CN109684597B - 一种用于压气机全工况特性拓展的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于压气机全工况特性拓展的方法，在原有的相似定理的基础上，以喘振点和最佳运行点为基准，分别计算不同转速之间的相似定理指数x₁,y,x₂,z，然后分别引入空气密度变化修正系数k₁,k₂用来修正不同转速下由于空气被压缩而造成的空气密度变化，k₁,k₂的计算可采用遗传优化算法，分别以相同流量下实际压比与预测压比的误差和相同流量下实际效率与预测效率的误差的最小值为目标函数，进而求得最优的k₁,k₂的解。将k₁,k₂分别于转速进行曲线拟合，从而拓展出低转速下的k₁,k₂，用以预测低转速下的压气机特性。本发明可用于在仅有部分压气机特性线的情况下，获得压气机的全工况特性图，也可用于压气机特性线的加密，具有计算精度高和计算速度快的优点。

Description

一种用于压气机全工况特性拓展的方法

技术领域

本发明涉及的是一种压气机全工况特性预测方法。

背景技术

由于起动、变负荷、停机以及其他环境因素的干扰，燃气轮机经常在非设计工况下工作。燃气轮机的整机性能主要取决于压气机、燃烧室、涡轮等部件的特性，而其中压气机对燃气轮机性能的影响最为关键。完善的燃机核心部件特性曲线，是进行准确地变工况特性分析的基础。由于各种原因，制造厂家仅提供有限的高转速区域部件特性，建立基于部件的燃机模型的主要障碍在于缺乏足够的部件特性数据。因此，如何利用少量特性曲线来获得大范围的部件特性曲线，成为性能分析的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供具有计算精度高和计算速度快优点的一种用于压气机全工况特性拓展的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种用于压气机全工况特性拓展的方法，其特征是：

(1)根据改进的相似定律计算指数：

对于透平机械，低转速区特性存在着如下的相似理论：

上式中，m为质量流量，n为转速，W等熵压缩功，η为效率，x₁,y,x₂,z代表任意两条转速线之间的相似理论指数，1和2分别代表任意两条折合转速中的低和高转速；

公式和/>代表了不同转速之间的流量-压比相似特性，以喘振点数据计算x₁,y的值；公式/>和/>代表了不同转速之间的流量-效率相似特性，以最佳运行点数据计算x₂,z的值；

(2)引入相似定律修正系数：

当转速不变而流量变化时，压气机的压比亦会随之变化，导致空气的密度改变，反应在特性图上即为当流量偏离喘振点或最佳运行点越远时，预测出的曲线与实际的曲线偏差越大，为弥补这种偏差，添加空气密度修正系数k₁、k₂，采用基因遗传算法计算得到使误差最小的k₁,k₂的值，具体方程如下：

m_s,m_opt为同转速下喘振点和最佳运行点对应的流量值；

遗传优化算法目标函数如下：

(3)对求解得到的修正系数进行曲线拟合：

在求解出k₁,k₂的最优解之后，获得k₁,k₂与转速的关系

k₁＝f(n)

k₂＝f(n)；

(4)对喘振边界线和最佳运行线进行曲线拟合：

将已知转速对应的喘振边界点参数和最佳运行点参数进行拟合，拟合成关于转速n的多项式函数：

m＝f(n)

η＝f(n)

p＝f(n)；

(5)根据改进之后的相似定律对已知的特性线进行拓展：

获得参数与转速的关系之后，根据关系式求得压气机全工况转速情况下的喘振边界点与最佳运行点的参数，之后求解不同等折合转速特性线所对应的指数x₁、x₂、y、z，最后根据公式 和/>求解压气机全工况等折合转速线下的压气机特性；

