CN115186443B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供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，在确定动力涡轮设计参数后，选择动力涡轮级载荷分配系数、各级反动度作为载荷控制参数并进行逐级分布规律的参数化设计，通过动力涡轮一维气动设计、典型工况动力涡轮气动性能分析、全工况整机总体性能评估，获得满足中高工况性能要求的动力涡轮气动方案。本发明通过个别关键控制参数的特定规律设置，实现了动力涡轮负荷分配及各级反动度的参数化与定制化，加速了设计过程，提升了设计效率。同时该方法不仅局限于船用燃气轮机动力涡轮，同样适用于各种使用工况范围宽、部分工况性能指标要求高的工业型燃气轮机多级动力涡轮气动设计过程。

Description

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

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是燃气轮机动力涡轮设计方法。

背景技术

因燃气轮机具有功率密度大、起动速度快等优点，燃气轮机已成为大中型水面船舶的主动力，燃气轮机或者基于燃气轮机的综合电力推进系统用作船舶主机可以极大地改善船舶的性能。船用燃气轮机对宽范围变工况(0～100％)性能要求较高，且在大部分寿命期内处于低工况下工作。同时，由于船舶机动性要求还导致其工况变化频繁，大范围的变工况使得船用燃气轮机对于动力涡轮的宽范围工作特性非常敏感。作为船舶综合电力系统原动机的船用燃气轮机，对动力涡轮的气动设计和变工况特性提出了新的更高的要求。对于船用发电型燃气轮机横转速工作的动力涡轮，其设计不仅仅要考虑其设计工况时具有优良的气动性能，而且还要具有良好的变工况特性。

船用燃气轮机动力涡轮大范围变工况的工作特点，增加了船用燃气轮机动力涡轮气动设计的难度及复杂性。传统涡轮气动设计方法难以达到宽工况高效动力涡轮的设计要求，涡轮气动设计能力和设计水平需要拓展和提升，以满足船用发电型燃气轮机越来越高的性能指标要求，科研人员迫切希望有一种能够有效改善船用燃气轮机多级动力涡轮用于恒转速发电时变工况性能偏差问题的先进设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供能解决船用燃气轮机多级动力涡轮用于恒转速发电时变工况性能偏差等问题的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。

本发明的目的是这样实现的：

本发明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，其特征是：

(1)确定动力涡轮设计参数：根据船用燃气轮机设计工况整机总体性能参数，确定动力涡轮设计参数，包括动力涡轮进口条件、转速、流量、膨胀比、级数、第一级导叶进口尺寸与最末级动叶出口尺寸限制；

(2)动力涡轮通流设计：根据采用涡轮一维通流设计程序，完成满负荷工况条件下动力涡轮一维通流设计，得到动力涡轮一维通流；

(3)给定动力涡轮载荷、反动度分布规律：按照倒置浴盆曲线载荷分布形式给定动力涡轮级载荷分配系数K_i，涡轮第一级与最末级载荷分配系数相等且低于中间级载荷分配系数，中间各级载荷分配系数相等；按照恒定反动度分布形式给定动力涡轮各级反动度Ω_i，即各级反动度相等；

(4)动力涡轮一维气动设计：采用涡轮一维气动设计程序，完成满负荷工况条件下动力涡轮一维气动设计，得到涡轮一维气动计算模型，以及满负荷工况条件下船用燃气轮机动力涡轮一维气动结果，判断是否满足满负荷工况条件下整机总体性能设计指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(4)，并在步骤(3)时按照倒置浴盆曲线载荷分布形式，调整各级涡轮功率分配系数K_i，按照恒定反动度调整各级涡轮反动度Ω_i，直至动力涡轮参数满足满负荷工况条件下整机总体性能设计指标要求；

(5)典型工况动力涡轮气动性能分析：基于步骤(4)得到的动力涡轮一维气动计算模型，开展恒转速条件下典型工况动力涡轮一维气动性能分析，得到恒转速条件下典型工况动力涡轮一维气动结果，判断是否满足典型工况条件下整机总体性能对动力涡轮指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(5)，直至动力涡轮参数满足典型工况条件下整机总体性能指标要求；

(6)动力涡轮特性计算：基于步骤(4)得到的动力涡轮一维气动计算模型，采用涡轮一维气动计算分析程序，开展动力涡轮特性计算，获得不同转速及膨胀比排列组合工作状态下的涡轮效率、流量涡轮特性参数；

(7)全工况整机总体性能评估：利用步骤(6)得到的涡轮特性参数，开展船用发电型燃气轮机整机全工况匹配计算，获得船用发电型燃气轮机整机全工况功率、效率总体性能参数，评估总体性能参数是否满足全工况条件下设计指标要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(7)，直至总体性能参数满足全工况条件下设计指标要求。

