CN110442956B - 一种燃气轮机部件级仿真方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于燃气轮机试验技术领域，涉及一种燃气轮机部件级仿真方法，所述方法包括获取压气机特性参数的步骤，根据试验测得的压气机特性参数，通过拟合插值求解任一压比及转速下的流量与效率，本申请通过在二维坐标下做等距线，获取了包含压比、转速及流量三个参数在内的矩阵，通过该矩阵拟合转速与流量曲线，以及拟合转速与压比曲线，从而获得已知转速下的多个压比及流量，之后拟合压比与流量曲线，计算已知压比下的流量，效率计算方式等同。本申请在进行燃气轮机部件级仿真时，能够根据给定的转速与压比迅速计算出流量与效率，计算速度快，精度高，满足了燃气轮机动态仿真模型的要求。

Description

一种燃气轮机部件级仿真方法

技术领域

本申请属于燃气轮机试验技术领域，特别涉及一种燃气轮机部件级仿真方法。

背景技术

作为燃气轮机的3大部件之一，压气机的特性对于燃气轮机部件级仿真模型结果有显著影响。压气机特性是通过部件实验测得的离散数据组成，测量的压气机性能参数有压比π、效率η、流量w_a、转速N，压气机特性一般表示为：

π＝f(N,w_a)

η＝f(N,π)

图2给出了压比、转速、流量之间的关系，进行压气机特性插值时，一般是通过已知参数值转速N′、压比π′进行二维插值分别得到流量w′_a、效率η′，所采取的插值方法一般是通过待求点(N′，π′)附近的四个节点进行二维插值。

通过附近四个节点进行二维插值计算待求节点数据，易导致其它节点数据信息丢失，特别是流量跨度范围较大的压气机两等转速特性线之间进行特性插值易产生较大偏差，以图2为例，已知转速0.65，压比1.2，此时通过图2的离散点插值计算流量时，选取转速在0.6时压比为1.2的两个节点AB，以及转速在0.7上的压比在1.2附近的两个节点CD，采用这四个节点进行插值时，会造成计算结果出现偏差。

由于高、低转速范围的等转速特性线的形状，一般在高、低转速范围进行二维插值易存在较大偏差。

二维插值方法由于计算过程复杂，计算量大，速度慢，不适用于燃机动态仿真模型。

发明内容

为解决上述问题之一，本申请提出了一种燃气轮机部件级仿真方法，包括获取压气机特性参数，以及根据压气机特性参数进行燃气轮机动态仿真，获取所述压气机特性参数包括：

步骤S1、通过压气机部件实验测得部分压气机特性参数，形成离散的第一组压气机特性点，将所述第一组压气机特性点置于第一二维坐标系内，其包括m组在不同转速下对应的流量及压比；

步骤S2、做n条等距平行辅助线，以完全覆盖所述压气机特性点；

步骤S3、拟合各组等转速下的压气机特性点，形成m条等转速特性线；

步骤S4、将n条等距平行辅助线与m条等转速特性线联立求解，获得交点矩阵，所述交点矩阵的每个交点包含流量、压比及转速三个参数；

步骤S5、对所述交点矩阵的每一行中的转速与流量进行曲线拟合，得到n条第一拟合曲线；

步骤S6、对所述交点矩阵的每一行中的转速与压比进行曲线拟合，得到n条第二拟合曲线；

步骤S7、对需要进行流量计算的已知转速，根据步骤S5计算已知转速下的n个节点流量；以及根据步骤S6计算已知转速下的n个节点的压比；

步骤S8、对步骤S7的n个节点流量及n个节点压比进行曲线拟合，得到已知转速下的流量与压比的关系；

步骤S9、对需要进行流量计算的已知压比，根据步骤S8的流量与压比的关系计算流量。

优选的是，获取所述压气机特性参数还包括：

在步骤S1中形成离散的第二组压气机特性点，将所述第二组压气机特性点置于第二二维坐标系内，其包括m组在不同转速下对应的流量及效率，并根据步骤S2-S9的方法类比得到已知转速与已知流量下的效率。

