CN113792503B - 一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法 - Google Patents

一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法，包括如下步骤：通过三维CFD计算，获得低压压气机的特性曲线与低工况喘振边界点时的失速区域位置，整机总体性能仿真分析，根据三维CFD计算获得的低压压气机在低工况下近喘振点时的失速区域位置，初步确定低压压气机级间放气位置方案，根据初步确定的放气量与放气位置，进行排列组合，并从中筛选出样本方案，确定最终的低压压气机级间放气方案。本发明在提升喘振裕度的同时，把级间放气对压气机内部流动的影响降至最低，有效扩大了低压压气机的高效稳定运行工作范围。

Description

一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机控制方法，具体地说是压气机防喘方法。
背景技术
作为船用燃气轮机的三大核心部件之一，压气机的性能优劣与可靠稳定直接影响着船用燃气轮机的安全性、技术性与经济性指标的实现。对于船用燃气轮机而言，为了适应船舶在航行过程中的技术要求，机组要在保证高工况性能的同时，特别强调低工况下的宽裕度稳定运行。船用燃气轮机这种大范围变工况的运行特点，使其压气机特别是低压压气机的低工况稳定性问题十分突出。因此，为了使船用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，往往需要在压气机上采用各种防喘扩稳技术，以提高其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，级间放气是提高低工况喘振裕度最简单直接也是最为常用的技术手段。通过级间放气，可以使压气机的共同工作线向下平移，从而使压气机的喘振裕度得到提升；但另一方面，由于将压气机内部经过压缩的气体在级间排出，可能会导致压气机本身的性能下降；同时，长时间大量放气还可能对于机组的舱室环境等造成不良影响。基于以上原因，需要对压气机的级间放气方案进行详细的设计与分析，在喘振裕度提升与压气机性能变化、舱室环境影响等方面进行综合评估，寻求压气机安全稳定运行与其他方面的最佳平衡点。为此，必须发展船用燃气轮机压气机的低工况级间放气防喘设计方法，形成适合于实际工程设计应用的压气机级间放气防喘设计技术，才能真正实现压气机的喘振裕度提升。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决喘振裕度不足等问题的一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法，其特征是：
(1)通过三维CFD计算，获得低压压气机的特性曲线与低工况喘振边界点时的失速区域位置；
(2)整机总体性能仿真分析：根据三维CFD计算获得的低压压气机特性曲线，通过燃气轮机的总体性能仿真，获得低压压气机的共同工作线；然后依据低压压气机在全工况范围内安全稳定运行的最小喘振裕度要求，初步确定低压压气机的放气运行工况范围与放气量；
(3)级间放气位置初步拟定：根据三维CFD计算获得的低压压气机在低工况下近喘振点时的失速区域位置，初步确定低压压气机级间放气位置方案；
(4)级间放气方案设计：根据初步确定的放气量与放气位置，进行排列组合，并从中筛选出样本方案；
(5)不同方案三维CFD计算分析：对筛选出的样本方案进行低压压气机三维CFD计算，并进行计算结果评估分析，确定最终的放气工况以及最佳的放气位置、放气量，从而确定最终的低压压气机级间放气方案。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)中获得压气机的特性曲线与低工况喘振边界点时的失速区域位置，是指在给定压气机转速、进口总温和总压的基础上，通过改变压气机出口静压值获得压气机在该转速下的特性曲线，并寻找压气机数值计算的发散点，取临界发散点作为压气机在该转速下的喘振边界点。
2、步骤(2)中低压压气机在全工况范围内安全稳定运行的最小喘振裕度要求为：在全工况范围内的最小喘振裕度不低于10％。
3、步骤(3)中初步确定低压压气机级间放气位置方案具体为：选择低压压气机失速发生级静叶前、失速前一级静叶前、失速后一级静叶前三个放气位置作为初始放气位置方案。
4、步骤(4)中根据初步确定的放气量与放气位置，进行排列组合，并从中筛选出样本方案，具体为：以放气量与放气位置作为变量，采用拉丁超立方试验设计方法，获得样本方案库。
5、步骤(5)中所述的进行计算结果评估分析，具体为：以压气机喘振边界扩张量与内部流场改善情况作为评估标准，选择喘振边界扩张量最大、对失速团削弱最多且对叶根处流动分离影响最小的方案作为最终放气方案。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘设计方法，充分考虑了低压压气机喘振裕度提升与压气机本身性能保持之间的平衡，从而在提升喘振裕度的同时，把级间放气对压气机内部流动的影响降至最低，有效扩大了低压压气机的高效稳定运行工作范围。
2、本发明提出的船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘设计方法，实现了低压压气机低工况级间放气防喘设计的快速寻优，并且能够直接集成至现有的压气机防喘设计体系流程中，可有效缩短设计周期，提高设计效率。
3、本发明提出的船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘设计方法，不仅局限于船用燃气轮机低压压气机，同样适用于各种工业用多级轴流压缩机、航空发动机多级轴流压气机的气动设计过程。
附图说明
图1为本发明的流程图。
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，本发明一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘设计方法通过以下步骤实现：
步骤一：低压压气机三维CFD计算分析。通过三维CFD计算，获得压气机的特性曲线与低工况喘振边界点时的失速区域位置。通常是在给定压气机转速、进口总温和总压的基础上，通过改变压气机出口静压值获得压气机在该转速下的特性曲线，并寻找压气机数值计算的发散点，取临界发散点作为压气机在该转速下的喘振边界点。
步骤二：整机总体性能仿真分析。根据三维CFD计算获得的低压压气机特性曲线，以及其他部件在不同工况下的特性数据，通过燃气轮机的总体性能仿真，获得低压压气机的共同工作线；然后依据低压压气机在全工况范围内安全稳定运行的最小喘振裕度要求，初步确定低压压气机的放气运行工况范围与放气量。对于船用燃气轮机，压气机在全工况范围内的最小喘振裕度不低于10％。
步骤三：级间放气位置初步拟定。根据三维CFD计算获得的低压压气机在低工况下近喘振点时的失速区域位置，初步确定低压压气机级间放气位置方案。通常选择低压压气机失速发生级静叶前、失速前一级静叶前、失速后一级静叶前三个放气位置作为初始放气位置方案。
步骤四：级间放气方案设计。根据初步确定的放气量与放气位置，进行排列组合，并从中筛选出样本方案。本发明以放气量与放气位置作为变量，采用拉丁超立方试验设计方法，获得样本方案库。
步骤五：不同方案三维CFD计算分析。对筛选出的样本方案库进行低压压气机三维CFD计算，并进行计算结果评估分析，确定最终的放气工况以及最佳的放气位置、放气量。通常以压气机喘振边界扩张量与内部流场改善情况作为评估标准，一般选择喘振边界扩张量最大、对失速团削弱最多且对叶根处流动分离影响最小的方案作为最佳的放气位置与放气量方案。从而确定最终的低压压气机级间放气方案。
本发明提出的船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘设计方法，不仅局限于船用燃气轮机低压压气机，同样适用于各种工业用多级轴流压缩机、航空发动机多级轴流压气机的气动设计过程。

