變槳角對艦船用燃氣輪機過渡態(tài)性能的影響

董瑜，韓曉光，聶海剛

（沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

1 引言

燃氣輪機被廣泛用作航空、艦船和電站系統(tǒng)中的動力機械。用于艦船推進系統(tǒng)的燃氣輪機單位功率的質(zhì)量輕、起動迅速、操縱方便，自動化程度高。艦船用燃氣輪機的基本功能之一是提供足夠的功率以驅(qū)動螺旋槳，使其產(chǎn)生必需的推力，確保艦船達到要求的航速。在“船-槳-機”的推進模塊中的功率匹配中，不僅要在額定點滿足約束條件，而且對最低航速以及相應(yīng)于前進1～4的航速，最小倒車功率等也要滿足要求。采用調(diào)距槳，可使上述情況均能滿足要求[2]。

在燃氣輪機研制中，仿真可以縮短其研制周期、節(jié)省研制成本、減少實際試車的危險；可以獲得全部參數(shù)，包括實際試車時難以測量的參數(shù)。因此，建立燃氣輪機動態(tài)性能仿真數(shù)學(xué)模型，對于燃氣輪機動力系統(tǒng)設(shè)計、性能優(yōu)化以及現(xiàn)場調(diào)試都具有重要意義。

本文建立了分軸燃氣輪機動態(tài)性能仿真數(shù)學(xué)模型，并比較已有模擬燃氣輪機性能的FORTRANS模型的計算結(jié)果，在已經(jīng)搭建平臺的基礎(chǔ)上，通過瞬態(tài)改變螺旋槳角度，得到了分軸燃氣輪機性能變化規(guī)律。

2 燃氣輪機模型及驗證

基于SIMULINK平臺建立了分軸燃氣輪機動態(tài)性能仿真模型，如圖1所示。此模型是由每個部件按流路搭接起來的氣動熱力模型，包括進氣裝置、壓氣機、燃燒室、渦輪、分流、混合、容腔、轉(zhuǎn)動慣性等模塊。各模塊具體計算如下。

2.1 氣體熱物理性質(zhì)

由于燃氣輪機各流路系統(tǒng)中的溫度和油氣比差異很大，所以在燃氣輪機氣路模型中考慮了比熱隨溫度和氣體組分的變化。這樣促使燃氣輪機模擬的設(shè)計點、非設(shè)計點以及過渡態(tài)的模擬更加準確可靠。

2.2 壓氣機和容積慣性模塊

應(yīng)用準靜態(tài)特性圖進行2維插值，壓氣機效率和換算流量可以看作是壓氣機壓比和換算轉(zhuǎn)速的函數(shù)。壓氣機采用級間和級后放氣，應(yīng)用壓氣機模塊中放置的SPLITER模塊，選擇在相對焓比一定的位置級間放氣，級后采用在壓氣機出口處放置SPLITER模塊進行放氣。壓氣機內(nèi)氣體壓縮后總溫為

出口總溫是在進口總溫基礎(chǔ)上，應(yīng)用壓比求得等熵溫增后，考慮壓氣機效率而得到的。壓氣機消耗的功通過2部分相加得到，一部分是考慮級間引氣部分在引氣前消耗的功，另一部分是考慮壓氣機引氣后，氣流在整個壓氣機壓縮過程中所消耗的功。

容積模塊放置在壓氣機后，應(yīng)用質(zhì)量守恒定律得到

式中：V為壓氣機容腔；考慮壓氣機內(nèi)沒有能量累積，溫度T保持進口不變；P為壓氣機出口壓力；Gin、Gout為進、出口質(zhì)量流量。

2.3 燃燒室模塊

燃燒室模塊是能量累積的模塊。能量守恒方程如下

式中：Gin、Gout為燃燒室進、出口空氣流量；hin、hout為燃燒室進、出口比焓；Gb為燃油流量；LHV為燃油低熱值。

2.4 渦輪及其冷卻模塊

渦輪系統(tǒng)分為靜子冷卻系統(tǒng)、膨脹過程和轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)。靜、轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)通過MIXEE模塊實現(xiàn)。高壓渦輪靜、轉(zhuǎn)子引用高壓壓氣機出口的氣流，動力渦輪靜、轉(zhuǎn)子引高壓壓氣機級間引氣。應(yīng)用準靜態(tài)特性圖進行2維插值，渦輪效率和換算流量看作渦輪膨脹比和換算轉(zhuǎn)速的函數(shù)。渦輪內(nèi)氣體膨脹后總溫為

出口總溫是在進口總溫基礎(chǔ)上，應(yīng)用膨脹比求得等熵溫降后，考慮渦輪效率得到的。

2.5 轉(zhuǎn)動慣性模塊

應(yīng)用功率為角加速度和角速度的乘積，慢車以上平衡關(guān)系表達為

式中：Pt為渦輪功；Pc為壓氣機功；J為轉(zhuǎn)動慣量；ω為角速度。

2.6 與FORTRAN模型計算結(jié)果對比

FORTRAN程序模型可以用于計算帶或不帶調(diào)節(jié)系統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)或過渡態(tài)性能。按照氣體氣動熱力過程，通過組合的子模塊來模擬發(fā)動機工作，輸出發(fā)動機推力或功率，燃油消耗量，單位燃料消耗率等總性能數(shù)據(jù)。同時可有選擇地輸出各部件性能的詳細數(shù)據(jù)及發(fā)動機各截面氣體性質(zhì)的詳細數(shù)據(jù)。