优选的是，步骤S2中n大于10。

优选的是，步骤S2中，所述平行辅助线为平行直线。

优选的是，步骤S5及步骤S6中，采用三次样条曲线进行拟合。

优选的是，步骤S8中采用三次样条曲线进行拟合。

本申请在进行燃气轮机部件级仿真时，能够根据给定的转速与压比迅速计算出流量与效率，计算速度快，精度高，满足了燃气轮机动态仿真模型的要求。

附图说明

图1是本申请燃气轮机部件级仿真方法流程图。

图2是本申请压气机试验特性示意图。

图3是本申请压气机试验辅助线示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请的目的在于提供一种燃气轮机部件级仿真方法，包括获取压气机特性参数，以及根据压气机特性参数进行燃气轮机动态仿真模型构建。

在进行仿真时，首先通过试验获取部分压气机特性参数，这些参数包括流量、压比、效率及转速，之后在进行轮机动态仿真时，根据需求的压气机转速及压比，需要给出相应的压气机流量及工作点效率，将其输入到仿真模型中，参与仿真计算，现有技术在根据部分压气机特性参数求解任一转速及压比下的流量或者效率是通过拟合插值的方式进行的，如背景技术中所描述的，存在速度慢、偏差大的缺陷，会造成后续防止计算的偏差。

为此，本申请的一个首要目的是提供一种精确的插值计算方法，已得到已知转速及已知压比下的流量，或者已知转速、已知压比下的效率，或者在求得流量后，根据已知转速及已知流量获得压比。

本申请以第一种计算过程为例进行说明，即已知转速及压比，求流量。

参考图1，所述方法包括：

步骤S1、通过压气机部件实验测得部分压气机特性参数，形成离散的第一组压气机特性点，将所述第一组压气机特性点置于第一二维坐标系内，其包括m组在不同转速下对应的流量及压比；

步骤S2、做n条等距平行辅助线，以完全覆盖所述压气机特性点；

步骤S3、拟合各组等转速下的压气机特性点，形成m条等转速特性线；

步骤S4、将n条等距平行辅助线与m条等转速特性线联立求解，获得交点矩阵，所述交点矩阵的每个交点包含流量、压比及转速三个参数；

步骤S5、对所述交点矩阵的每一行中的转速与流量进行曲线拟合，得到n条第一拟合曲线；

步骤S6、对所述交点矩阵的每一行中的转速与压比进行曲线拟合，得到n条第二拟合曲线；

步骤S7、对需要进行流量计算的已知转速，根据步骤S5计算已知转速下的n个节点流量；以及根据步骤S6计算已知转速下的n个节点的压比；

步骤S8、对步骤S7的n个节点流量及n个节点压比进行曲线拟合，得到已知转速下的流量与压比的关系；

步骤S9、对需要进行流量计算的已知压比，根据步骤S8的流量与压比的关系计算流量。

需要说明的是，步骤S1是根据试验获得了已知的多个压气机特性参数，后续步骤在此基础上进行拟合插值，步骤S2-步骤S4实际上是获取了更细的坐标粒度，在此基础上，步骤S5获取了转速与流量的关系，步骤S6获取了转速与压比的关系，上述两个步骤拟合的曲线都与转速相关，这样对于给定已知的转速，该转速下的各个节点的流量及压比就是已知的，节点数量n越大，粒度越细，从而在步骤S8中就拟合出了该转速下的流量与压比的关系，从而将三维问题转化为了二维问题，之后再将已知压比输入到步骤S8确定的关系中，在二维上求解即可。

以下为具体实施例：

步骤S1-S4：

作n(一般大于10)条等距平行直线，即辅助线(见图2)，这些直线要完全覆盖压气机特性点，这些直线函数为：π＝f_k(w_a)，其中k＝1,2,...,n。

采用三次样条曲线对各等转速特性点进行拟合，可得到m条等转速特性线，这些等转速特性线的函数为：π＝S_k(w_a)，其中k＝1,2,...,m。

则上述n条直线的函数表达式与m条样条拟合曲线函数表达式联立求解，得到n×m个交点矩阵[N_ij,Wa_ij,π_ij]_n×m。

步骤S5-S6：

采用3次样条曲线进行拟合交点矩阵的每一行{(N_k·,W_ak·),k＝1,2,…n}，则可得到n条拟合曲线,函数为：Wa＝S′_k(N)，k＝1,2,...,n。

同样，采用3次样条曲线进行拟合交点矩阵的每一行{(N_k·,π_k·),k＝1,2,…n}，则可得到n条拟合曲线,函数为：π＝S″_k(N)，k＝1,2,…,n。

