一种三轴式燃气涡轮发动机混合电推进方法及装置

本公开涉及燃气涡轮发动机技术领域，具体涉及一种三轴式燃气涡轮发动机混合电推进方法及装置。

背景技术：

燃气涡轮发动机性能优异，具有功重比高、加速性好、排放污染可控、燃料适应性好等一系列优点，被广泛用于船舶、车辆、航空、燃气输送、火力发电等领域，具有广阔的市场前景。然而，燃气涡轮发动机普遍存在非设计点效率降低问题，其根源在于各部件共同工作点与发动机负荷高度耦合，各部件间气动和机械上的约束关系决定了各部件工况点与输出功率一一对应。随着负载下降，一方面，部件工况点偏离高效区，造成部件效率下降；另一方面，发动机总压比和燃气初温下降，导致布雷顿循环效率降低。部件效率和发动机循环效率降低是发动机非设计点性能下降的直接原因。

为提高燃气涡轮发动机非设计点性能，混合电推进技术得到大力发展。目前，目前公开的混合电推进技术主要通过动力电池主动调节发动机负载，规避发动机低效的中低负荷工况，但并未正面解决发动机中低负荷下的性能恶化问题。对于功率等级较大的场景，需要过大的电池容量，对于动力系统经济性和功率密度均有较大的消极影响。

技术实现要素：

本公开的目的在于克服上述技术不足，提供一种三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进方法，实现各部件工况点与发动机负荷解耦，从而优化发动机非设计点效率。

为达到上述技术目的，本公开的技术方案提供一种三轴式燃气涡轮发动机混合电推进方法，所述三轴式燃气涡轮发动机包括燃气发生器和动力涡轮，燃气发生器包括高压部件和低压部件，所述高压部件具有高压涡轮、高压压气机、高压轴和控制高压轴转速的高压轴电机，所述低压涡轮具有低压涡轮、低压压气机、低压轴和控制低压轴转速的低压轴电机，所述混合电推进方法包括：

获取所述燃气涡轮发动机的部件特性参数；

根据所述部件特性参数，建立所述燃气涡轮发动机的仿真模型，所述仿真模型包含能量分析模块；

利用所述仿真模型的所述能量模块，通过调整燃气发生器电机的功率，确定所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，所述燃气发生器电机包括高压轴电机和/或所述低压轴电机，所述燃气发生器的折合转速包括所述高压轴的折合转速和所述低压轴的折合转速；

根据所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，确定燃气发生器的最优折合转速及所述燃气发生器电机的最优功率。

进一步地，所述燃气涡轮发动机的部件特性参数包括：所述高压压气机的压比和效率特性、所述低压压气机的压比和效率特性、所述高压涡轮的膨胀比和效率特性、所述低压涡轮的膨胀比和效率特性、所述动力涡轮的膨胀比和效率特性。

进一步地，能量分析模块被配置为，采用热力学第一定律和第二定律计算所述燃气涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况。

进一步地，所述混合电推进是指，所述燃气涡轮发动机工作时，所述燃气发生器电机作为电动机向所述高压轴和/或所述低压轴提供输入功率，或者所述燃气发生器电机作为发电机向所述高压轴和/或所述低压轴提取输出功率，以主动调节所述燃气发生器的折合转速。

进一步地，根据所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，确定燃气发生器的最优折合转速及所述燃气发生器电机的最优功率，包括：

在保证所述燃气涡轮发动机不超过额定工作温度、不超过额定工作转速、喘振裕度不低于安全喘振裕度的情况下，将热效率最优对应的所述燃气发生器的折合转速确定为所述燃气发生器的最优折合转速；将热效率最优对应的所述燃气发生器电机功率确定为最优功率

进一步地，所述方法还包括：

根据所述燃气发生器的最优折合转速，确定不同特定大气环境下的燃气发生器电机的最优功率。

进一步地，所述特定大气环境下燃气发生器电机的最优功率需满足以下两个条件：

所述燃气涡轮发动机在30％额定负载时，所述燃气涡轮发动机的热效率提高大于1％；以及，

在所述特定大气环境下满足所述燃气涡轮发动机不超过额定工作温度、不超过额定工作转速、喘振裕度不低于安全喘振裕度。

本公开的技术方案还提供一种三轴式燃气涡轮发动机混合电推进装置，所述三轴式燃气涡轮发动机包括燃气发生器和动力涡轮，所述燃气发生器包括高压部件和低压部件，所述高压部件具有高压涡轮、高压压气机、高压轴和控制高压轴转速的高压轴电机，所述低压涡轮具有低压涡轮、低压压气机、低压轴和控制低压轴转速的低压轴电机，所述混合电推进控制装置包括：

