CN114756954A - 三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法 - Google Patents

三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114756954A
CN114756954A CN202210201072.7A CN202210201072A CN114756954A CN 114756954 A CN114756954 A CN 114756954A CN 202210201072 A CN202210201072 A CN 202210201072A CN 114756954 A CN114756954 A CN 114756954A
Authority
CN
China
Prior art keywords
stage
compressor
load
flow
gas turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210201072.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114756954B (zh
Inventor
王�琦
肖舒宁
张舟
洪青松
毛冬岩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
703th Research Institute of CSIC
Original Assignee
703th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 703th Research Institute of CSIC filed Critical 703th Research Institute of CSIC
Priority to CN202210201072.7A priority Critical patent/CN114756954B/zh
Publication of CN114756954A publication Critical patent/CN114756954A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114756954B publication Critical patent/CN114756954B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

本发明的目的在于提供三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法，在确定压气机设计参数后，选择流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω作为负荷控制参数并进行逐级分布规律的参数化设计，通过一维反问题求解，获得压气机通流负荷的一维分配方案。本发明通过关键控制参数的特定分布规律设计，实现了低压压气机内部通流负荷的参数化与定制化，提高了设计精度，缩短了设计周期。同时，本发明不仅局限于船用燃机低压压气机，同样适用于各种使用工况范围宽、低工况喘振裕度要求高的轴流压气机气动设计过程。