步骤S7：

通过上述步骤得到的n个曲线函数Wa＝S′_k(N)，可计算已知工作点转速N′的对应等转速特性线上的n个节点的流量Wa|_n×1＝[Wa₁ Wa₂ … Wa_n]。

通过上述步骤得到的n个直线函数π＝S″_k(N)，可计算出已知工作点转速N′的对应等转速特性线上的n个节点的压比π|_n×1＝[π₁ π₂ … π_n]。

步骤S8：

根据上述步骤计算的Wa|_n×1和π|_n×1可得到已知工作点转速N′的对应等转速特性线上的n个节点的坐标(Wa|_n×1，π|_n×1)。同样采用三次样条曲线进行拟合该n个节点，可得到已知工作点转速N′的对应等转速特性线的函数表达式w_a＝f′(π)。

步骤S9：

根据上述步骤得到的工作点转速N′对应等转速特性线的函数表达式w_a＝f′(π)和工作点压比π′，可计算出工作点流量Wa′。

同样采取上述工作点流量Wa′计算方法，可计算工作点效率η′。简要概述为：

在步骤S1中形成离散的第二组压气机特性点，将所述第二组压气机特性点置于第二二维坐标系内，其包括m组在不同转速下对应的流量及效率；

步骤S2-步骤S4基本一致，都是做等距辅助线，以获取更细的粒度，形成的包含三个参数(转速、流量、效率)在内的矩阵，在此基础上，步骤S5获取了转速与流量的关系，步骤S6获取了转速与效率的关系，上述两个步骤拟合的曲线都与转速相关，这样对于给定已知的转速，该转速下的各个节点的流量及效率就是已知的，节点数量n越大，粒度越细，从而在步骤S8中就拟合出了该转速下的流量与效率的关系，从而将三维问题转化为了二维问题，之后再将已知流量输入到步骤S8确定的关系中，在二维上求解效率即可。

本申请在进行燃气轮机部件级仿真时，能够根据给定的转速与压比迅速计算出流量与效率，计算速度快，精度高，满足了燃气轮机动态仿真模型的要求。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种燃气轮机部件级仿真方法，包括获取压气机特性参数，以及根据压气机特性参数进行燃气轮机动态仿真，其特征在于，获取所述压气机特性参数包括：

步骤S1、通过压气机部件实验测得部分压气机特性参数，形成离散的第一组压气机特性点，将所述第一组压气机特性点置于第一二维坐标系内，其包括m组在不同转速下对应的流量及压比；

步骤S2、做n条等距平行辅助线，以完全覆盖所述压气机特性点；

步骤S3、拟合各组等转速下的压气机特性点，形成m条等转速特性线；

步骤S4、将n条等距平行辅助线与m条等转速特性线联立求解，获得交点矩阵，所述交点矩阵的每个交点包含流量、压比及转速三个参数；

步骤S5、对所述交点矩阵的每一行中的转速与流量进行曲线拟合，得到n条第一拟合曲线；

步骤S6、对所述交点矩阵的每一行中的转速与压比进行曲线拟合，得到n条第二拟合曲线；

步骤S7、对需要进行流量计算的已知转速，根据步骤S5计算已知转速下的n个节点流量；以及根据步骤S6计算已知转速下的n个节点的压比；

步骤S8、对步骤S7的n个节点流量及n个节点压比进行曲线拟合，得到已知转速下的流量与压比的关系；

步骤S9、对需要进行流量计算的已知压比，根据步骤S8的流量与压比的关系计算流量。

2.如权利要求1所述的燃气轮机部件级仿真方法，其特征在于，获取所述压气机特性参数还包括：

在步骤S1中形成离散的第二组压气机特性点，将所述第二组压气机特性点置于第二二维坐标系内，其包括m组在不同转速下对应的流量及效率，并根据步骤S2-S9的方法类比得到已知转速与已知流量下的效率。

3.如权利要求1所述的燃气轮机部件级仿真方法，其特征在于，步骤S2中n大于10。

4.如权利要求1所述的燃气轮机部件级仿真方法，其特征在于，步骤S2中，所述平行辅助线为平行直线。

5.如权利要求1所述的燃气轮机部件级仿真方法，其特征在于，步骤S5及步骤S6中，采用三次样条曲线进行拟合。

6.如权利要求1所述的燃气轮机部件级仿真方法，其特征在于，步骤S8中采用三次样条曲线进行拟合。

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