获取模块，用于获取所述燃气涡轮发动机的部件特性参数；

建模模块，用于根据所述部件特性参数，建立所述燃气涡轮发动机的仿真模型，所述仿真模型包含能量分析模块；

第一确定模块，用于利用所述仿真模型的所述能量模块，通过调整燃气发生器电机的功率，确定所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，所述燃气发生器电机包括高压轴电机和/或所述低压轴电机，所述燃气发生器的折合转速包括所述高压轴的折合转速和所述低压轴的折合转速；

第二确定模块，用于根据所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，确定燃气发生器的最优折合转速及所述燃气发生器电机的最优功率。

进一步地，所述混合电推进控制装置还包括第三确定模块，用于根据所述燃气发生器的最优折合转速，确定不同特定大气环境下的燃气发生器电机的最优功率。

与现有技术相比，本公开三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)燃气发生器(高压轴和低压轴)转速与发动机负荷解耦，通过调节燃气发生器电机输入功率或输出功率，能够保证燃气涡轮发动机输出功率一定的情况下，燃气发生器(高低压轴)转速以及共同工作点在一定范围内调节。

(2)通过进行仿真模拟，能够验证混合电推进方案的有效性。

(3)本公开能够优化非设计点工况，特别是中低负荷下燃气涡轮发动机部件效率和循环热效率，降低各部分损失，有效缓解发动机中低负荷下的效率恶化问题。

(4)本公开节能效果不受电池容量限制，在保证功率供需平衡的条件下，提高发动机非设计点性能，因而适用于船舶、火力发电、干线客机等大功率场景，有效减小混合电推进系统中的电池容量，提高系统功率密度和经济性。

附图说明

图1为本公开一种实施例中的一三轴式燃气涡轮发动机的结构简图；

图2为本公开实施例三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进方法流程图；

图3为在simulink中建立的某一三轴式燃气轮机部件级仿真模型和能量分析模块；

图4展示了混合电推进方法用于图1中某一三轴式燃气轮机40％负荷工况下的能量分析结果，模拟各部件能量流动和不可逆损失情况；

图5展示了用于图1中某一三轴式燃气轮机40％负荷工况下，采用本发明提出的混合电推进方法前后，燃气轮机效率和各部分损失情况。可以看到，在此工况下，本方案有效降低了燃气轮机排气损失，热效率提高2％；

图6为本公开一种三轴式燃气涡轮发动机混合电推进装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本公开进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。

燃气涡轮发动机包括燃气轮机和航空发动机，分轴式燃气轮机和涡轴发动机一般包括燃气发生器和动力涡轮，燃气发生器包括燃烧室、压气机和压气机涡轮。在工作时，压气机将空气吸入到燃气涡轮发动机的内部并进行压缩。之后压缩过的空气会和燃料在燃烧室进行混合并燃烧，随后产生出的高温高压气体就会推动透平叶片转动，一部分动力会用于带动动力涡轮向外输出功率，另一部分动力则通过压气机涡轮带动压气机转动。因此，燃气涡轮发动机的输出功率和压气机转速高度耦合，各部件间气动和机械上的约束关系决定了各部件工况点与输出功率一一对应。本公开通过混合电推进方法，实现各部件工况点与发动机负荷解耦，从而优化发动机非设计点效率。

图1为一种实施例中的一三轴式燃气涡轮发动机的结构简图，如图1所示，所述燃气涡轮发动机包括燃气发生器和动力涡轮，燃气发生器包括燃烧室、高压压气机、低压压气机、高压涡轮和低压涡轮。

高压部件具有高压压气机、高压涡轮、高压轴和控制所述高压轴转速的高压轴电机，所述低压部件具有低压压气机、低压涡轮、低压轴和控制所述低压轴转速的低压轴电机。具体地，高压涡轮通过高压轴带动高压压气机，低压涡轮通过低压轴带动低压压气机。高压轴上安装有高压轴电机，通过控制高压轴电机的输入功率或输出功率可以控制高压轴转速，低压轴上安装有低压轴电机，通过控制低压轴电机的输入功率或输出功率可以控制低压轴转速。

图2为本公开实施例基三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进方法流程图。

如图2所示，一种三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进方法，包括：

步骤s1：获取所述燃气涡轮发动机的部件特性参数；

步骤s2：根据所述部件特性参数，建立所述燃气涡轮发动机的仿真模型，所述仿真模型包含能量分析模块；

步骤s3：利用所述仿真模型的所述能量模块，通过调整燃气发生器电机的功率，确定所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，所述燃气发生器电机包括高压轴电机和/或所述低压轴电机，所述燃气发生器的折合转速包括所述高压轴的折合转速和所述低压轴的折合转速；

