CN112487566B - 一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法，提取压气机进口第一级动叶片特征截面位置处的气动参数，计算出在折合转速下的第一级动叶进口气动参数，求出进口可转导叶在该折合转速时的转动角度；将该角度作为参考基准转角，令各列可转静叶在动作过程中的转动角度与其成分式规律关系，求得各列可转静叶的转动角度值；分别进行各个特征折合转速下的各列可转导/静叶转动角度计算，得到压气机各列可转导/静叶在不同折合转速下的转动角度，从而设计出压气机的多列可转导/静叶分式联合调控规律。本发明能够快速地获得多列可转导/静叶联合调控转角规律，能够提升压气机在低工况下的喘振裕度指标。

Description

一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联 合调控规律设计方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是船舶燃气轮机压气机设计方法。

背景技术

压气机作为船舶燃气轮机最为重要的三大核心部件之一，其技术性能和可靠性直接影响着船舶燃气轮机的安全性、经济性指标的实现。为了适应船舶航行过程中的技战术要求，船舶燃气轮机要在保证设计点性能的同时，特别强调低工况下的宽裕度高效运行。这种大范围变工况下的运行特点，使燃气轮机在作为船舶动力系统推进或发电使用时的低工况稳定性问题十分突出，并往往成为机组性能的限制瓶颈，这就对船舶燃气轮机压气机在非设计工况下的性能与稳定性提出了更高的要求。因此，为了使船舶燃气轮机具有更宽的稳定工作范围与更优秀的变工况性能，往往需要采用各种防喘扩稳技术，提高其压气机在低工况下的喘振裕度指标。

在各种压气机防喘扩稳技术中，可转导/静叶调控技术是提高压气机非设计工况性能的重要技术手段。随着船舶燃气轮机对压气机低工况喘振裕度指标要求的不断提升，压气机的可转导/静叶防喘扩稳设计技术也在不断发展。同时，随着可转导/静叶列数的逐渐增加与可转导/静叶调控方式的日趋灵活，多列可转导/静叶之间的角度组合方案样本数量激增，这给压气机多列可转导/静叶的联合调控转角规律设计带来了更大的难度和挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供能真正实现压气机的喘振裕度提升一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法，其特征是：

(1)选择沿叶高平均半径位置作为可转导/静叶转角计算的特征截面；

(2)提取压气机在设计点下进口第一级动叶片特征截面位置处的气动参数，包括：进口轴向速度C_1a、圆周速度U、进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁；

(3)根据压气机设计点折合转速n_np，以及要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′，计算出该折合转速下第一级动叶片特征截面位置处的圆周速度U′；

(4)设定一个在该折合转速n_np′下，通过可转导/静叶转动调节所预期达到的折合流量值G_np′，结合压气机设计点折合流量值G_np，获取该折合转速下第一级动叶片特征截面位置处的进口轴向速度C_1a′；

(5)求解进口可转导叶在该折合转速n_np′时的转动角度△α，保持第一级动叶片特征截面位置处的进口相对气流角在可转导/静叶转动前后不变，即β₁′＝β₁，根据该折合转速下第一级动叶片特征截面位置处的圆周速度U′、进口轴向速度C_1a′和进口相对气流角β₁′，获取在该折合转速下可转导/静叶转动后第一级动叶片特征截面位置处的进口绝对气流角α₁′，进而获取进口可转导叶在该折合转速n_np′时的转动角度△α；

(6)将以上求得的进口可转导叶转动角度作为参考基准转角△α_ref，令各列可转静叶在动作过程中的转动角度△α_j与其成分式规律关系，即可得各列可转静叶的转动角度值；

(7)按照以上步骤分别进行各个特征折合转速下的各列可转导/静叶转动角度计算，得到压气机各列可转导/静叶在不同折合转速下的转动角度，从而设计出压气机的多列可转导/静叶分式联合调控规律。

本发明还可以包括：

1、圆周速度U′的计算方法如下：

2、进口轴向速度C_1a′的计算方法如下：

上式中，δ_c为动叶进口轴向速度修正系数。

3、进口绝对气流角α₁′的计算方法如下：

进而转动角度△α的计算方法如下：

△α＝α₁′-α₁。

4、所述令各列可转静叶在动作过程中的转动角度△α_j与其成分式规律关系，该分式规律通过如下方式计算：

定义各列可转导/静叶之间的分式规律系数K_j，K_j通过下式计算获得：

K_j＝ζ^j-1

式中，ζ为比例系数；

各列可转静叶在动作过程中的转动角度△α_j与参考基准角度△α_ref之间的关系按下式计算：

△α_j＝K_j△α_ref

即可求得各列可转静叶的转动角度值。

本发明的优势在于：

1、本发明所提出的船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法，为压气机多列可转导/静叶联合调控防喘扩稳技术的实现提供了一条快速有效的途径；通过本发明获得的压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律，能够有效提升压气机在低工况下的喘振裕度指标，为船舶燃气轮机低工况瓶颈问题的解决提供技术支撑。

2、本发明提供的多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法，能够快速地获得较为理想的多列可转导/静叶联合调控转角规律，缩短了通过多列可转导/静叶之间不同角度组合方案的大量样本数量筛选寻优的传统可转导/静叶转角规律设计过程，有效减少了设计过程中大量三维CFD计算所造成的资源与时间消耗，简化了设计人员工作量，非常适合工程设计应用。

3、本发明所提出的船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法，不仅局限于船舶燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种带有可转导/静叶的工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的可转导/静叶转角规律设计过程。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的压气机进口可转导叶转角规律设计原理及气动参数定义图。