Claims (3)

1.一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法，其特征是：
(1)通过三维CFD计算，获得低压压气机的特性曲线与低工况喘振边界点时的失速区域位置；
(2)整机总体性能仿真分析：根据三维CFD计算获得的低压压气机特性曲线，通过燃气轮机的总体性能仿真，获得低压压气机的共同工作线；然后依据低压压气机在全工况范围内安全稳定运行的最小喘振裕度要求，初步确定低压压气机的放气运行工况范围与放气量；
(3)级间放气位置初步拟定：根据三维CFD计算获得的低压压气机在低工况下近喘振点时的失速区域位置，初步确定低压压气机级间放气位置方案，具体为：选择低压压气机失速发生级静叶前、失速前一级静叶前、失速后一级静叶前三个放气位置作为初始放气位置方案；
(4)级间放气方案设计：根据初步确定的放气量与放气位置，进行排列组合，并从中筛选出样本方案，具体为：以放气量与放气位置作为变量，采用拉丁超立方试验设计方法，获得样本方案库；
(5)不同方案三维CFD计算分析：对筛选出的样本方案进行低压压气机三维CFD计算，并进行计算结果评估分析，确定最终的放气工况以及最佳的放气位置、放气量，从而确定最终的低压压气机级间放气方案，具体为：以压气机喘振边界扩张量与内部流场改善情况作为评估标准，选择喘振边界扩张量最大、对失速团削弱最多且对叶根处流动分离影响最小的方案作为最终放气方案。
2.根据权利要求1所述的一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法，其特征是：步骤(1)中获得压气机的特性曲线与低工况喘振边界点时的失速区域位置，是指在给定压气机转速、进口总温和总压的基础上，通过改变压气机出口静压值获得压气机在该转速下的特性曲线，并寻找压气机数值计算的发散点，取临界发散点作为压气机在该转速下的喘振边界点。
3.根据权利要求1所述的一种船用燃气轮机低压压气机低工况级间放气防喘方法，其特征是：步骤(2)中低压压气机在全工况范围内安全稳定运行的最小喘振裕度要求为：在全工况范围内的最小喘振裕度不低于10％。
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