一种基于升转速率的燃气轮机起动过程仿真方法与流程

1.本技术属于燃气轮机设计领域，特别涉及一种基于升转速率的燃气轮机起动过程仿真方法。


背景技术：

2.目前国内现航空发动机及燃气轮机起动过程愈加完善，且批产发动机的起动形式多为闭环起动方式(即给定升转速率进行起动仿真)，而现有起动仿真方法只能进行开环供油方式，即给定供油量随转速的关系或供油量随时间的关系进行起动仿真过程。不能满足模拟燃气轮机闭环起动的工作要求。
3.现有起动仿真设计方法通常为给定供油量随转速的关系或供油量随时间的关系，无法实现给定升转速率进行起动仿真设计，且现有起动仿真设计方法通常采用容积惯性法，计算速度慢，固定起始点后不易更改，计算起点调试难度大。
4.在进行某型燃机的起动闭环调试过程中，发现没有一种合适的工具可以对起动闭环过程进行正向的设计，以至于在燃机起动调试及排故过程中只能采用试凑法，工作效率低且不系统。
5.因此，如何提高燃气轮机的起动试验效率是一个需要解决的问题。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供了一种基于升转速率的燃气轮机起动过程仿真方法，以现有技术中燃机起动调试及排故过程中工作效率低且不系统的问题。
7.本技术的技术方案是：一种基于升转速率的燃气轮机起动过程仿真方法，包括：根据燃气轮机功率平衡方程、流量平衡方程、出口压力平衡方程，建立起动仿真模型；确定起动仿真基本参数；给定初始升转速率；给定试验步长，计算燃机全转速下的升转速率，进行起动时间计算，获得压气机转速与时间的对应关系；判断燃气轮机从点火到慢车的起动时间是否满足指标要求，若满足，则进行起动仿真模型计算；若不满足，则增加步长并重新计算；获取满足要求的升转速率并输入至起动仿真模型内，进行起动过程的仿真计算，得到燃气轮机从点火到慢车的燃气轮机对应气动参数；根据仿真结果判断起动稳定性要求；若否，根据不满足要求的对应参数降低步长，重新进行升转速率的仿真设计；若是，获得满足要求的升转速率，完成基于升转速率的仿真设计。
8.优选地，采用牛顿迭代算法对燃气轮机功率平衡方程、流量平衡方程、出口压力平衡方程进行求解。
9.优选地，所述功率平衡方程为：
[0010][0011]
式中，wq为起动机功率，ηm为燃气发生器转子机械效率，w
ac
为带动各种附件以及其
它用途所需要的功率提取，为转子转速对时间的导数，j为燃气发生器转子的转动惯量，wc为压气机消耗功率，w
ht
为燃气涡轮功率；
[0012]
如果wq和为给定，则：
[0013]wht
η
′
m-wc＝k
×
n-wq[0014]
所述流量平衡方程为：
[0015]w41r-q
＝w
41r-t
[0016]
式中，w
41r-q
为通过压气机进口经燃烧室计算后得出的换算流量；w
41r-t
为通过求解涡轮工作点从而在涡轮工作特性上插值出的换算流量；
[0017]
所述核心机出口压力平衡方程为：
[0018]
p
5q
＝p
5-gd
[0019]
其中，p
5q
为根据燃机流程参数计算出的核心机出口压力，p
5-gd
为给定当前状态的核心机出口压力。
[0020]
优选地，所述起动仿真基本参数为：起动升转速率、起动时间、压气机喘振裕度、供油规律、燃烧室出口温度、排气温度、慢车转速、脱开转速、起动机功率。
[0021]
优选地，以10为单位进行步长的增加或减少。
[0022]
本技术的一种基于升转速率的燃气轮机起动过程仿真方法，先设定准定常假设下的燃气轮机功率平衡方程、流量平衡方程、出口压力平衡方程并建立仿真模型，通过给定初始升转速率和试验步长来进行起动时间的计算，在起动时间满足要求后将升转速率输入至起动仿真模型内，实现动态过程的类稳态计算，每个动态点进行单独的迭代计算，可以给定任意起始点进行计算，计算精度高、速度快。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
[0024]
图1为本技术整体流程示意图；
[0025]
图2为本技术压气机转速随时间的关系示意图。
具体实施方式
[0026]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0027]
一种基于升转速率的燃气轮机起动过程仿真方法，根据燃气轮机工作原理，在准定常假设条件下，各部件的稳态特性和流量连续方程仍然适用，对于燃气轮机的加减速过程进行计算由足够的精度。本文在准定常假设条件下，通过给定升转速率的方法，利用牛顿迭代算法进行起动过程仿真计算，实现起动过程任意初始转速到给定终点转速的计算，同时也能满足计算精度的要求。
[0028]
当燃气轮机处于过渡态工作时，描述燃气轮机工作状态的气动热力参数随时间而变，各截面之间可能有能量和质量的堆积和释放，各截面流量不再连续，高温气流与叶片及
机匣壁面之间存在非定常热量交换。对燃气轮机来说，过渡态工作时，各部件容积较小，气动热力参数变化比转速变化快得多，例如一个空气微团穿过燃气轮机用时约为10ms，而燃气轮机起动用时70s-100s,因此可以忽略这些部件的容积效应导致的蓄质、蓄热效应和气流与叶片及机匣壁面之间存在热量交换(即绝热)，可以近似认为，任何时刻各截面流量仍然连续，各部件均处于瞬时稳定状态工作，即准定常假设。