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1-2，一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：

步骤一：选择沿叶高平均半径位置作为可转导/静叶转角计算的特征截面，平均半径值可采用算术平均方法或面积加权平均方法计算；

步骤二：提取压气机在设计点下(此时所有可转导/静叶转角均为0°)进口第一级动叶片特征截面位置处的主要气动参数，包括：进口轴向速度C_1a、圆周速度U、进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁。以上气动参数可以通过整个压气机设计点下的全三维CFD计算求解获得，也可以通过压气机的准三维通流设计计算获得；

步骤三：根据压气机设计点折合转速n_np，以及要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′，计算出该折合转速下第一级动叶片特征截面位置处的圆周速度U′，计算方法如下：

步骤四：设定一个在该折合转速n_np′下，通过可转导/静叶转动调节所预期达到的折合流量值G_np′，结合压气机设计点折合流量值G_np，计算出该折合转速下第一级动叶片特征截面位置处的进口轴向速度C_1a′。在计算时，应考虑到多列可转导叶同时动作对第一级动叶进口轴向速度的联合调控效果所造成的影响作用，并加以修正，计算方法如下：

上式中，δ_c为动叶进口轴向速度修正系数，它与压气机的可转导/静叶总列数N相关，即：

δ_c＝f(N)

步骤五：求解进口可转导叶在该折合转速n_np′时的转动角度△α。可转导叶的调节原则是通过可转导叶转动，保证第一级动叶片在低工况下的进口相对气流角与设计状态基本一致，因此，保持第一级动叶片特征截面位置处的进口相对气流角在可转导/静叶转动前后不变，即：

β₁′＝β₁

根据该折合转速下第一级动叶片特征截面位置处的圆周速度U′、进口轴向速度C_1a′和进口相对气流角β₁′，计算出在该折合转速下可转导/静叶转动后第一级动叶片特征截面位置处的进口绝对气流角α₁′，计算方法如下：

进而求出进口可转导叶在该折合转速n_np′时的转动角度△α，计算方法如下：

△α＝α₁′-α₁

步骤六：将以上求得的进口可转导叶转动角度作为参考基准转角△α_ref，即：

△α_ref＝△α

令各列可转静叶在动作过程中的转动角度△α_j与其成分式规律关系，该分式规律通过如下方式计算：

定义各列可转导/静叶之间的分式规律系数K_j，K_j通过下式计算获得：

K_j＝ζ^j-1

式中，ζ为比例系数，通常推荐值ζ＝0.8，可根据不同压气机的喘振裕度及效率设计指标，结合该压气机的具体性能情况进行择优调整。

各列可转静叶在动作过程中的转动角度△α_j与参考基准角度△α_ref之间的关系按下式计算：

△α_j＝K_j△α_ref

即可求得各列可转静叶的转动角度值；

步骤七：以此类推，按照以上步骤分别进行各个特征折合转速下的各列可转导/静叶转动角度计算，得到压气机各列可转导/静叶在不同折合转速下的转动角度，从而设计出压气机的多列可转导/静叶分式联合调控规律。

Claims (1)

1.一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多列可转导/静叶分式联合调控规律设计方法，其特征是：

(1)选择沿叶高平均半径位置作为可转导/静叶转角计算的特征截面；

(2)提取压气机在设计点下进口第一级动叶片特征截面位置处的气动参数，包括：进口轴向速度C_1a、圆周速度U、进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁；

(3)根据压气机设计点折合转速n_np，以及要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′，计算出要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′下第一级动叶片特征截面位置处的圆周速度U′；

(4)设定一个在要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′下，通过可转导/静叶转动调节所预期达到的折合流量值G_np′，结合压气机设计点折合流量值G_np，获取要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′下第一级动叶片特征截面位置处的进口轴向速度C_1a′；

(5)求解进口可转导叶在要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′时的转动角度△α，保持第一级动叶片特征截面位置处的进口相对气流角在可转导/静叶转动前后不变，即β₁′＝β₁，根据要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′下第一级动叶片特征截面位置处的圆周速度U′、进口轴向速度C_1a′和进口相对气流角β₁′，获取在要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′下可转导/静叶转动后第一级动叶片特征截面位置处的进口绝对气流角α₁′，进而获取进口可转导叶在要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′时的转动角度△α；

(6)将以上求得的进口可转导叶转动角度作为参考基准转角△α_ref，令各列可转静叶在动作过程中的转动角度△α_j与其成分式规律关系，即可得各列可转静叶的转动角度值；

(7)按照以上步骤分别进行各个要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′下的各列可转导/静叶转动角度计算，得到压气机各列可转导/静叶在不同要求解可转导/静叶转动角度的压气机折合转速n_np′下的转动角度，从而设计出压气机的多列可转导/静叶分式联合调控规律；

圆周速度U′的计算方法如下：

进口轴向速度C_1a′的计算方法如下：

上式中，δ_c为动叶进口轴向速度修正系数；

进口绝对气流角α₁′的计算方法如下：

进而转动角度△α的计算方法如下：

△α＝α₁′-α₁；

所述令各列可转静叶在动作过程中的转动角度△α_j与其成分式规律关系，该分式规律通过如下方式计算：

定义各列可转导/静叶之间的分式规律系数K_j，K_j通过下式计算获得：

K_j＝ζ^j-1

式中，ζ为比例系数；

各列可转静叶在动作过程中的转动角度△α_j与参考基准角度△α_ref之间的关系按下式计算：

△α_j＝K_j△α_ref

即可求得各列可转静叶的转动角度值。

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