資料02燃氣輪機仿真模型

1、燃氣輪機數(shù)學模型與仿真模型任何動力學問題都是研究慣性系統(tǒng)在外力和外力矩作用下的運動，燃氣輪機 裝置也可以看作是一個慣性系統(tǒng)，系統(tǒng)中有以轉(zhuǎn)動慣量J表征的轉(zhuǎn)動慣性；有以 容積V表征的容積慣性；也有以金屬質(zhì)量M和比熱C乘積表征的熱慣性，動力 學問題研究參數(shù)變化（如供油量、大氣條件、渦輪壓氣機可調(diào)導葉轉(zhuǎn)角等）時整 個慣性系統(tǒng)的運動過程。雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的動力學模型如圖1所示。模型中有三個轉(zhuǎn)子：高壓轉(zhuǎn)子、中 壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子，都是轉(zhuǎn)動慣性環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)動慣量分別為JHT、JLT和JPT。 模型中還有四個容積：位于高、低壓壓氣機之間容積慣性Vc ；位于高壓壓氣機 和高壓渦輪之間容積慣性V ；位于高、低壓渦輪之間容

2、積慣性VHLT；位于低壓 渦輪和動力渦輪之間容積慣性vlT整個系統(tǒng)的運動由這些轉(zhuǎn)子和容積的動態(tài)特 性決定。圖1三軸燃氣輪機物理模型如果燃氣輪機有回熱器、中間冷卻器，還必須有熱慣性環(huán)節(jié)。重型燃氣輪機 的轉(zhuǎn)子、殼體、機匣、火焰筒也都有明顯的熱慣性，輕型燃氣輪機裝置的這些部 件熱慣性較小，可以忽略不計。根據(jù)上面的物理模型，慣性系統(tǒng)的數(shù)學模型，通 過轉(zhuǎn)子和容積的運動方程式建立各容積慣性和轉(zhuǎn)動慣性的微分方程組如下所示:” 如JHT= NHT - NeHC如Jt %tPT = NLT - %LC“ 如JPT七T帶=七廣七V dp仁gLHC dtLCout HCin3=GHcm(+Q- %W=氣如 g+f-

3、Gm=氣如 G 頊)GPTn第1節(jié)壓氣機數(shù)學模型壓氣機是一個完全非線性的部件，據(jù)相似原理可知，其工作特性可以用壓比兀、折合流量統(tǒng)、折合轉(zhuǎn)速蘭及效率門四個參數(shù)間關系來表示，只要在壓 CPXTC比、折合流量、折合轉(zhuǎn)速三個參數(shù)里確定其中任意兩個參數(shù)，則壓氣機就有完全 確定的工作狀況。在工程實際中，常將壓氣機通用特性線換算為進氣是標準大氣 狀態(tài)下的特性線，故折合流量與折合轉(zhuǎn)速為：G = G 二Pin - V 288.； 0.101325-亍nc 一七頃式中：G in兀nc分別為換算成進氣是標準大氣狀態(tài)下的折合流量、折合轉(zhuǎn) 速。部件特性可簡化為：式中：G in兀壓氣機進口焓值和熵函數(shù)分別為：hin =

4、f (TQ in= f 氣)壓氣機出口的理想熵函數(shù)為：9 out . s M in + lg c壓氣機出口理想空氣溫度及理想焓值分別為:out . s7 out . s)out . s8out . s )壓氣機的空氣壓縮功可得：l = hout s 一 hinC門C壓氣機出口的空氣焓值可得：hout = hin + lC于是壓氣機出口的空氣溫度可得：Tout=絆七)第2節(jié)燃燒室數(shù)學模型燃燒室數(shù)學模型可由容積模塊數(shù)學模型和換熱模塊數(shù)學模型兩部分組成，根 據(jù)熱力系統(tǒng)容積建模法有：dP RT (G + G -G ) p dT妍=g out ain/Sout + ou out-dtVT dtdT RT

5、 k(7 h + G H 門G h) hG + G - Gout = outain ainf u Bgout goutgout ainfgoutdt /式中：V 一燃燒室的容積，m3Gan 一燃燒室進口氣體流量，kg/sGgn 一燃燒室出口氣體流量，kg/sGf 進入燃燒室的燃油的流量，kg/shain 一燃燒室進口氣體焓值，kJhgout 一燃燒室出口氣體焓值，kJH 一燃油燃燒的熱值，kJ/kg門B一燃燒室燃燒效率第3節(jié)渦輪數(shù)學模型渦輪模塊與壓氣機模塊類似，按照文獻的假設條件可得部件特性模塊為:氣=f10 & T 七)n T = f11 (兀 T , nT )兀=P in = f (G i

6、 , n )P out3 )n = f VG. , n /式中：G., nT分別為渦輪的折合流量和折合轉(zhuǎn)速利用燃氣熱力性質(zhì)表根據(jù)渦輪進口燃氣溫度及相應的燃料系數(shù)來確定相應 的燃氣焓值及燃氣對數(shù)壓比：hn=E)R,fTin)利用燃氣熱力性質(zhì)表根據(jù)渦輪中的燃氣膨脹比來確定渦輪出口處膨脹做功后的燃氣對數(shù)壓比：lgn= lgn - lgnoutinT利用燃氣熱力性質(zhì)表根據(jù)渦輪出口燃氣的對數(shù)壓比來確定渦輪中燃氣膨脹 做功后燃氣理想焓值：hoUla = f16 (lgn out)再根據(jù)渦輪實際的等熵膨脹效率便可以確定燃氣在渦輪中膨脹過程中實際 所做的功：(婦一叩洵t則渦輪出口的燃氣實際焓值為：hout=

7、hn - lT利用燃氣熱力性質(zhì)表確定渦輪出口燃氣的溫度：Tout = f16(第4節(jié)容積模塊數(shù)學模型純?nèi)莘e模塊代表的是具有一定當量容積的純流動連接部分。對單純的流動連 接部分，動態(tài)計算中主要考慮因流入流出流量差而引起的壓力變化，依質(zhì)量守恒， 有：dpdtRTTdpdtRTT。- G )inout式中：V 一純流動連接段的容積，m3；G 一純流動連接段進口空氣流量，kg/s；G 一純流動連接段出口空氣流量，kg/s；T純流動連接段溫度，K第5節(jié)轉(zhuǎn)子模塊數(shù)學模型根據(jù)動量矩定律，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量J和其角加速度do.-dt的乘積等于作用在 該轉(zhuǎn)子上的所有外力矩之和：doJ = M - M - M - Mdt T C m L又有:代入整理得:dn900dt J 兀 2 - n wT-Pvv c-P - P )wWl式中：M 機械損失扭矩，N mM 一負載扭矩，N mP機械損失功率，w mP 一負載損