(6)计算功系数、压气机损失及流量系数随转速的变化关系：

首先定义压气机实际耗功的无量纲参数为功系数：

式中，Δh为压气机的实际压缩消耗的比功，U为压气机工作点的转速；

压气机等熵压缩功的无量纲参数为压力系数：

式中，Δh_i为压气机的等熵压缩消耗的比功，U为压气机工作点的转速；

定义压气机的实际耗功与等熵压缩功的无量纲参数的差值为压气机损失，则有下式：

再引入流量的无量纲参数流量系数：

式中，C_z1为进口气流轴向速度，U为压气机工作点的转速；

(7)根据脊背特性将特性线拓展至全工况：

已知三条脊背特性随转速的变化趋势后，通过已知压气机特性线计算得到脊背功系数、脊背压气机损失及脊背流量系数，根据理论趋势对三条脊背特性进行拓展。

本发明的优势在于：本发明可用于在仅有部分压气机特性线的情况下，获得压气机的全工况特性图，也可用于压气机特性线的加密，具有计算精度高和计算速度快的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为压气机功系数脊背特性变化趋势图；

图3为压气机损失随功系数变化趋势图；

图4为压气机流量系数脊背特性变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明采用如下技术方案：在原有的相似定理的基础上，以喘振点和最佳运行点为基准，分别计算不同转速之间的相似定理指数x₁,y,x₂,z，然后分别引入空气密度变化修正系数k₁、k₂用来修正不同转速下由于空气被压缩而造成的空气密度变化，k₁,k₂的计算可采用遗传优化算法，分别以相同流量下实际压比与预测压比的误差和相同流量下实际效率与预测效率的误差的最小值为目标函数，进而求得最优的k₁,k₂的解。将k₁,k₂分别于转速进行曲线拟合，从而拓展出低转速下的k₁,k₂，用以预测低转速下的压气机特性。

(1)改进的相似定律

对于透平机械，低转速区特性存在着如下的相似理论：

上式中，m为质量流量，n为转速，W等熵压缩功，η为效率，x₁,y,x₂,z代表任意两条转速线之间的相似理论指数，1和2分别代表任意两条折合转速中的低和高转速。

公式(1)和(2)代表了不同转速之间的流量-压比相似特性，以喘振点数据计算x₁,y的值。公式(3)和(4)代表了不同转速之间的流量-效率相似特性，以最佳运行点数据计算x₂,z的值。

(2)引入相似定律修正系数

当转速不变而流量变化时，压气机的压比亦会随之变化，导致空气的密度改变，反应在特性图上即为当流量偏离喘振点或最佳运行点越远时，预测出的曲线与实际的曲线偏差越大，为弥补这种偏差，本发明提出在原有的相似理论的基础上，添加空气密度修正系数k₁,k₂，采用基因遗传算法计算得到使误差最小的k₁,k₂的值。具体方程如下：

m_s,m_opt为同转速下喘振点和最佳运行点对应的流量值。

遗传优化算法目标函数如下：

(3)对求解得到的系数进行曲线拟合

在求解出k₁,k₂的最优解之后，获得k₁,k₂与转速的关系

k₁＝f(n) (9)

k₂＝f(n) (10)

(4)对喘振边界线和最佳运行线进行曲线拟合

将已知转速对应的喘振边界点参数和最佳运行点参数进行拟合，拟合成关于转速n的多项式函数:

m＝f(n) (11)

η＝f(n) (12)

p＝f(n) (13)

(5)根据改进之后的相似定律对已知的特性线进行拓展

获得参数与转速的关系之后，根据关系式可求得压气机全工况转速情况下的喘振边界点与最佳运行点的参数，之后求解不同等折合转速特性线所对应的指数x₁,x₂,y,z。最后根据公式(1)-公式(6)求解压气机全工况等折合转速线下的压气机特性。

