一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法技术

本发明专利技术提供一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法，首先，基于C++建立燃气轮机气动热力学性能计算模型，基于m语言建立燃气轮机高温部件热传递模型、温度传感器模型以及控制规律模型，然后基于燃气轮机起动过程试验数据，分析起动过程中燃气轮机典型部件压比、效率随燃气发生器物理转速的变化规律，生成并修正相对应的燃气轮机旋转部件低转速特性，实现燃气轮机高精度起动性能实时仿真。本发明专利技术考虑高温燃气以及外界环境大气与燃机本体之间的热交换，提高了燃气轮机起动过程性能仿真的精度，可为燃气轮机起动控制规律的设计及优化提供仿真测试工具。仿真测试工具。仿真测试工具。

【技术实现步骤摘要】
一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法


[0001]本专利技术涉及燃气轮机性能仿真
，主要涉及一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法。

技术介绍

[0002]舰用燃气轮机具有功率大、尺寸小、重量轻、起动迅速、加速性和机动性好等优点，可以有效改善舰船的战术技术性能，使舰船的航行速度和机动性大大提升。海平面起动是燃气轮机工作的首个阶段，是其顺利进入正常工作的前提。
[0003]国内外针对舰用燃气轮机起动过程的高精度模拟方法，特别是不同大气温度、不同初始壁面温度等对起动性能的影响研究还不够深入，未考虑起动过程高温燃气与燃机本体之间的热交换以及燃机本体与外界环境的热交换，这会降低燃气轮机起动性能模型的仿真精度。而在燃气轮机起动数学建模过程中应当补充建立热传递模型、温度传感器模型以及控制规律模型，可以大幅提高燃气轮机起动过程性能仿真的精度，并针对不同大气条件、不同初始壁面温度，优化燃气轮机起动控制规律，缩短起动时间，提高起动性能。
[0004]研究人员可以基于本专利技术建立燃气轮机起动过程高精度动态实时模型及控制规律模型，对燃机不同起动控制规律进行综合分析与评估，可在一定程度上缩短燃机研制周期，节约研制经费与风险。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：基于气动热力学原理，考虑起动过程中高温燃气与燃机本体热交换、考虑传感器动态特性，建立舰用燃气轮机起动性能模型。首先，基于C++建立燃气轮机气动热力学模型，基于m语言建立燃气轮机高温部件热传递模型、温度传感器模型以及控制规律模型，然后基于燃气轮机起动过程试验数据，分析起动过程中燃气轮机典型部件压比、效率随燃气发生器物理转速的变化规律，生成并修正相对应的燃气轮机旋转部件起动低转速特性，实现燃气轮机起动性能高精度动态实时仿真。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、获取燃气轮机起动性能测量参数，所述测量参数包括压气机和动力涡轮的进出口总温、进出口总压和燃油流量，动力涡轮的输出功率，燃气涡轮和动力涡轮转子的转速、燃气涡轮转子的转速达到预设的数值所需要的时间即起动时间；对所述压气机和动力涡轮的进出口总温、进出口总压进行分析；用特性辨识法生成所述燃气轮机起动过程旋转部件的低转速特性，所述旋转部件包括所述压气机、所述燃气涡轮以及所述动力涡轮；
[0009]步骤S2、建立所述燃气轮机的部件级起动数学模型，所述部件包括所述燃气轮机的起动机、进气装置、压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮和排气装置；根据所述起动机现有的设计参数构造起动机的功率和扭矩特性，计算燃气轮机起动过程的压气机消耗功率和燃气涡轮输出功率；
[0010]步骤S3、搭建燃气轮机高温部件热传递模型及温度传感器模型，评估高温燃气与高温部件之间的热交换对燃气轮机起动性能的影响，所述高温部件包括所述燃烧室、所述燃气涡轮以及所述动力涡轮；
[0011]步骤S4、搭建燃气轮机起动过程开环控制规律模型以及闭环控制规律模型；所述开环起动控制规律包括燃气涡轮换算转速与供油量的关系、燃气涡轮换算转速与油气比的关系；所述闭环起动控制规律包括燃气涡轮换算转速与燃气涡轮转子加速度的关系；
[0012]步骤S5、在多种初始大气条件下，对燃气轮机起动过程进行性能仿真；这里的多种初始状态包括不同大气温度、不同大气压力以及不同初始壁面温度。
[0013]优选的，步骤S1中，已知对于某型舰用燃气轮机进行海平面起动试验时，根据起动过程燃气涡轮转子的转速计算燃气涡轮的转子加速度，再结合转子动力学方程估算起动过程不同时刻的燃气涡轮的转子剩余功率，之后结合起动过程所述压气机和动力涡轮的进出口总温、进出口总压辨识得到对应不同换算转速下的旋转部件压比、效率工作特性线。
[0014]优选的，所述转子动力学方程如下：
[0015]第一阶段：
[0016][0017]第二阶段：
[0018][0019]第三阶段：
[0020][0021]式中，n
g
为燃气涡轮转子的转速，J
g
为燃气涡轮转子的转动惯量，N
st