應(yīng)用FORTRAN程序模型模擬了發(fā)動機給定1、3、7 s，從0.87加速到1.00后燃燒室出口相對溫度、輸出功率、油量和轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線，如圖2所示。仿真模型模擬發(fā)動機控制給定1、3、7 s時轉(zhuǎn)速從0.87加速到1.00時,得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速、功率、燃燒室出溫度和油量動態(tài)仿真結(jié)果，如圖3所示。可以看到二者模擬結(jié)果規(guī)律相同，數(shù)值接近。

3 變槳角對燃氣輪機性能的影響

燃氣輪機的工作狀態(tài)是與艦船的運動狀態(tài)、自然狀態(tài)以及螺旋槳的工作狀態(tài)密切相關(guān)的。發(fā)動機的功率通過后傳動裝置傳遞給螺旋槳，螺旋槳產(chǎn)生的推力傳給艦體，使艦體運動。為了改善推進性能、機動性能或船-槳-機的匹配等，在某些艦船上采用可調(diào)螺距螺旋槳。

1個可調(diào)螺距螺旋槳的作用就相當(dāng)于1組不同螺距比的普通螺旋槳。在保持主機轉(zhuǎn)速不變的條件下，通過操縱變距機構(gòu)來改變船速。大多數(shù)主機的轉(zhuǎn)速均高于螺旋槳的最佳轉(zhuǎn)速范圍，需將減速齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)速降到螺旋槳所需轉(zhuǎn)速。因此按照具體對象確定齒輪箱的減速比。

模擬了動力渦輪轉(zhuǎn)速不變的情況下，當(dāng)槳角突然變化對燃氣輪機的影響。模擬槳角變化燃氣輪機輪機在性能曲線網(wǎng)中的過渡態(tài)過程如圖4所示。當(dāng)槳角從33°到20°時，燃氣輪機相對轉(zhuǎn)速從1.000到0.899；當(dāng)槳角從20°到35°時，燃氣輪機相對轉(zhuǎn)速從0.899到1.030。當(dāng)槳角減小時，負載功率瞬間減小，動力渦輪轉(zhuǎn)速瞬間增大，但由于受動力渦輪轉(zhuǎn)速的限制，燃氣輪機基本在等動力渦輪轉(zhuǎn)速下降低狀態(tài)。當(dāng)槳角增大時，負載功率瞬間增大，動力渦輪轉(zhuǎn)速瞬間減小，但由于受槳角-負載功率線的限制，燃氣輪機沿著槳角為35°的槳角-負載功率線提高狀態(tài)。

性能曲線網(wǎng)轉(zhuǎn)換到壓氣機特性線上后,得到的變槳角燃氣輪機的過渡態(tài)過程如圖5所示。當(dāng)槳角為33°—20°—35°時，燃氣輪機的功率相對轉(zhuǎn)速為1.000—0.899—1.030。

槳角從33°突然到20°和槳角從20°突然到35°時，燃氣輪機性能參數(shù)的變化如圖6所示。當(dāng)槳角突然從33°到20°時，燃氣輪機的功率、效率和燃燒室出口溫度都減小；當(dāng)槳角突然從20°到35°時，燃氣輪機相對熱效率瞬間降低0.23，相對燃燒室出口溫度瞬間升高0.15，相對喘振裕度瞬間降低0.21。

4 結(jié)論

基于SIMULINK平臺搭建了分軸燃氣輪機進行穩(wěn)態(tài)、過渡態(tài)仿真的數(shù)學(xué)模型，與已有性能模擬FORTRANS模型的計算結(jié)果進行了對比，二者模擬結(jié)果規(guī)律相同。利用該模型進行了燃氣輪機-螺旋槳共同工作動態(tài)仿真，在燃氣輪機性能曲線網(wǎng)圖和壓氣機特性線圖中得到燃氣輪機工作過程，分析了螺旋槳角度瞬態(tài)變化對燃氣輪機性能參數(shù)的影響。該分軸燃氣輪機模型計算結(jié)果合理，應(yīng)用方便，但還需在以后的工作中校準驗證。

[1] 庫拉金B(yǎng)B.航空發(fā)動機及動力裝置理論計算和設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[2] 陳國鈞,曾凡明.現(xiàn)代艦船輪機工程[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社，2001.

[3] Camporeale S M,Fortunato B,Mastrovito M.A High-fidelity Real-time Simulation Code of Gas Turbine Dynamics for Control Application[R].Proceedings of ASME Turbo Expo 2002,GT-2002-30039.

[4] Changduk Kong,Hongsuk Roh and Kangtaek Lim.Steady-state and Transient Simulation of Turboprop Engine Using Simulink Model[R].Proceedings of ASME Turbo Expo 2003,GT2003-38181.