CN114756978A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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汪作心
张舟
吴思宇
李冬
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Abstract

本发明的目的在于提供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，在确定高压压气机设计参数后，选择流量系数、载荷系数与反动度作为通流负荷的控制参数并进行逐级分布规律设计，通过流量系数控制高压压气机各级之间的通流能力匹配，通过载荷系数控制各级之间的负荷分配，通过反动度控制各级内动静叶片的负荷分配，从而获得高压压气机通流负荷的设计方案。本发明通过特殊的关键控制参数逐级分布规律设计，实现了高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，本发明不仅局限于简单循环船用燃气轮机高压压气机，同样适用于航空发动机、工业燃气轮机高压压气机的气动设计过程。

Description

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
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
三转子简单循环燃气轮机作为船用燃气轮机最为广泛采用的一种布局形式，其高压压气机的性能对整个燃气轮机的技术指标有着决定性作用，高性能高压压气机的气动设计技术已然成为船用燃气轮机设计体系中最为重要的核心技术之一。特别是高压压气机受到上游低压压气机、过渡段等部件的流动影响，长期在宽广的来流压力与温度范围内工作，使得其设计难度极大。另一方面，随着现代用燃气轮机效率、功率、稳定性等关键性能指标的不断提升，要求高压压气机必须具备宽环境适应性，即在大范围的来流条件变化下仍然保持高水平的效率与喘振裕度，这就对高压压气机的气动设计提出了更高的要求。为此，必须探索和发展先进高效的高压压气机气动设计技术及方法，来应对船用燃气轮机的发展给高压压气机设计带来的困难和挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决简单循环船用燃气轮机高压压气机的通流负荷匹配问题的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。
本发明的目的是这样实现的：
本发明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，其特征是：
(1)确定高压压气机设计参数，包括高压压气机进口条件、过渡段总压恢复系数、转速、流量、压比、级数、第一级动叶外径与轮毂比；
(2)选择通流负荷控制参数，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z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z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z之间关系；
(6)一维反问题求解，将以上步骤获得的高压压气机设计参数与流量系数、载荷系数、反动度逐级分布结果作为输入变量，进行一维反问题求解，获得高压压气机通流负荷的设计方案。
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z之间关系，采用如下方式：
根据高压压气机进口条件、转速、流量、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Φz：
Figure BDA0003527449490000021
2、步骤(4)中所述的给定载荷系数Ψ与级序号z之间关系，采用如下方式：
根据高压压气机进口条件、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Ψz：
Figure BDA0003527449490000022
3、步骤(5)中所述的给定反动度Ω与级序号z之间关系，采用如下方式：
根据高压压气机进口条件、转速、流量、压比、第一级动叶外径与轮毂比，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Ωz：
当级数N为偶数时，取
Figure BDA0003527449490000031
级的反动度
Figure BDA0003527449490000032
的级按Ω1与
Figure BDA0003527449490000033
线性插值；
Figure BDA0003527449490000034
的级按Δ＝0.1～0.15进行逐级递增，即Ωz+1＝Ωz+Δ；
当级数N为奇数时，取
Figure BDA0003527449490000035
级的反动度
Figure BDA0003527449490000036
的级按Ω1与
Figure BDA0003527449490000037
线性插值；
Figure BDA0003527449490000038
的级按Δ＝0.1～0.15进行逐级递增，即Ωz+1＝Ωz+Δ。
本发明的优势在于：
1、本发明通过关键参数的逐级分布规律设计，实现了高压压气机内部通流负荷分配的参数化与定制化，有效解决了简单循环船用燃气轮机高压压气机的通流负荷匹配问题，使高压压气机的性能得到了有效提升。
2、本发明可以实现简单循环船用燃气轮机高压压气机气动方案的精细化设计，有效提高了简单循环船用燃气轮机高压压气机的气动设计精度，缩短了设计周期。
3、本发明不仅局限于简单循环船用燃气轮机高压压气机，同样适用于航空发动机、工业燃气轮机高压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，本发明一种简单循环船用燃气轮机高压压气机通流负荷设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：
步骤一：确定高压压气机设计参数。根据总体指标要求，确定高压压气机的设计参数，包括高压压气机进口条件、过渡段总压恢复系数、转速、流量、压比、级数、第一级动叶外径与轮毂比等；
步骤二：选择通流负荷控制参数。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。
流量系数Φ的定义如下：
Figure BDA0003527449490000041
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。
载荷系数Ψ的定义如下：
Figure BDA0003527449490000042
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。
反动度Ω的定义如下：
Figure BDA0003527449490000043
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。
步骤三：流量系数Φ逐级分布规律设计。
给定流量系数Φ与级序号z之间关系如下：
根据高压压气机进口条件、转速、流量、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Φz：
Figure BDA0003527449490000044
步骤四：载荷系数Ψ逐级分布规律设计。
给定载荷系数Ψ与级序号z之间关系如下：
根据高压压气机进口条件、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Ψz：
Figure BDA0003527449490000045
步骤五：反动度Ω逐级分布规律设计。
给定反动度Ω与级序号z之间关系如下：
根据高压压气机进口条件、转速、流量、压比、第一级动叶外径与轮毂比，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Ωz：
当级数N为偶数时，取
Figure BDA0003527449490000051
级的反动度
Figure BDA0003527449490000052
的级按Ω1与
Figure BDA0003527449490000053
线性插值；
Figure BDA0003527449490000054
的级按Δ＝0.1～0.15进行逐级递增，即Ωz+1＝Ωz+Δ；
当级数N为奇数时，取
Figure BDA0003527449490000055
级的反动度
Figure BDA0003527449490000056
的级按Ω1与
Figure BDA0003527449490000057
线性插值；
Figure BDA0003527449490000058
的级按Δ＝0.1～0.15进行逐级递增，即Ωz+1＝Ωz+Δ。
步骤六：一维反问题求解。将以上步骤获得的高压压气机设计参数与流量系数、载荷系数、反动度逐级分布结果作为输入变量，进行一维反问题求解，获得高压压气机通流负荷的设计方案。
本发明提出的简单循环船用燃气轮机高压压气机通流负荷设计方法具有通用性，不仅局限于简单循环船用燃气轮机高压压气机，同样适用于航空发动机、工业燃气轮机高压压气机的气动设计过程。

