基于VBA的燃氣輪機動態性能初步分析

王紹忠，董 瑜

（1.海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，沈陽 110043；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

1 引言

與蒸氣輪機和柴油機等動力裝置相比，由于承襲了成熟的航空發動機技術，艦船燃氣輪機具有基本負荷與部分負荷簡單循環效率高，建設周期短，安裝快速方便，操作簡單，可靠性高，維護方便，使用成本低，污染小，振動小等許多優點。其動態性能直接影響到艦船的機動性、經濟性和巡航能力。為更好地滿足客戶需求、縮短研制周期、降低開發成本與風險，充分利用當前信息技術的成果，開展艦船燃氣輪機性能分析研究十分重要。

VBA（Visual Basic For Application）平臺為流行的應用程序開發語言Visual Basic的子集，是依賴EXCEL存在的程序開發工具，是EXCEL宏語言，具有強大的數據處理與計算分析功能，應用VBA語言執行的表格程序可以快速地進行燃氣輪機性能數據處理分析。在國外，對燃氣輪機過渡態建模與數值仿真方面已有深入研究，采用VBA語言開發EXCEL比較普遍，但應用到燃氣輪機性能分析還不多見。在國內，現有的設計與分析軟件大部分處于分散的、各自獨立的狀態，可視化、通用化、標準化和模塊化程度較低，不利于軟件管理和資源的充分利用，建模與仿真技術研究已取得很大進展，但還沒有開展應用VBA語言進行燃氣輪機過渡態性能分析的研究工作。

本文基于VBA平臺編制穩態性能處理程序，進行穩態程序界面的展示，再經過艦船燃氣輪機穩態性能分析后，提出1種艦船燃氣輪機動態數據分析方法，方便試車分析，為燃氣輪機數值仿真工作做指導。該方法對提高工作效率，節約研制成本有重要意義。

2 穩態數據處理

燃氣輪機性能穩態分析是動態分析的基礎，準確的穩態性能分析是燃氣輪機性能設計點和非設計點以及燃氣輪機過渡態仿真的重要依據。由于穩態數據多為XLS格式文件，所以本研究應用VBA平臺編制了數據處理程序，以進一步方便快捷地進行穩態數據分析。該程序界面如圖1所示。根據各次試車穩態數據初步編制燃氣輪機試車穩態處理程序，進行各試車次性能參數對比，繪制全部以及各試車次燃氣輪機性能參數曲線，生成新SHEET圖表，并在新圖表上繪制性能曲線；根據穩態數據進行燃氣輪機性能參數的進、排氣損失修正。為了提高程序的可用性和擴展性，增加“XLS 恢復”、“曲線清除”、“停止”、“退出”和“輸出圖片”等按鈕，實現表格、工作簿的恢復，及停止程序和退出程序，提高分析工作的效率。

3 動態數據處理算法

應用以下關鍵算法對動態數據進行提取、處理運算與初步分析，以提高工作效率。

3.1 特征點提取

某發動機試車動態點和特征點如圖2所示。在圖2中，藍線（trans）表示某次試車高壓轉速隨時間的變化，找到曲線每個臺階的第1點和最后1點，對動態數據特征點進行提取。

式中：n 為轉速；i、j、k 為自然數；INDEX 為數據樣本序列。

特征點判斷如條件1和條件2，對每時刻點高壓轉速A，被減其后第100點，如果該時刻后連續5點差值小于10，則認為此點為臺階的起始點，即滿足條件1；同理，每時刻點高壓轉速A被減其后第100點，如果連續5點滿足差值大于10并小于100，即滿足條件2，則認為該點后100點時刻前為升轉起始時刻，即臺階結束時刻。這樣就在動態數據中提取了臺階前點和臺階后點，即動態特征點，如圖2中的粉點（state）。

3.2 參數變化速率計算

從圖2中可見，特征點對每個升降轉前、后的狀態點都可以準確提取。這樣，應用特征點計算燃氣輪機性能參數的變化速率，需要滿足條件3。同樣以本次試車為例進行說明，算法如下：以前5點為例，圖2中第2點A速率=（第3點A參數-第2點A參數）/（第2點時間-第3點時間），按上面算法循環迭代（i=i+2），例如下一步，第4點A速率=（第5點A參數-第4點A參數）/（第4點時間-第5點時間），這樣得到升降特征點變化速率。應用該算法得到A參數變化速率如圖3～6所示。

式中：ΔA為A參數變化速率；m為自然數。

3.3 升降狀態數據提取

為了分別對升降狀態進行分析，編制此升降狀態數據提取算法。判斷升降轉分界點要同時滿足如下條件：

（1）在第3.1節中提取出的特征點的基礎上，對每時刻點高壓轉速被減其后第5點高壓轉速，差值為負值。同理，其后4點差值也為負值，即滿足條件4要求。

（2）該時刻點高壓轉速被減其后第1～3點高壓轉速，差值為負值，即滿足條件5要求。

同時滿足條件4、5則認為該時刻點為降轉點。

4 性能參數變化速率

本研究統計了9次燃氣輪機升降狀態性能參數變化速率。以第9次試車為例，應用該算法得到動力渦輪前溫度和高壓轉速的變化速率隨時間的變化如圖3、4所示。從圖中可見，動力渦輪前溫度升降速率均在±1.8 T/s內，高壓轉速升降速率均在±10(r/min)/s內。

統計這9次試車數據，動力渦輪前溫度和高壓轉速變化動態速率最大點如圖5～7所示。從圖中可見，動力渦輪前溫度升速率均在2.5 T/s內，高壓轉速升速率均在12(r/min)/s內，功率升速率均在200 kW/s內，第5次試車升工況過程性能參數變化速率較大，熱態試車第4、6次的升工況速率較其他冷態試車速率小。

某次臺階升降過程和平穩過程高壓轉速變化速率如圖8所示。從圖中可見，高壓轉速速率在階躍段比在平穩段的大很多。階躍段高壓轉速速率均在±10(r/min)/s內，平穩段速率約在±1(r/min)/s內。對于2個階段各參數速率變化的大小比例，需進一步統計多次試車總結歸納。

5 結論

在穩態性能程序平臺上，依據燃氣輪機動態試車數據，提出了基于VBA提取數據特征點的方法。該方法從轉速的角度基本滿足動態數據的準確提取。在提取出特征點的基礎上，分析動態過程得到各次試車性能參數的變化速率，動力渦輪前溫度升速率均在2.5 T/s內，高壓轉速升速率均在12 r/min/s內，功率升速率均在200 kW/s以內。

基于VBA語言特點，針對燃氣輪機性能數據進行分析，可以方便高效地進行穩態數據點和動態數據點的提取，對進一步研究（如壓氣機特性圖及其共同工作線的繪制、插值和擬合深入研究，并進行臺階點提取與升降轉的比較等）有著重要意義。

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