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一种燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法

阅读:284发布:2023-03-11

专利汇可以提供一种燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 燃气轮机 动态工况 数据库 样本点选取方法,所述燃气轮机为动 力 涡轮 导叶可调的三轴式燃气轮机,该方法针对的燃机结构特点为 动力涡轮 进口导叶可调且是具有高低压轴和动力涡轮轴的三轴结构,该方法包括计算分析动力涡轮转速对燃气轮机的影响、计算分析稳态工况下,不同导叶 角 度对应的高低压轴转速对应关系、计算加减速过程中,低压轴转速的变化范围、根据上述计算结果,选取样本点、利用燃气轮机仿真模型获得各样本点,形成燃气轮机动态工况数据库等步骤。本发明的燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法,利用燃气轮机的工作特性考虑了动力涡轮导叶角度变化的情况,合理地缩小了样本点取值范围,大大缩小样本规模,减小了工作量。,下面是一种燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法专利的具体信息内容。

1.一种燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法,所述燃气轮机为动涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机,所述燃气轮机包括带高、低压转子燃气发生器和进口导叶可调的动力涡轮,其特征在于:动力涡轮进口导叶可调且是具有高、低压轴和动力涡轮轴的三轴结构,所述数据库样本点选取方法包括以下步骤:
SS1.计算分析动力涡轮转速对燃气轮机的影响。利用现有的部件法燃气轮机仿真模型,计算出外部环境以及高压轴转速不变的情况下发动机各工作参数随动力涡轮转速的变化趋势,从而分析评估动力涡轮转速对动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机工况的影响大小。
SS2.计算分析稳态工况下,不同导叶度对应的高、低压轴转速关系。在燃气轮机正常工作时导叶角度的变化范围内均匀选取若干导叶角度,利用现有的部件法燃气轮机仿真模型,分别计算出燃气轮机稳态工作时在这些导叶角度下,不同高压轴相对转速NH所对应的低压轴相对转速NL,利用三次多项式对数据点进行拟合,从而得到低压轴相对转速NL与高压轴相对转速NH和动力涡轮导叶角度VGV的稳态关系式:NL=f(NH,VGV)。
SS3.计算动态工况下,低压轴转速的变化范围。向现有的部件法燃气轮机仿真模型输入燃气轮机极限加减速时的供油规律,在动力涡轮导叶不变的情况下分别模拟燃气轮机极限加减速,得到极限加减速状况下,不同高压轴相对转速NH所对应的低压轴相对转速NL。假设相同NH对应的NL相对于稳态关系最多低了a值,相同NH对应的NL相对于稳态关系最多高了b值。结合SS2中NH、NL的稳态关系,可以得出低压轴转速的变化范围:f(NH,VGV)-aSS4.根据上述计算结果,选取样本点。燃油流量Wf、高压轴相对转速NH、导叶角度VGV三个参数可分别在其正常工作范围内均匀选取c、d、e个值。通过分析知NPT对燃气发生器影响很小,故NPT只选两个不同的值。NL可在(f(NH,VGV)-a,f(NH,VGV)+b)区间内均匀地选取f个值。综上,共选取样本点c×d×e×2×f组。
SS5.利用燃气轮机仿真模型获得各样本点,形成燃气轮机动态工况数据库。每一组燃气轮机动态工况样本点由两部分组成,一部分为由燃油流量Wf、导叶角度VGV、高压轴相对转速NH、低压轴相对转速NL以及动力涡轮相对转速NPT所组成的输入参数,另一部分为由燃气轮机其余工作参数所组成的输出参数。将选好的c×d×e×2×f组样本点输入参数依次输入到燃气轮机仿真模型中,即可算出每组样本点的输出参数。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法,其特征在于:步骤SS5中,所述燃气轮机其余工作参数包括高、低压轴角加速度,高、低压压气机与涡轮的进出口压力和温度等。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法,其特征在于:计算分析了NL的变化范围,避免了不必要的动态工况数据点的选取。
4.根据权利要求1所述的动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法,其特征在于:一组样本点的输入参数为:供油量Wf、动力涡轮导叶角度VGV、高压轴相对转速NH、低压轴相对转速NL以及动力涡轮相对转速NPT共计五个参数,输出参数为燃气轮机各截面参数以及各其余工作参数,即不同的一组Wf、VGV、NH、NL以及NPT值对应一个确定的燃气轮机工作状态。

说明书全文

一种燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法

技术领域

[0001] 本发明涉及燃气轮机总体性能计算领域,更具体地,涉及一种动涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机的动态工况数据库样本点选取方法。

