变几何压气机对燃气轮机运行特性影响研究

摘要

作为燃气轮机防喘措施之一，可调静叶在燃气轮机变工况下的调节方案对燃气轮机的运行性能具有重要影响。由于时间、成本等因素的限制，采用实验的方法难以在较宽的运行范围内对各个工况下的静叶调节规律进行研究。而随着燃气轮机仿真建模的发展，利用燃机集成仿真技术从不同角度对整机或单独部件进行建模已成为研究燃机运行性能的有效方法。因此，本文以某型三轴船舶发电用燃气轮机为研究对象，建立了考虑变几何压气机的（0-1）可变维度燃气轮机总体仿真模型。以提高燃机运行效率为目标，优化得到了前三级静叶的调节方案，并据此对可调静叶影响下的燃气轮机稳态、动态性能进行了仿真研究。为燃气轮机变工况运行过程中可调静叶的调控规律提供了参考。
　　本文的主要研究内容如下：
　　（1）基于模块化建模思想，对研究对象进行了合理划分，建立了船用燃气轮机部件的数学模型。针对变几何压气机特性变化的特点建立了新的压气机特性模块和接口模块，将压气机一维特性计算程序嵌入零维燃机总体模型中，使其代替原先固化的压气机部件特性模块。
　　（2）在船用燃气轮机实际部件装配关系的基础上，设计了模块化模型库的体系结构。据此在Matlab/Simulink软件环境下建立了包括压气机、燃烧室、涡轮、转子、容积等模块在内的船用燃气轮机仿真模型库，并最终搭建了考虑变几何压气机的变维度燃机仿真模型。同时利用 Matlab/GUI开发编制了一个具有可扩展性的船用燃气轮机集成仿真平台。
　　（3）通过HARIKA压气机特性计算程序分析了9级轴流压气机前三排可调静叶单独工作时，在不同开度、不同转速下对于压气机性能的影响。以燃气轮机的经济性和稳定性为优化目标，对各个工况下前三级静叶调节方案进行了优化。分别对船舶发电用燃机采用可调静叶运行模式和不采用静叶可调运行模式下，各个工况的稳态性能参数进行计算，并将两种燃机运行模式下的稳态仿真结果进行了对比分析。
　　（4）利用已建立的变维度船用燃机仿真模型对燃气轮机发电系统在典型工况（线性加、减载，阶跃突增、突减和大幅度突甩负荷）下的变化特性进行了仿真研究。对比分析了原始静叶调节方案和优化方案下燃气轮机的动态工作特性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 燃气轮机模块化集成仿真的发展与研究现状

1.3 变几何压气机特性的研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第2章 考虑变几何压气机特性的船用燃气轮机建模

2.1 引言

2.2 船用燃气轮机各部件的数学模型

2.3 变几何压气机的特性处理与建模

2.4 本章小结

第3章 船用燃气轮机仿真模型库的建立及软件开发

3.1 引言

3.2 模块化模型库体系结构研究

3.3 燃机模型库中部件的仿真模型

3.4 船用燃气轮机集成仿真平台开发

3.5 本章小结

第4章 变几何压气机静叶调节优化方案及燃气轮机稳态特性仿真研究

4.1 引言

4.2 单排静叶调节对压气机性能的影响

4.3 多排可调静叶调节方案优化

4.4 船用燃气轮机稳态性能仿真研究

4.5 本章小结

第5章 船用燃气轮机动态特性仿真研究

5.1 引言

5.2 线性负载仿真分析

5.3 突减突增负载仿真分析

5.4 大幅度突甩负载仿真分析

5.5 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