步骤s4：根据所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，确定燃气发生器的最优折合转速及所述燃气发生器电机的最优功率。

本公开利用仿真模型的能量模块，通过调整燃气发生器电机的功率，确定燃气发生器的折合转速与燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，确定其对整机性能的影响规律，进而确定燃气发生器的最优折合转速及燃气发生器电机的最优功率。即通过向高压轴和/或低压轴输入或提取最优功率，主动调节高压轴和/或低压轴的转速，优化高压轴和低压轴的折合转速，实现燃气涡轮发动机燃气发生器转速与负荷解耦。采用本公开的三轴式燃气涡轮发动机混合电推进方法确定的燃气发生器最优折合转速，可以提高燃气涡轮发动机的热效率，突破目前混合电推进技术节能效果受电池容量的限制，大大提高混合电推进系统功率密度、降低系统成本，在保证功率供需平衡的情况下提高发动机非设计点效率。

在一些实施例中，一种三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进方法，包括：

步骤s1：获取所述燃气涡轮发动机的部件特性参数。

具体地，可以通过计算流体三维仿真或部件特性实验，确定高压压气机、低压压气机、高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮部件特性图。通过部件特性图可以确定所述燃气涡轮发动机的部件特性参数。其中，所述燃气涡轮发动机的部件特性参数可以包括：所述高压压气机的压比和效率特性、所述低压压气机的压比和效率特性、所述高压涡轮的膨胀比和效率特性、所述低压涡轮的膨胀比和效率特性、所述动力涡轮的膨胀比和效率特性。

步骤s2：根据所述部件特性参数，建立所述燃气涡轮发动机的仿真模型，所述仿真模型包含能量分析模块。

具体地，在步骤1的部件特性基础上，建立部件级仿真模型，在仿真模型中添加能量分析模块。能量分析模块被配置为，采用热力学第一定律和第二定律计算所述燃气涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况。燃气涡轮发动机的部件可以是高压压气机、低压压气机、高压涡轮、低压涡轮和动力涡轮。图3为在simulink中建立的某一三轴式燃气轮机部件级仿真模型和能量分析模块。

步骤s3：利用所述仿真模型的所述能量模块，通过调整燃气发生器电机的功率，确定所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，所述燃气发生器的折合转速包括所述高压轴的折合转速和所述低压轴的折合转速。

其中，所述燃气发生器电机包括高压轴电机和/或所述低压轴电机，所述燃气发生器折合转速包括所述高压轴的折合转速和/或所述低压轴的折合转速。

混合电推进是指，所述燃气涡轮发动机工作时，所述电机作为电动机向所述高压轴和/或所述低压轴提供输入功率，或者所述电机作为发电机向所述高压轴和/或所述低压轴提取功率，以主动调节所述燃气发生器的折合转速，实现高压轴转速和低压轴转速与发动机负载的解耦控制。

在实现时，利用步骤s3构建的仿真模型的能量分析模块，通过调整高压轴和/或低压轴的输入/输出功率，改变高压轴折合转速nhcor和低压轴折合转速nlcor，从而计算不同高压轴折合转速nhcor和低压轴折合转速nlcor组合情况下，燃气涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况，进而确定燃气发生器折合转速与所述燃气涡轮发动机热效率的对应关系。

具体地，如图4所示，以在燃气涡轮发动机40％负荷工况下为例，计算特定高压轴折合转速nhcor和低压轴折合转速nlcor组合情况下，燃气涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况。通过调整不同燃气发生器电机功率，计算不同的高压轴折合转速nhcor和低压轴折合转速nlcor的组合情况，可以确定在燃气涡轮发动机40％负荷工况下燃气发生器折合转速与所述燃气涡轮发动机热效率的对应关系。

在一些实施例中，也可以分别计算燃气涡轮发动机分别为10％负荷、20％负荷、30％负荷、40％负荷、50％负荷、60％负荷、70％负荷、80％负荷、90％负荷、100％负荷运行时的情况，以确定不同负荷下燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系。

步骤s4：根据所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，确定燃气发生器的最优折合转速及所述燃气发生器电机的最优功率。

具体地，在保证所述燃气涡轮发动机不超过额定工作温度、不超过额定工作转速、喘振裕度不低于安全喘振裕度的情况下，将热效率最优对应的所述燃气发生器的折合转速确定为所述燃气发生器的最优折合转速；将热效率最优对应的所述燃气发生器电机功率确定为最优功率。