背景技术

[0002] 在进行燃气轮机半物理仿真实验以及燃气轮机控制规律研究等过程中,需要计算出燃气轮机各非稳态工作状况。通过模型计算或台架试验建立燃气轮机动态工况数据库,利用系统辨识可以实时计算燃气轮机工况。然而,对于动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机,由于结构复杂,变量较多,直接建立动态工况数据库面临着样本点过多,数据库庞大,工作量较大的问题。

发明内容

[0003] 本发明为解决以上现有技术缺陷,针对动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机提供了一种动态工况数据库样本点选取方法,该方法通过分析动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机的工作特性,确定燃气轮机正常工作下所处的工作范围,从而合理地选取燃气轮机动态工况样本点,减少了样本规模与工作量。
[0004] 为实现以上发明目的,本发明采用的技术方案是:
[0005] 一种燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法,所述燃气轮机为动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机,所述燃气轮机包括带高、低压转子燃气发生器和进口导叶可调的动力涡轮,其特征在于:动力涡轮进口导叶可调且是具有高、低压轴和动力涡轮轴的三轴结构,所述数据库样本点选取方法包括以下步骤:
[0006] SS1.计算分析动力涡轮转速对燃气轮机的影响。部件法是一种常用的燃气轮机建模方法,该方法基于各部件特性,根据流量平衡以及转子动力学方程,通过求解非线性方程组完成仿真建模。利用现有的部件法燃气轮机仿真模型计算出外部环境以及高压轴转速不变的情况下发动机各工作参数随动力涡轮转速的变化趋势,从而分析评估动力涡轮转速对动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机工况的影响大小。
[0007] SS2.计算分析稳态工况下,不同导叶度对应的高、低压轴转速对应关系。在燃气轮机正常工作时导叶角度的变化范围内均匀选取若干导叶角度,利用现有的部件法燃气轮机仿真模型,分别计算出燃气轮机稳态工作时在这些导叶角度下,不同高压轴相对转速NH所对应的低压轴相对转速NL,利用三次多项式对数据点进行拟合,从而得到低压轴相对转速NL与高压轴相对转速NH和动力涡轮导叶角度VGV的稳态关系式:NL=f(NH,VGV)。
[0008] SS3.计算加减速过程中,低压轴转速的变化范围。向现有的部件法燃气轮机仿真模型输入该燃气轮机极限加减速时的供油规律,在动力涡轮导叶不变的情况下分别模拟燃气轮机极限加减速,得到极限加减速状况下,不同高压轴相对转速NH所对应的低压轴相对转速NL。已知燃气轮机加速越快,相同NH对应的NL相对于稳态关系越低,假设相同NH对应的NL相对于稳态关系最多低了a值;燃气轮机减速越快,相同NH对应的NL相对于稳态关系越高,假设相同NH对应的NL相对于稳态关系最多高了b值。结合SS2中NH、NL的稳态关系,可以得出低压轴转速的变化范围:f(NH,VGV)-a
[0009] SS4.根据上述计算结果,选取样本点。燃油流量Wf、高压轴相对转速NH、导叶角度VGV三个参数可分别在其正常工作范围内均匀选取c、d、e个值。通过分析知NPT对燃气发生器影响很小,故NPT只选两个不同的值。NL可在[f(NH,VGV)-a,f(NH,VGV)+b]区间内均匀地选取f个值。综上,共选取样本点c×d×e×2×f组。
[0010] SS5.利用燃气轮机仿真模型,完成燃气轮机动态工况数据库。每一组燃气轮机动态工况样本点由两部分组成,一部分为由燃油流量Wf、导叶角度VGV、高压轴相对转速NH、低压轴相对转速NL以及动力涡轮相对转速NPT所组成的输入参数,另一部分为由燃气轮机其余工作参数(如:高低压轴角加速度,高低压压气机与涡轮的进出口压力和温度等)所组成的输出参数。将选好的c×d×e×2×f组样本点输入参数依次输入到燃气轮机仿真模型中,即可算出每组样本点的输出参数。每组样本点的5个输入参数唯一确定了燃气轮机某一动态工况,也就是说输入参数与输出参数一一对应,c×d×e×2×f组样本点构成了燃气轮机动态工况数据库。
[0011] 本发明针对的是动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机,该类燃机由两个部分组成:带高、低压转子的燃气发生器和进口导叶可调的动力涡轮。该类燃气轮机具有变量多的特点,需要高、低压轴以及动力涡轮轴三个轴的转速以及燃油流量和动力涡轮导叶角度5个量才能唯一确定燃气轮机的动态工况。本发明分析了动力涡轮转速对燃气发生器影响较小,故选取了很少的NPT值。通过模型计算,明确了NL仅会落在[f(NH,VGV)-a,f(NH,VGV)+b]的区间范围内,避免了选取无用的NL值,大大减小了样本规模。
[0012] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0013] 本发明提供了动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法,该方法利用燃气轮机的工作特性考虑了动力涡轮导叶角度变化的情况,合理地缩小了样本点取值范围,大大缩小样本规模,减小了工作量。附图说明
[0014] 图1为动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机的结构简图;
[0015] 图2为本发明燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法的实施流程图