(6)计算功系数、压气机损失及流量系数随转速的变化关系

首先定义压气机实际耗功的无量纲参数为功系数：

式中，Δh为压气机的实际压缩消耗的比功，U为压气机工作点的转速。

压气机等熵压缩功的无量纲参数为压力系数：

式中，Δh_i为压气机的等熵压缩消耗的比功，U为压气机工作点的转速。

定义压气机的实际耗功与等熵压缩功的无量纲参数的差值为压气机损失，则有下式：

再引入流量的无量纲参数流量系数：

式中，C_z1为进口气流轴向速度，U为压气机工作点的转速。

(7)根据脊背特性将特性线拓展至全工况

已知三条脊背特性随转速的变化趋势后，通过已知压气机特性线计算得到脊背功系数、脊背压气机损失及脊背流量系数，便可根据理论趋势对三条脊背特性进行拓展。三条脊背特性理论趋势分别如图2-4所示。

Claims (1)

1.一种用于压气机全工况特性拓展的方法，其特征是：

(1)根据改进的相似定律计算指数：

对于透平机械，低转速区特性存在着如下的相似理论：

上式中，m为质量流量，n为转速，W等熵压缩功，η为效率，x₁,y,x₂,z代表任意两条转速线之间的相似理论指数，1和2分别代表任意两条折合转速中的低和高转速；

公式和/>代表了不同转速之间的流量-压比相似特性，以喘振点数据计算x₁,y的值；公式

和/>代表了不同转速之间的流量-效率相似特性，以最佳运行点数据计算x₂,z的值；

(2)引入相似定律修正系数：

当转速不变而流量变化时，压气机的压比亦会随之变化，导致空气的密度改变，反应在特性图上即为当流量偏离喘振点或最佳运行点越远时，预测出的曲线与实际的曲线偏差越大，为弥补这种偏差，添加空气密度修正系数k₁、k₂，采用基因遗传算法计算得到使误差最小的k₁,k₂的值，具体方程如下：

m_s,m_opt为同转速下喘振点和最佳运行点对应的流量值；

遗传优化算法目标函数如下：

(3)对求解得到的修正系数进行曲线拟合：

在求解出k₁,k₂的最优解之后，获得k₁,k₂与转速的关系

k₁＝f(n)

k₂＝f(n)；

(4)对喘振边界线和最佳运行线进行曲线拟合：

将已知转速对应的喘振边界点参数和最佳运行点参数进行拟合，拟合成关于转速n的多项式函数：

m＝f(n)

η＝f(n)

p＝f(n)；

(5)根据改进之后的相似定律对已知的特性线进行拓展：

获得参数与转速的关系之后，根据关系式求得压气机全工况转速情况下的喘振边界点与最佳运行点的参数，之后求解不同等折合转速特性线所对应的指数x1、x2、y、z，最后根据公式

和/>求解压气机全工况等折合转速线下的压气机特性；

(6)计算功系数、压气机损失及流量系数随转速的变化关系：

首先定义压气机实际耗功的无量纲参数为功系数：

式中，Δh为压气机的实际压缩消耗的比功，U为压气机工作点的转速；

压气机等熵压缩功的无量纲参数为压力系数：

式中，Δh_i为压气机的等熵压缩消耗的比功，U为压气机工作点的转速；

定义压气机的实际耗功与等熵压缩功的无量纲参数的差值为压气机损失，则有下式：

再引入流量的无量纲参数流量系数：

式中，C_z1为进口气流轴向速度，U为压气机工作点的转速；

(7)根据脊背特性将特性线拓展至全工况：

已知三条脊背特性随转速的变化趋势后，通过已知压气机特性线计算得到脊背功系数、脊背压气机损失及脊背流量系数，根据理论趋势对三条脊背特性进行拓展；

在原有的相似定理的基础上，以喘振点和最佳运行点为基准，分别计算不同转速之间的相似定理指数x₁,y,x₂,z，然后分别引入空气密度变化修正系数k₁、k₂用来修正不同转速下由于空气被压缩而造成的空气密度变化，k₁,k₂的计算可采用遗传优化算法，分别以相同流量下实际压比与预测压比的误差和相同流量下实际效率与预测效率的误差的最小值为目标函数，进而求得最优的k₁,k₂的解；将k₁,k₂分别于转速进行曲线拟合，从而拓展出低转速下的k₁,k₂，用以预测低转速下的压气机特性。