在实现时，可以通过调整燃气发生器电机功率达到目标燃气发生器折合转速，从而确定燃气发生器电机的最优功率。

图5展示了三轴式燃气轮机混合电推进方案40％负荷工况下的能量分析结果。如图5所示，左图为优化前的情形，右图为优化后的情形，可以看出不同的高压轴的折合转速和/或低压轴的折合转速，会导致发动机取得不同的热效率。右图中通过控制燃气发生器高压轴和低压轴在最优折合转速，将燃气发生器电机调整在最优功率，发动机热效率提高了2％。

在另一些实施例中，也可以通过不同负荷下燃气发生器折合转速与所述燃气涡轮发动机热效率的对应关系，确定不同负荷下燃气发生器的最优折合转速和燃气发生器电机的最优功率，使得在不同负荷下高压轴和低压轴均处于最优的折合转速，最优折合转速可以在保证发动机不超温、不超转、足够喘振裕度的情况下效率最优，减小燃气涡轮发动机系统在不同负荷下的不可逆损失，降低非设计点耗油率。

上述仿真计算在标准大气环境下进行，发动机负荷为折合到标准工况下的折合参数，控制规律优化结果为不同负荷下对应的最优nhcor、nlcor值。燃气轮机运行时，通过燃气发生器电机实现不同折合负荷下的最优nhcor、nlcor闭环控制。

在一些实施例中，在确定所述燃气涡轮发动机燃气发生器电机的最优功率之后，该混合电推进方法还包括：

步骤s5：根据燃气发生器的最优折合转速，确定不同特定大气环境下的燃气发生器电机的最优功率。其中，大气环境包括但不限于燃气涡轮发动机进气口总温度和总压力。

特定大气环境情况下燃气发生器电机的最优功率需满足以下两个条件：

所述燃气涡轮发动机在30％额定负载时，所述燃气涡轮发动机的热效率提高大于1％；以及

在所述大气压情况下满足所述燃气涡轮发动机不超过额定工作温度、不超过额定工作转速、喘振裕度不低于安全喘振裕度。

在实现时，输入高压轴和/或低压轴电机功率，验证燃气发生器的折合转速是否满足最优折合转速，燃气轮机在此折合功率下的效率提升效果，是否超温超转，喘振裕度是否满足要求。

由于对于不同大气温度、大气压力，电机功率对发动机性能和燃气发生器折合转速的影响不同，可以根据以下公式对不同大气温度、大气压力的折合功率进行换算：

折合功率

其中，p为输出功率，tin、pin为燃气涡轮发动机进气口总温度和总压力。

图6为一种三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进控制装置的结构示意图，参见图6，该装置包括所述包括：获取模块201，建模模块202，第一确定模块203，第二确定模块204。

获取模块，用于获取所述燃气涡轮发动机的部件特性参数；

建模模块，用于根据所述部件特性参数，建立所述燃气涡轮发动机的仿真模型，所述仿真模型包含能量分析模块；

第一确定模块，利用所述仿真模型的所述能量模块，通过调整燃气发生器电机的功率，确定所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，所述燃气发生器电机包括高压轴电机和/或所述低压轴电机，所述燃气发生器的折合转速包括所述高压轴的折合转速和所述低压轴的折合转速；

第二确定模块，根据所述燃气发生器的折合转速与所述燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，确定燃气发生器的最优折合转速及所述燃气发生器电机的最优功率。

进一步地，混合电推进控制装置还包括：

第三确定模块，用于根据所述燃气发生器的最优折合转速，确定不同特定大气环境下的燃气发生器电机的最优功率。

需要说明的是，上述实施例提供的混合电推进控制装置在电推进控制时，仅以上述功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成上述的全部或者部分的功能。另外，上述实施例提供的三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进方法属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于燃气发生器转速解耦的燃气涡轮发动机混合电推进方案有了清楚的认识。

综上所述，本公开通过模拟确定燃气发生器电机的功率与所述发动机各部件损失的对应关系，确定其对整机性能的影响规律，确定所述燃气涡轮发动机燃气发生器电机的最优功率。即通过向高压轴和/或低压轴输入或提取最优功率，主动调节高压轴和/或低压轴的转速，优化高压轴和低压轴的折合转速，实现燃气涡轮发动机燃气发生器转速与负荷解耦。本公开的三轴式燃气涡轮发动机的混合电推进方法能够突破目前混合电推进技术节能效果受电池容量的限制，大大提高混合电推进系统功率密度、降低系统成本，在保证功率供需平衡的情况下提高发动机非设计点效率。