具体实施方式

[0016] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是,以下所述仅为本发明的较佳实施例,并不因此而限定本发明的保护范围。实际上,在未背离本发明的范围或精神的情况下,可以在本发明中进行各种修改和变化,这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如,作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此,意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
[0017] 如图1所示,动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机由带高低压转子的燃气发生器和进口导叶可调的动力涡轮两部分组成,具有较多的变量以及优异的加减速特性。本发明的动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机动态工况数据库样本点选取方法包括以下步骤:
[0018] SS1.计算分析动力涡轮转速对燃气轮机的影响。利用已有的部件法燃气轮机仿真模型计算外部环境以及高压轴转速不变的情况下,动力涡轮相对转速NPT分别为0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1时,低压压气机、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮的共同工作线,分析NPT对各部件共同工作线的影响。结果发现NPT对低压压气机、高压压气机、高压涡轮以及低压涡轮工作状况的影响极小,可以忽略,仅对动力涡轮效率有一定影响。
[0019] SS2.计算分析稳态工况下,不同导叶角度对应的高低压轴转速对应关系。VGV取20°、25°、30°、40°、50°五个值,NH取0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0、1.05八个值,通过燃气轮机仿真模型计算稳态工况下上述不同VGV、NH对应的NL值,利用多项式针对不同导叶角度下高低压轴转速对应关系进行拟合,得到如下关系式:NL=fVGV=20°(NH)、NL=fVGV=25°(NH)、NL=fVGV=30°(NH)、NL=fVGV=35°(NH)、NL=fVGV=40°(NH)、NL=fVGV=45°(NH)、NL=fVGV=50°(NH)。利用线性插值,可得NL与NH、VGV的稳态关系式:NL=g(NH,VGV)。
[0020] SS3.计算动态过程中,低压轴转速的变化范围。计算燃气轮机极限加减速状态下,高低压轴转速的对应关系,并用多项式进行拟合,分别得到加减速的高低压转速关系式:NL=fa(NH)以及NL=fd(NH)。可以发现fd(NH)>fa(NH)。极限加减速时,由于转子的惯性作用,高低压轴转速的对应关系偏离稳态关系最远,故可以据此确定动态工况下,低压轴转速可能的变化范围。低压轴转速必落在如下区间:
[0021] [g(NH,VGV)+1.2(fa(NH)-fVGV=30°(NH)),g(NH,VGV)+1.2(fd(NH)-fVGV=30°(NH))][0022] 30°是动力涡轮设计点的导叶角度,利用VGV为30°时,相同高压轴转速下低压轴极限加减速偏离稳态关系的大小,再乘以1.2的安全系数,可以确定动态工况下低压轴转速的取值范围。在本例中,NL取值范围为:(g(NH,VGV)-0.15)≤NL≤(g(NH,VGV)+0.08)
[0023] SS4.根据上述计算结果,选取样本点。Wf可按等差数列在最大燃油流量范围内选取8个值。VGV在20°到50°范围内取20°、25°、30°、40°、50°共5个值。NH在0.70到1.05转速范围内按等差数列取8个值。由于分析了动力涡轮转速对发动机性能影响较小,故NPT只取1.1和0.5两个值。NL在g(NH,VGV)-0.15到g(NH,VGV)+0.08之间按等差数列取5个值。综上,样本点规模为8×5×8×2×5=3200组点。
[0024] S5.利用燃气轮机仿真模型获得各样本点,形成燃气轮机动态工况数据库。对于燃气轮机动态工况数据库,每一组数据由输入参数和与之对应的输出参数所组成。输入参数为:Wf、NH、NL、NPT、VGV,输出参数为燃气轮机各工作参数及截面参数,包括:低压压气机效率、低压压气机进口流量、低压压气机压比、高压压气机效率、高压压气机压比、高压涡轮效率、高压涡轮膨胀比、低压涡轮效率、低压涡轮膨胀比、动力涡轮效率、动力涡轮膨胀比、动力涡轮输出功率、低压压气机出口总压、低压压气机出口总温、高压压气机出口总温、高压压气机出口总压、燃烧室出口总温、高压涡轮出口总压、高压涡轮出口总温、低压涡轮出口总压、低压涡轮出口总温、动力涡轮出口总压、动力涡轮出口总温共计23个参数。利用传统的部件法,通过求解非线性方程组可建立燃气轮机总体仿真模型。将步凑4中选取的3200组输入参数输入到模型中,计算出对应的输出参数,完成燃气轮机动态工况数据库。
[0025] 显然,本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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