie Technology，2008，50(4):267－269．

［5］余又紅，王義，孫豐瑞，等．中冷回熱循環(huán)燃氣輪機動態(tài)特性仿真研究［J］．計算機仿真，2006，23(06):32－36．

［6］王延興，孟光，王瑜，等．基于壓氣機級的壓氣機系統(tǒng)的建模與仿真方法［J］．計算機仿真，2004，21(9):43－47．

［7］段樹林，歐陽明高，劉崢，等．Matlab/Simulink 在渦輪增壓器動態(tài)特性仿真中的應用［J］．大連鐵道學院學報，1999，20(4):33－36．

［8］BHAVIK M．Digital simulation of gas turbine steady-state and transient performance for current and advanced marine propulsion systems［D］．Cranfield:Cranfield University，2009．

［9］JONATHAN A D，JONATHAN S L，DEAN K F．A modular aero-propulsion system simulation of a large commercial aircraft engine［C］．44thAIAA/ASME Joint Propulsion Conference ＆ Exhibit．Hartford，CT，2008．

［10］ZHANG Zhi-yong．Proficient in matlab version 6．5［M］．Beijing:Aeronautics and Astronautics University Press，2003:360－380．