燃氣輪機可轉導葉執行機構的仿真建模

王柏賀

(中國航空發動機集團有限公司 沈陽發動機研究所,沈陽 110015)

0 引言

燃氣輪機通常在非設計工況下運行,此時壓氣機的級間匹配會偏離最佳狀態,導致燃氣輪機出現旋轉失速、喘振等問題。加入可轉導葉可有效解決壓氣機喘振問題,因此研究可轉導葉控制對燃氣輪機的安全經濟運行具有重要作用。袁曾壽[1]在燃氣輪機中采用可轉導葉裝置,有效提高了燃機變工況運行的穩定性,從而達到壓氣機防止喘振的目的。Kim[2]把可轉導葉應用于工業燃氣輪機上,發現可轉導葉對改善燃氣輪機變工況下的工作性能具有一定的作用。曹志鵬等[3]研究出一種算法程序,將其應用于壓氣機導葉及靜葉角度優化方法中,給出了不同轉速條件下對導葉及靜葉的調節規則。Uwe Borchert[4]采用可轉導葉的燃氣輪機進行試驗,發現在不同工況下采用最佳導葉調節位置,燃料消耗量顯著降低。本研究提出一種可轉導葉執行機構仿真建模方法,由液壓缸進給運動及回退運動的活塞位置變化可知,仿真模型符合實際情況。

1 可轉導葉執行機構工作原理

燃氣輪機可轉導葉執行機構是一種典型的液壓系統,主要由液壓缸、蓄能器、各種閥門、供油系統及其他相關部件組成,結構如圖1所示。

圖1 可轉導葉執行機構原理

燃氣輪機正常運行時,將壓氣機進口空氣溫度與燃氣輪機轉速的變化情況計算得到的最佳可轉導葉角度作為半物理仿真試驗的輸入信號,通過信號放大器放大后與位移傳感器傳遞的位移信號進行減法運算,得到的值進一步放大后傳遞給電磁閥。電磁閥接收信號后調整開度與液壓油的流動大小及方向,驅動液壓缸做活塞運動。通過位移傳感器采集液壓缸的活塞位移信號,經過放大后反饋給減法信號器使其輸出量改變,從而繼續控制電磁閥,改變液壓油輸出壓力與流量,最終液壓缸到達理論位置。通過該裝置輸入位置信號,執行機構輸出一個對應的位移,通過轉動裝置將執行機構輸出的位移轉化為角度,令液壓缸活塞的位移與可轉導葉葉片角度的大小一一對應,實現對可轉導葉角度的調節[5]。

可轉導葉的調節控制原理如圖2所示。圖中A表示輸入的控制量,B表示位移的反饋量,C表示運算之后的偏差量(C=A-B),通過加減控制器對期望位移A與實際位移值B進行比較,若兩者大小不一致,加減控制器就會把兩者之間的偏差量C輸出給電磁閥,調整電磁閥的開度及流動方向,不斷調整直到A與B之間的偏差量C為零(C=A-B=0),此時達到控制需求,即液壓缸活塞達到預計的位移值。

圖2 控制系統功能原理

2 各部件數學模型

2.1 液壓缸

液壓缸作為一種液壓執行元件,是可轉導葉執行機構的重要組成部分,通過液壓桿帶動壓氣機葉片的轉動。本研究使用的液壓缸為雙桿雙作用液壓缸,設定兩根桿的直徑相同,當兩端輸入的液壓油一樣時,兩根桿的輸出推力及運動速度相等。計算方程如下：

F=Δp·A

(1)

(2)

其中,A=π(D2-d2)/4,為活塞有效作用面積,Δp為液壓缸進出油壓差,F為輸出推力,v為活塞桿運動速度,Q為輸入液壓油的流量。

2.2 方向控制閥

方向控制閥主要用來控制液壓系統中油液的流動方向并調節其流量及壓力,根據閥芯的停留位置及閥體的閥口數量方向控制閥可分為二位二通閥、二位三通閥、三位四通閥等。根據換向閥的操作方式可分為手動閥、機動閥、液動閥、電磁閥、電液閥等。采用三位四通電磁閥,閥芯速度動態方程為[6]：

(3)

式中,msp為閥芯質量,bsp為黏性阻尼系數,Ffric為靜摩擦力與庫倫摩擦力的和。

2.3 溢流閥

溢流閥的主要作用是保證被控制系統或回路的壓力保持恒定,實現調壓、穩壓及限壓等功能,因此需要溢流閥具有調壓范圍大、調壓偏差小及過流能力強等特點。溢流閥主要有直動型溢流閥與先導型溢流閥兩類,本研究使用直動型溢流閥,穩態下的力平衡方程如下：

ΔF=pA-F=Kx

(4)

p=K(x0+x)/A≈Kx0/A

(5)

其中,p為進口壓力,K為彈簧剛度系數,A為有效受力面積,x為閥口開度,F為彈簧壓力,x0為預計彈簧壓縮量。

3 可轉導葉執行機構仿真模型

根據可轉導葉執行機構原理建立可轉導葉執行機構仿真模型,如圖3所示。

圖3 可轉導葉執行機構仿真模型

在Hydraulic、Hydraulic Component Design及Hydraulic Resistance液壓元件庫中選擇合適的液壓缸、液壓泵、蓄能器、過濾器、位移傳感器及各類型閥門元件,根據實際裝置設置合適參數。該仿真模型通過PID閉環反饋系統將位移傳感器測得的信號與控制命令信號進行對比,得到的偏差經過處理放大后傳遞給三位四通閥,調節油路供給方向及供給量,進而控制液壓缸活塞桿位置及運動方向。

4 結果分析

對搭建的可轉導葉執行機構模型進行仿真,得到如圖4所示的可轉導葉執行機構位移仿真結果及控制信號隨時間的變化。從圖中可以看出,控制信號的突變是瞬間完成的,而可轉導葉執行機構位移的變化是在一定時間內完成的,說明可轉導葉執行機構位移變化具有時滯性,符合實際情況。

圖4 可轉導葉執行機構位移仿真結果

圖5是在不同輸入信號條件下液壓缸活塞位置的變化曲線。圖5表明,液壓缸活塞根據不同的輸入信號可以很好地調節到相應的位置。在不同的位置要求下,變化調節時間有所不同,與輸入的信號大小成正比。

圖5 液壓缸進給運動的活塞位置變化曲線

在實際運行過程中,可轉導葉根據壓氣機工況變化做出相應的調整,故該液壓調節系統在完成進給運動后還要完成回退運動。

圖6為液壓缸做回退運動的活塞位置曲線。設定液壓缸活塞初始位置在40 mm處,設置輸入信號,使活塞的位置相繼回退到35 mm、30 mm、25 mm、20 mm、15 mm、10 mm處。從圖中可以看出,液壓缸活塞相繼回退到設定的位置,回退時間與位移差成正比。仿真結果表明,該液壓調節系統能夠準確完成回退運動。

圖6 液壓缸回退運動的活塞位置曲線

5 結論

基于可轉導葉執行機構的原理及各部件的數學模型建立了可轉導葉執行機構仿真模型。仿真結果表明,此模型可轉導葉執行機構的位移具有時滯性,符合實際情況。液壓缸活塞根據不同的輸入信號可以很好地調節到相應的位置,準確地模擬液壓調節系統的進給過程與回退過程,符合實際要求。