[0029]
如图1所示，包括以下步骤：
[0030]
步骤s100，根据燃气轮机功率平衡方程、流量平衡方程、出口压力平衡方程，建立起动仿真模型；
[0031]
功率平衡方程为：
[0032][0033]
式中，wq为起动机功率，ηm为燃气发生器转子机械效率，w
ac
为带动各种附件以及其它用途所需要的功率提取，为转子转速对时间的导数，j为燃气发生器转子的转动惯量，wc为压气机消耗功率，w
ht
为燃气涡轮功率；
[0034]
wac在实际工程应用中可结合ηm一并考虑。上式可变换为：
[0035][0036]
如果wq和为给定，则：
[0037]wht
η'
m-wc＝k
×
n-wq(3)
[0038]
公式中k为
[0039]
慢车以上稳态计算时，所述功率平衡方程为：
[0040]wht
η'
m-wc＝0(4)
[0041]
对比公式(3)、(4)，得出起动过程中的剩余功率为转速的线性函数，结合公式(4)可以看出，公式(3)的右侧k
×
n-wq为起动过程功率平衡方程与稳态功率平衡方程的差别。同时，通过给定省去了公式中的导数项，摒弃了常规利用积分求解起动时间的方法，可以实现快速采用牛顿法进行求解。
[0042]
流量平衡方程与稳态计算方法相同，为高压涡轮进口喉道处的流量平衡。w
41r-q
为通过压气机进口经燃烧室计算后得出的换算流量；w
41r-t
为通过求解涡轮工作点从而在涡轮工作特性上插值出的换算流量。
[0043]
流量平衡方程为：
[0044]w41r-q
＝w
41r-t
(5)
[0045]
采用给定高压涡轮出口压力的方式进行整机匹配，对于航空发动机，意味着固定喷口面积随起动过程产生的背压，对于后面接动力涡轮的单转子双轴燃机，给定的是动力涡轮进口压力在起动过程中的变化情况。
[0046]
核心机出口压力平衡方程为：
[0047]
p
5q
＝p
5-gd (6)
[0048]
其中，p
5q
为根据燃机流程参数计算出的核心机出口压力，p
5-gd
为给定当前状态的核心机出口压力。
[0049]
上述为基于升转速率的燃气轮机起动仿真建模的理论基础，利用公式(3)、(5)和(6)为三个平衡方程，πc、π
t
、wf为三个变量，其中πc为压气机压比，π
t
为燃气轮机压比，wf为燃油流量，通过给定变量3个初始值进行迭代。通过采用牛顿迭代算法进行非线性方程组的求解。实现每个给定起动过程中的工作点的计算，完成起动过程仿真建模。
[0050]
进行整个起动过程仿真时，先给定初始升转速率，通过不同转速对应的升转速率计算起动时间，起动时间满足要求后进行整个起动过程的仿真计算。
[0051]
步骤s200，确定起动仿真基本参数；给定初始升转速率；给定试验步长，计算燃机全转速下的升转速率，进行起动时间计算，获得压气机转速与时间的对应关系；
[0052]
起动仿真基本参数为：起动升转速率、起动时间、压气机喘振裕度、供油规律、燃烧室出口温度、排气温度、慢车转速、脱开转速、起动机功率等。
[0053]
升转速率给定方式见表1；
[0054]
表1转速对应升转速率关系
[0055][0056]
如图2所示，计算前先给定足够小的步长，进行线性插值得到全转速下的升转速率，进而进行起动时间的计算，计算效率较高。
[0057]
步骤s300，判断燃气轮机从点火到慢车的起动时间是否满足指标要求，若满足，则进行起动仿真模型计算；若不满足，则对表1的升转速率进行调整，各转速下的升转速率以10为步长进行增加；
[0058]
进行起动仿真模型计算时，将现有的以供油量随转速的关系或供油量随时间的关系改为供油量随升转速率的关系，以燃油流量wf为变量，对燃油流量wf以步长δwf进行离散化，采用过渡态模型计算各燃油流量对应的工作点位置及其性能。非常契合闭环起动方式。同时，本方法在准定常假设条件下，通过给定升转速率，实现动态过程的类稳态计算，每个动态点进行单独的迭代计算，可以给定任意起始点进行计算，计算精度高、速度快。
[0059]
步骤s400，在起动仿真模型中输入对表1进行调整后的升转速率，进行起动过程的仿真计算，得到燃气轮机从点火到慢车的燃气轮机对应气动参数；
[0060]
步骤s500，对仿真结果进行判断，判断压气机喘振裕度、燃烧室出口温度及排气温度是否在允许的要求范围内。如果某个转速范围内喘振裕度等指标不满足要求，对应调整表1相应转速范围内的升转速率，以10为步长降低升转速率，重新按照流程进行基于升转速率的仿真设计；
[0061]
步骤s600，调整后的升转速率同时满足起动时间及压气机喘振裕度、燃烧室出口温度及排气温度等指标要求后，完成基于升转速率的仿真设计过程。
[0062]
在进行基于升转速率的燃气轮机起动过程仿真时，先设定准定常假设下的燃气轮机功率平衡方程、流量平衡方程、出口压力平衡方程并建立仿真模型，通过给定初始升转速率和试验步长来进行起动时间的计算，在起动时间满足要求后将升转速率输入至起动仿真模型内，实现动态过程的类稳态计算，每个动态点进行单独的迭代计算，可以给定任意起始点进行计算，计算精度高、速度快。
[0063]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。