本发明还可以包括：

1、步骤(3)中动力涡轮级载荷分配系数K_i与级序号i之间关系，采用如下方式：

其中PW_stg,i为动力涡轮第i级功率，n为动力涡轮总级数，1≤i≤n，K₁＝给定值，/>

各级涡轮载荷分配系数之间的关系如下：

K₁＝K_n<K_i，2≤i≤n-1。

2、步骤(3)中动力涡轮各级反动度Ω_i与级序号i之间关系，采用如下方式：

其中p_stg,i,Sin为动力涡轮第i级导叶进口静压，p_stg,i,Rin为动力涡轮第i级动叶进口静压，p_stg,i,Rout为动力涡轮第i级动叶出口静压，n为动力涡轮总级数，1≤i≤n，

Ω₁＝给定值，Ω_i＝Ω₁，2≤i≤n。

本发明的优势在于：

1、本发明通过动力涡轮级载荷分配系数K_i、级反动度Ω_i的逐级分布规律设计，实现了动力涡轮负荷分配及各级反动度的参数化与定制化，有效解决了传统船用燃气轮机动力涡轮气动设计方法用于恒转速发电动力涡轮时变工况性能偏差的问题，使船用燃气轮机动力涡轮的变工况性能得到了有效提升。采用本发明对现有船用燃气轮机多级等载荷动力涡轮改进设计后，设计工况下动力涡轮效率提高0.8％、整机效率提高0.32％，0.6～0.9工况下动力涡轮效率提高1.0％、整机效率提高0.4％。

2、本发明可以实现船用燃气轮机动力涡轮气动方案的精细化设计，有效提高了船用燃气轮机动力涡轮的气动设计精度，缩短设计周期。

3、本发明不仅局限于船用燃气轮机动力涡轮，同样适用于各种使用工况范围宽、部分工况性能指标要求高的工业型燃气轮机多级动力涡轮气动设计过程。

附图说明

图1为本发明所采用的倒置浴盆曲线载荷分布形式示意图；

图2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1-2，本发明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通过以下步骤实现：

步骤一：确定动力涡轮设计参数。根据船用燃气轮机设计工况(满负荷工况)整机总体性能参数，确定动力涡轮设计参数，包括动力涡轮进口条件、转速、流量、膨胀比、级数、第一级导叶进口尺寸与最末级动叶出口尺寸限制等。

步骤二：动力涡轮通流设计。根据采用涡轮一维通流设计程序，完成满负荷工况条件下动力涡轮一维通流设计，得到动力涡轮一维通流。

步骤三：给定动力涡轮载荷、反动度分布规律。按照倒置浴盆曲线载荷分布形式给定动力涡轮级载荷分配系数K_i，涡轮第一级载荷分配系数K₁与最末级(最后一级)载荷分配系数相等K_n，且低于中间级载荷分配系数，中间各级载荷分配系数相等；按照恒定反动度分布形式给定动力涡轮各级反动度Ω_i，即各级反动度相等。K_i的定义如下：

其中PW_stg,i为动力涡轮第i级功率，n为动力涡轮总级数，1≤i≤n。

给定级序号i的级载荷分配系数K_i与K₁之间关系如下：

K₁＝给定值。

K_n＝K₁。

各级涡轮载荷分配系数之间的关系如下：

K₁＝K_n<K_i，2≤i≤n-1。

Ω_i的定义如下：

其中p_stg,i,Sin为动力涡轮第i级导叶进口静压，p_stg,i,Rin为动力涡轮第i级动叶进口静压，p_stg,i,Rout为动力涡轮第i级动叶出口静压，n为动力涡轮总级数，1≤i≤n。

各级涡轮反动度Ω_i与级序号i之间关系定义如下：

Ω₁＝给定值。

Ω_i＝Ω₁，2≤i≤n。

步骤四：动力涡轮一维气动设计。采用涡轮一维气动设计程序，通过调整各级膨胀比π_T,i，使得各级载荷分配系数符合步骤三给出的倒置浴盆曲线载荷分布形式，完成满负荷工况条件下动力涡轮一维气动设计，得到涡轮一维气动计算模型，以及满负荷工况条件下船用燃气轮机动力涡轮一维气动结果，重点分析动力涡轮效率、功率、流量等参数，判断是否满足满负荷工况条件下整机总体性能设计指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤二～步骤四，并在步骤三时按照倒置浴盆曲线载荷分布形式，调整各级涡轮功率分配系数K_i，按照恒定反动度调整各级涡轮反动度Ω_i，直至动力涡轮参数满足满负荷工况条件下整机总体性能设计指标要求。