为起动机的输出功率，N
GT
为燃气涡轮的输出功率，N
C
为压气机的消耗功率。
[0022]优选的，步骤S2的实现具体为：所述燃气轮机的起动过程中需要通过计算燃气涡轮的转子剩余功率来获得起动过程燃气涡轮转子加速度，进而需要分别计算压气机消耗功率N
c
以及燃气涡轮输出功率N
GT
：
[0023]Δh
c
＝h
c,out
‑
h
c,in
[0024]Δh
gt
＝h
gt,in
‑
h
gt,out
[0025]N
c
＝W
C
Δh
c
[0026]N
GT
＝W
GT
Δh
gt
[0027]式中，Δh
c
为压气机的进出口空气焓差，h
c,in
为压气机进口空气比焓，h
c,out
为压气机出口空气比焓，W
c
压气机进口空气质量流量；Δh
gt
为燃气涡轮进出口燃气焓差，h
gt,in
为燃气涡轮进口燃气比焓，h
gt,out
为燃气涡轮出口燃气比焓，W
GT
为燃气涡轮进口燃气质量流量；
[0028]压气机及燃气涡轮扭矩计算公式如下：
[0029][0030]式中，T
qt
为燃气涡轮输出扭矩，T
qc
为压气机阻力矩。
[0031]优选的，步骤S3的实现过程为：
[0032]高温燃气向的能量传递共分为两部分，一部分能量q1传递给了燃气涡轮的机匣，一部分能量q2传递给了燃气涡轮的叶片；同时，燃气涡轮的机匣随着温度的升高，与外界环境存在温差并向外界传热，换热量为q3；
[0033]高温燃气在经历了热交换后平均温度计算公式如下：
[0034][0035]式中，为燃气的质量流量，C
p,gas
为燃气的定压比热容，采用变比热法计算，T
gas
为换热前的燃气平均温度，T'
gas
为换热后的燃气平均温度；
[0036]燃气涡轮的叶片在经历了热交换后平均温度计算公式如下：
[0037][0038]式中，m
bld
为参与热交换的燃气涡轮叶片质量，C
bld
为燃气涡轮叶片材料平均比热。T
bld
为换热前的燃气涡轮叶片平均温度，T'
bld
为换热后的燃气涡轮叶片平均温度；
[0039]燃气涡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、获取燃气轮机起动性能测量参数，所述测量参数包括压气机和动力涡轮的进出口总温、进出口总压和燃油流量，动力涡轮的输出功率，燃气涡轮和动力涡轮转子的转速、燃气涡轮转子的转速达到预设的数值所需要的时间即起动时间；对所述压气机和动力涡轮的进出口总温、进出口总压进行分析；用特性辨识法生成所述燃气轮机起动过程旋转部件的低转速特性，所述旋转部件包括所述压气机、所述燃气涡轮以及所述动力涡轮；步骤S2、建立所述燃气轮机的部件级起动数学模型，所述部件包括所述燃气轮机的起动机、进气装置、压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮和排气装置；根据所述起动机现有的设计参数构造起动机的功率和扭矩特性，计算燃气轮机起动过程的压气机消耗功率和燃气涡轮输出功率；步骤S3、搭建燃气轮机高温部件热传递模型及温度传感器模型，评估高温燃气与高温部件之间的热交换对燃气轮机起动性能的影响，所述高温部件包括所述燃烧室、所述燃气涡轮以及所述动力涡轮；步骤S4、搭建燃气轮机起动过程开环控制规律模型以及闭环控制规律模型；所述开环起动控制规律包括燃气涡轮换算转速与供油量的关系、燃气涡轮换算转速与油气比的关系；所述闭环起动控制规律包括燃气涡轮换算转速与燃气涡轮转子加速度的关系；步骤S5、在多种初始大气条件下，对燃气轮机起动过程进行性能仿真；这里的多种初始状态包括不同大气温度、不同大气压力以及不同初始壁面温度。2.如权利要求1所述的一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法，其特征在于，步骤S1中，已知对于某型舰用燃气轮机进行海平面起动试验时，根据起动过程燃气涡轮转子的转速计算燃气涡轮的转子加速度，再结合转子动力学方程估算起动过程不同时刻的燃气涡轮的转子剩余功率，之后结合起动过程所述压气机和动力涡轮的进出口总温、进出口总压辨识得到对应不同换算转速下的旋转部件压比、效率工作特性线。3.如权利要求2所述的一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法，其特征在于，所述转子动力学方程如下：第一阶段：第二阶段：第三阶段：其中，n
g
为燃气涡轮转子的转速，J
g
为燃气涡轮转子的转动惯量，N
st
为起动机的输出功率，N
GT
为燃气涡轮的输出功率，N
C
为压气机的消耗功率。4.如权利要求3所述的一种舰用燃气轮机起动性能模型建模方法，其特征在于，步骤S2的实现具体为：所述燃气轮机的起动过程中需要通过计算燃气涡轮的转子剩余功率来获得
起动过程燃气涡轮转子加速度，进而需要分别计算压气机消耗功率N
c
以及燃气涡轮输出功率N
GT
：Δh
c
＝h
c，out
‑
h
c，in
Δh
gt
＝h
gt，in
‑
h...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文祥，杜金时，周磊，张轲，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：