Description

三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机控制方法，具体地说是压气机控制方法。
背景技术
压气机作为船用燃气轮机最为重要的三大核心部件之一，其性能优劣直接影响着船用燃气轮机的技术性指标与经济性指标能否按设计预期实现。随着船用燃气轮机效率、功率、稳定性等关键性能指标的不断提升，对压气机部件的设计提出了极高的要求：一方面是级负荷水平的提升，一方面是在宽工况范围内保证长期高效稳定运行。以上述需求为牵引，必须探索和发展先进高效的压气机气动设计技术及方法，来应对燃气轮机的发展给压气机设计带来的困难和挑战。
三转子燃气轮机作为船用燃气轮机最广泛采用的一种布局形式，其低压压气机的气动设计技术是船用燃气轮机设计体系中最为重要的核心技术之一。如何设计出高效率宽裕度的低压压气机，其关键在于合理分配压气机内部的空间负荷，使不同工况下压气机各级的压缩能力均得到充分发挥。为了保证未来我国船用燃气轮机实现全工况高效运行，必须突破宽裕度低压压气机通流负荷设计技术，才能使压气机性能实现质的飞跃。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决三转子船用燃机低压压气机由于通流负荷匹配失衡所造成的低工况喘振裕度不足问题的三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法，其特征是：
(1)确定压气机设计参数，包括压气机进口条件、转速、流量、压比、级数、第一级动叶外径与轮毂比；
(2)选择负荷控制参数，采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω作为负荷控制参数；
(3)流量系数φ逐级分布规律设计，给定流量系数φ与级序号i之间关系；
(4)载荷系数ψ逐级分布规律设计，给定载荷系数ψ与级序号i之间关系；
(5)反动度Ω逐级分布规律设计，给定反动度Ω与级序号i之间关系；
(6)一维反问题求解，将以上步骤获得的压气机参数作为输入变量，进行一维反问题求解，获得压气机通流负荷的一维分配方案。
本发明还可以包括：
1、步骤(3)中所述的给定流量系数φ与级序号i之间关系，采用如下方式：
根据压气机进口流量、转速、第一级动叶外径与轮毂比，确定第一级进口流量系数φ1；然后通过以下关系式确定各级流量系数φi：
Figure BDA0003527449140000021
2、步骤(4)中所述的给定载荷系数ψ与级序号i之间关系，采用如下方式：
根据压气机转速、压比、第一级动叶外径，确定第一级载荷系数ψ1；然后通过以下关系式确定各级载荷系数ψi：
Figure BDA0003527449140000022
3、步骤(5)中所述的给定反动度Ω与级序号i之间关系，采用如下方式：
根据压气机进口条件与以上步骤计算得到的第一级进口流量系数φ1、第一级载荷系数ψ1，确定第一级反动度Ω1；然后通过以下关系式确定各级反动度Ωi：
当级数N为偶数时，取
Figure BDA0003527449140000031
级的反动度
Figure BDA0003527449140000032
的级按Ω1与
Figure BDA0003527449140000033
线性插值；
Figure BDA0003527449140000034
的级按Δ＝0.15～0.2进行逐级递增，即Ωi+1＝Ωi+Δ；
当级数N为奇数时，取
Figure BDA0003527449140000035
级的反动度
Figure BDA0003527449140000036
的级按Ω1与
Figure BDA0003527449140000037
线性插值；
Figure BDA0003527449140000038
的级按Δ＝0.15～0.2进行逐级递增，即Ωi+1＝Ωi+Δ。
本发明的优势在于：
1、本发明通过流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个关键参数的逐级分布规律设计，实现了低压压气机内部通流负荷的参数化与定制化，有效解决了船用燃机低压压气机由于通流负荷匹配失衡所导致的低工况喘振裕度不足问题，使船用燃机低压压气机的低工况性能得到了有效提升。
2、本发明可以实现船用燃机低压压气机气动方案的精细化设计，有效提高了船用燃机低压压气机的气动设计精度，缩短设计周期。
3、本发明不仅局限于船用燃机低压压气机，同样适用于各种使用工况范围宽、低工况喘振裕度要求高的轴流压气机气动设计过程。
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，本发明一种三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
步骤一：确定压气机设计参数。根据总体指标要求，确定压气机设计参数，包括压气机进口条件、转速、流量、压比、级数、第一级动叶外径与轮毂比等。
步骤二：选择负荷控制参数。采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω作为负荷控制参数。
步骤三：流量系数φ逐级分布规律设计。流量系数φ的定义如下：
Figure BDA0003527449140000041
其中C1a,m、Um为压气机各级动叶进口平均半径处轴向速度、圆周速度。
给定流量系数φ与级序号i之间关系如下：
根据压气机进口流量、转速、第一级动叶外径与轮毂比，确定第一级进口流量系数φ1；然后通过以下关系式确定各级流量系数φi：
Figure BDA0003527449140000042
步骤四：载荷系数ψ逐级分布规律设计。载荷系数ψ的定义如下：
Figure BDA0003527449140000043
其中C1u,m、C2u,m为压气机各级动叶进口、出口平均半径处绝对切向速度，Uk为压气机各级动叶进口叶顶处圆周速度。
给定载荷系数ψ与级序号i之间关系如下：
根据压气机转速、压比、第一级动叶外径，确定第一级载荷系数ψ1；然后通过以下关系式确定各级载荷系数ψi：
Figure BDA0003527449140000044
步骤五：反动度Ω逐级分布规律设计。反动度Ω的定义如下：
Figure BDA0003527449140000045
其中C1u,m、C2u,m为压气机各级动叶进口、出口平均半径处绝对切向速度，Um为压气机各级动叶进口平均半径处圆周速度。
给定反动度Ω与级序号i之间关系如下：
根据压气机进口条件与以上步骤计算得到的第一级进口流量系数φ1、第一级载荷系数ψ1，确定第一级反动度Ω1；然后通过以下关系式确定各级反动度Ωi：
当级数N为偶数时，取
Figure BDA0003527449140000051
级的反动度
Figure BDA0003527449140000052
的级按Ω1与
Figure BDA0003527449140000053
线性插值；
Figure BDA0003527449140000054
的级按Δ＝0.15～0.2进行逐级递增，即Ωi+1＝Ωi+Δ；
当级数N为奇数时，取
Figure BDA0003527449140000055
级的反动度
Figure BDA0003527449140000056
的级按Ω1与
Figure BDA0003527449140000057
线性插值；
Figure BDA0003527449140000058
的级按Δ＝0.15～0.2进行逐级递增，即Ωi+1＝Ωi+Δ。
步骤六：一维反问题求解。将以上步骤获得的压气机参数作为输入变量，进行一维反问题求解，获得压气机通流负荷的一维分配方案。
本发明提出的三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法具有通用性，不仅局限于船用燃机低压压气机，同样适用于各种使用工况范围宽、低工况喘振裕度要求高的轴流压气机气动设计过程。

Claims (4)