步骤五：典型工况动力涡轮气动性能分析。基于步骤四得到的动力涡轮一维气动计算模型，针对船用发电型燃气轮机恒转速运行的独特工作特点，开展恒转速条件下典型工况(60％、70％、80％、90％负荷工况)动力涡轮一维气动性能分析，得到恒转速条件下典型工况动力涡轮一维气动结果，判断是否满足典型工况条件下整机总体性能对动力涡轮指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤二～步骤五，直至动力涡轮参数满足典型工况条件下整机总体性能指标要求。

步骤六：动力涡轮特性计算。基于步骤四得到的动力涡轮一维气动计算模型，采用涡轮一维气动计算分析程序，开展动力涡轮特性计算，获得不同转速及膨胀比排列组合工作状态下的涡轮效率、流量等涡轮特性参数。

步骤七：全工况整机总体性能评估。利用步骤六得到的涡轮特性参数，开展船用发电型燃气轮机整机全工况匹配计算，获得船用发电型燃气轮机整机全工况功率、效率等总体性能参数，评估总体性能参数是否满足全工况条件下设计指标要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，重复步骤二～步骤七，直至总体性能参数满足全工况条件下设计指标要求。

本发明提出的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具有通用性，不仅局限于船用燃气轮机动力涡轮，同样适用于各种使用工况范围宽、部分工况性能指标要求高的工业型燃气轮机多级动力涡轮气动设计过程。

Claims (3)

1.一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，其特征是：

(1)确定动力涡轮设计参数：根据船用燃气轮机设计工况整机总体性能参数，确定动力涡轮设计参数，包括动力涡轮进口条件、转速、流量、膨胀比、级数、第一级导叶进口尺寸与最末级动叶出口尺寸限制；

(2)动力涡轮通流设计：根据采用涡轮一维通流设计程序，完成满负荷工况条件下动力涡轮一维通流设计，得到动力涡轮一维通流；

(3)给定动力涡轮载荷、反动度分布规律：按照倒置浴盆曲线载荷分布形式给定动力涡轮级载荷分配系数K_i，涡轮第一级与最末级载荷分配系数相等且低于中间级载荷分配系数，中间各级载荷分配系数相等；按照恒定反动度分布形式给定动力涡轮各级反动度Ω_i，即各级反动度相等；

(4)动力涡轮一维气动设计：采用涡轮一维气动设计程序，完成满负荷工况条件下动力涡轮一维气动设计，得到涡轮一维气动计算模型，以及满负荷工况条件下船用燃气轮机动力涡轮一维气动结果，判断是否满足满负荷工况条件下整机总体性能设计指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(4)，并在步骤(3)时按照倒置浴盆曲线载荷分布形式，调整各级涡轮功率分配系数K_i，按照恒定反动度调整各级涡轮反动度Ω_i，直至动力涡轮参数满足满负荷工况条件下整机总体性能设计指标要求；

(5)典型工况动力涡轮气动性能分析：基于步骤(4)得到的动力涡轮一维气动计算模型，开展恒转速条件下典型工况动力涡轮一维气动性能分析，得到恒转速条件下典型工况动力涡轮一维气动结果，判断是否满足典型工况条件下整机总体性能对动力涡轮指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(5)，直至动力涡轮参数满足典型工况条件下整机总体性能指标要求；

(6)动力涡轮特性计算：基于步骤(4)得到的动力涡轮一维气动计算模型，采用涡轮一维气动计算分析程序，开展动力涡轮特性计算，获得不同转速及膨胀比排列组合工作状态下的涡轮效率、流量涡轮特性参数；

(7)全工况整机总体性能评估：利用步骤(6)得到的涡轮特性参数，开展船用发电型燃气轮机整机全工况匹配计算，获得船用发电型燃气轮机整机全工况功率、效率总体性能参数，评估总体性能参数是否满足全工况条件下设计指标要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(7)，直至总体性能参数满足全工况条件下设计指标要求。

2.根据权利要求1所述的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，其特征是：步骤(3)中动力涡轮级载荷分配系数K_i与级序号i之间关系，采用如下方式：

其中PW_stg,i为动力涡轮第i级功率，n为动力涡轮总级数，1≤i≤n，K₁＝给定值，/>

2≤i≤n-1，K_n＝K₁，

各级涡轮载荷分配系数之间的关系如下：

K₁＝K_n<K_i，2≤i≤n-1。

3.根据权利要求1所述的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，其特征是：步骤(3)中动力涡轮各级反动度Ω_i与级序号i之间关系，采用如下方式：

其中p_stg,i,Sin为动力涡轮第i级导叶进口静压，p_stg,i,Rin为动力涡轮第i级动叶进口静压，p_stg,i,Rout为动力涡轮第i级动叶出口静压，n为动力涡轮总级数，1≤i≤n，

Ω₁＝给定值，Ω_i＝Ω₁，2≤i≤n。

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