Claims (4)

1.一种简单循环船用燃气轮机高压压气机通流负荷设计方法，其特征是：
(1)确定高压压气机设计参数，包括高压压气机进口条件、过渡段总压恢复系数、转速、流量、压比、级数、第一级动叶外径与轮毂比；
(2)选择通流负荷控制参数，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z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z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z之间关系；
(6)一维反问题求解，将以上步骤获得的高压压气机设计参数与流量系数、载荷系数、反动度逐级分布结果作为输入变量，进行一维反问题求解，获得高压压气机通流负荷的设计方案。
2.根据权利要求1所述的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，其特征是：步骤(3)中所述的给定流量系数Φ与级序号z之间关系，采用如下方式：
根据高压压气机进口条件、转速、流量、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Φz：
Figure FDA0003527449480000011
3.根据权利要求1所述的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，其特征是：步骤(4)中所述的给定载荷系数Ψ与级序号z之间关系，采用如下方式：
根据高压压气机进口条件、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Ψz：
Figure FDA0003527449480000021
4.根据权利要求1所述的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，其特征是：步骤(5)中所述的给定反动度Ω与级序号z之间关系，采用如下方式：
根据高压压气机进口条件、转速、流量、压比、第一级动叶外径与轮毂比，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Ωz：
当级数N为偶数时，取
Figure FDA0003527449480000022
级的反动度
Figure FDA0003527449480000023
的级按Ω1与
Figure FDA0003527449480000024
线性插值；
Figure FDA0003527449480000025
的级按Δ＝0.1～0.15进行逐级递增，即Ωz+1＝Ωz+Δ；
当级数N为奇数时，取
Figure FDA0003527449480000026
级的反动度
Figure FDA0003527449480000027
的级按Ω1与
Figure FDA0003527449480000028
线性插值；
Figure FDA0003527449480000029
的级按Δ＝0.1～0.15进行逐级递增，即Ωz+1＝Ωz+Δ。
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