1.三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法，其特征是：
(1)确定压气机设计参数，包括压气机进口条件、转速、流量、压比、级数、第一级动叶外径与轮毂比；
(2)选择负荷控制参数，采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω作为负荷控制参数；
(3)流量系数φ逐级分布规律设计，给定流量系数φ与级序号i之间关系；
(4)载荷系数ψ逐级分布规律设计，给定载荷系数ψ与级序号i之间关系；
(5)反动度Ω逐级分布规律设计，给定反动度Ω与级序号i之间关系；
(6)一维反问题求解，将以上步骤获得的压气机参数作为输入变量，进行一维反问题求解，获得压气机通流负荷的一维分配方案。
2.根据权利要求1所述的三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法，其特征是：步骤(3)中所述的给定流量系数φ与级序号i之间关系，采用如下方式：
根据压气机进口流量、转速、第一级动叶外径与轮毂比，确定第一级进口流量系数φ1；然后通过以下关系式确定各级流量系数φi：
Figure FDA0003527449130000011
3.根据权利要求1所述的三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法，其特征是：步骤(4)中所述的给定载荷系数ψ与级序号i之间关系，采用如下方式：
根据压气机转速、压比、第一级动叶外径，确定第一级载荷系数ψ1；然后通过以下关系式确定各级载荷系数ψi：
Figure FDA0003527449130000012
4.根据权利要求1所述的三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法，其特征是：步骤(5)中所述的给定反动度Ω与级序号i之间关系，采用如下方式：
根据压气机进口条件与以上步骤计算得到的第一级进口流量系数φ1、第一级载荷系数ψ1，确定第一级反动度Ω1；然后通过以下关系式确定各级反动度Ωi：
当级数N为偶数时，取
Figure FDA0003527449130000021
级的反动度
Figure FDA0003527449130000022
的级按Ω1与
Figure FDA0003527449130000023
线性插值；
Figure FDA0003527449130000024
的级按Δ＝0.15～0.2进行逐级递增，即Ωi+1＝Ωi+Δ；
当级数N为奇数时，取
Figure FDA0003527449130000025
级的反动度
Figure FDA0003527449130000026
的级按Ω1与
Figure FDA0003527449130000027
线性插值；
Figure FDA0003527449130000028
的级按Δ＝0.15～0.2进行逐级递增，即Ωi+1＝Ωi+Δ。
CN202210201072.7A 2022-03-02 2022-03-02 三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法 Active CN114756954B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210201072.7A CN114756954B (zh) 2022-03-02 2022-03-02 三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210201072.7A CN114756954B (zh) 2022-03-02 2022-03-02 三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114756954A true CN114756954A (zh) 2022-07-15
CN114756954B CN114756954B (zh) 2024-09-20

Family

ID=82325573

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210201072.7A Active CN114756954B (zh) 2022-03-02 2022-03-02 三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114756954B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112685851A (zh) * 2020-12-22 2021-04-20 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法
CN112685852A (zh) * 2020-12-22 2021-04-20 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112685851A (zh) * 2020-12-22 2021-04-20 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法
CN112685852A (zh) * 2020-12-22 2021-04-20 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHIJUN SUN 等: "Design, modification and optimization of an ultra-high-load transonic low-reaction aspirated compressor", AEROSPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY, vol. 105, 31 October 2020 (2020-10-31), pages 1 - 14 *
任兰学 等: "舰船大功率轴流压气机气动设计研究", 热能动力工程, vol. 34, no. 12, 18 November 2019 (2019-11-18), pages 40 - 47 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114756954B (zh) 2024-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112685851B (zh) 一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法
CN112528575B (zh) 一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法
CN112699503B (zh) 一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机s2反问题设计方法
CN112685968B (zh) 基于空间负荷定制思想的轴流压气机气动设计方法
CN112528474B (zh) 一种无导叶对转涡轮一维气动设计方法
CN112685852B (zh) 一种轴流压气机负荷定制化气动优化方法
CN112685855A (zh) 一种轴流压气机叶型攻角落后角计算方法
CN112115576A (zh) 一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法和系统
CN113569498A (zh) 一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法
CN114186513A (zh) 一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法
CN114756978A (zh) 一种简单循环船用燃气轮机高压压气机通流负荷设计方法
CN114756954B (zh) 三转子船用燃机宽裕度低压压气机通流负荷一维设计方法
CN113074022A (zh) 一种使用轴流导叶的向心涡轮
CN114925488B (zh) 一种船用燃气轮机多级低压压气机动静叶片负荷分配方法
CN114781077B (zh) 一种船用燃气轮机高性能低压压气机级负荷匹配设计方法
CN115270318B (zh) 一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法
CN115169039A (zh) 一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法
CN115270343A (zh) 轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法
CN114756979A (zh) 一种宽裕度船用燃机低压压气机级通流能力匹配方法
CN114756953A (zh) 一种通流结构约束下的船用燃机低压压气机级压比分配优化方法
CN114239185A (zh) 一种燃气轮机多级轴流压气机的设计方法及装置
CN115186440B (zh) 一种船用发电型燃气轮机双级高速动力涡轮气动设计方法
CN115186441B (zh) 一种递增载荷船用发电型燃气轮机多级动力涡轮气动设计方法
CN115186442B (zh) 一种递减载荷船用发电型燃气轮机多级动力涡轮气动设计方法
CN115186443B (zh) 一种倒置浴盆载荷船用发电型燃气轮机多级动力涡轮气动设计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant