基于键合图的船用燃气轮机仿真研究

摘要

船用燃气轮机工作在海洋环境下，其工作条件比较恶劣，在其运行过程中一旦发生故障，就会造成很大的经济损失，并且有可能会造成人员的伤亡。由于燃气轮机的价格比较昂贵，对实际燃机人为注入故障进行故障实验是不允许的，出于安全性和经济性等原因，通过计算机仿真的方法建立燃气轮机的仿真模型，对燃气轮机动态特性进行分析以及开展一些故障仿真方面的研究就变得尤为重要。
　　本文以三轴燃气轮机为研究对象，由于键合图具有高效性、简明性等优点，在本文中利用键合图理论建立了船用燃气轮机键合图模型，这为工程中燃气轮机的动态建模提供了一种崭新的方法，同时也为键合图理论拓展了新的应用领域，之后在船用燃气轮机键合图模型的基础上开展了关于燃气轮机故障仿真方面的研究，最后开发了一个船用燃气轮机仿真验证平台。主要内容包括如下几个方面:
　　(1)对键合图理论常用的一些基本概念、键合图基本元件以及键合图的因果关系进行了深入研究，之后分析了键合图基本元件存在的一些问题，引出了多键合图和伪键合图的概念，为接下来进行燃气轮机键合图建模提供理论基础。
　　(2)在键合图建模软件20-sim上，基于键合图理论建立了船用燃气轮机本体键合图模型、燃油系统的键合图模型以及控制系统模型，之后根据燃机本体、燃油系统以及控制系统之间的耦合关系，实现了这几个模型的闭环连接，建立了船用燃气轮机的键合图模型，并将模型仿真结果与燃气轮机实验数据进行对比，结果表明误差在7％的范围内，故可以利用该模型开展一些仿真方面的研究。
　　(3)在船用燃气轮机键合图模型的基础上首先进行了燃气轮机盐雾积垢退化仿真方面的研究，认为船用燃气轮机的盐雾积垢退化主要发生在低压压气机上，提出了一种压气机盐雾积垢退化仿真方法，可以用来建立盐雾积垢退化因子模型，之后仿真分析了负载、环境温度和进气道压力损失和盐雾积垢速率对燃气轮机性能退化程度的影响，得到了不同运行状态下、不同积垢程度时的船用燃气轮机性能参数的退化规律，最后提出了一种船用燃气轮机运行成本估计方法，可以估计出在某清洗周期内盐雾积垢引起的运行成本的瞬态变化和累计变化。除此之外还进行了燃机本体单一气路故障、燃机本体组合气路故障、燃油系统单一故障以及燃机本体和燃油系统的耦合故障典型故障下的故障仿真模拟，得到各个故障的故障特征。
　　(4)通过对船用燃气轮机键合图模型进行转化，在LabVIEW开发环境下设计了一个船用燃气轮机仿真验证平台，对该平台的硬件、人机交互界面以及程序面板进行了设计，之后对该平台在正常状态、退化状态、典型故障状态下的仿真以及仿真数据发送功能进行了验证，证明了在把船用燃气轮机键合图模型转化为船用燃气轮机仿真验证平台的过程中不存在转化错误，满足了所需要的功能要求，可以用该平台为燃气轮机健康评估、故障诊断以及趋势预测等工程应用提供验证环境。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2燃气轮机建模仿真技术的研究现状

1．2．1燃气轮机本体建模的国内外研究现状

1．2．2燃油系统建模仿真的国内外研究现状

1．2．3燃气轮机故障方面的国内外研究现状

1．3键合图在动力机械领域建模的研究现状

1．3．1键合图在动力机械领域建模的国外研究现状

1．3．2键合图在动力机械领域建模的国内研究现状

1．4本文主要内容

第2章键合图理论

2．1键合图基本概念

2．2键合图基本元件

2．2．1能量源

2．2．2阻性元件

2．2．3储能元件

2．2．4约束原件

2．3键合图的因果关系

2．4多键合图的介绍

2．5伪键合图介绍

2．6本章小结

第3章基于键合图理论的船用燃气轮机建模方法

3．1船用燃气轮机的结构和工作原理

3．2船用燃气轮机本体的键合图建模

3．2．1进气道键合图建模

3．2．2压气机键合图建模

3．2．3燃烧室键合图建模

3．2．4涡轮键合图建模

3．2．5转子模块键合图建模

3．2．6容积模块键合图建模

3．2．7排气道键合图建模

3．2．8船用燃气轮机本体的键合图模型

3．3船用燃气轮机燃油系统的键合图建模

3．3．1燃油系统各部件工作原理以及数学模型的介绍

3．3．2燃油系统的键合图建模

3．4控制系统

3．5船用燃气轮机键合图模型

3．6本章小结

第4章基于船用燃气轮机键合图模型的故障仿真研究

4．1船用燃气轮机性能退化仿真研究

4．1．1压气机盐雾积垢退化仿真方法

4．1．2退化仿真结果

4．1．3运行成本估计方法

4．1．4应用实例

4．2船用燃气轮机典型故障仿真研究

4．3本章小结

第5章船用燃气轮机仿真验证平台设计技术研究

5．1船用燃气轮机仿真验证平台的开发

5．1．1船用燃气轮机仿真验证平台硬件设计

5．1．2船用燃气轮机仿真验证平台人机交互界面设计

5．1．3船用燃气轮机仿真验证平台程序面板设计

5．2船用燃气轮机仿真验证平台的功能验证

5．2．1燃机正常状态下的仿真

5．2．2燃机退化状态下的仿真

5．2．3燃机典型故障状态下的仿真

5．2．4仿真数据发送功能验证

5．3仿真验证平台验证指标

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