燃气轮机空气系统计算方法研究及验证

一
舰
船
科
学
技
术
第３ ３卷
个 复杂 的 流路 系统 中 ， 设 存 在 ｍ 个 节 流 单 假
式 中 ： 为 ｍ ｎ（ Ｐ ） Ｐ ＝ Ｈ ｖ （ ＾ ， ＝ ＾ ｉ Ｘ＋ ｆ ， 一 ｆＸ ） Ｈ
元 和 ｎ个 腔 室 ， 温 度 、 力 、 量 可 通 过 ｍ＋ 其 压 流 ｎ维 由
（） ４
燃 气轮 机空 气 系统 设 计 需要 的 参数 是 非 常 详 细
为 系数 ， Ａ＝１ Ｑ Ｔ Ｂ为系数 ；ｉ 为第 ｉ ＋／； ， ， 腔室 。
２ ）连 续 方 程
燃 气轮 机空 气 系统 流 路 可 分 成 一定 数 量 串联 和 并 联 、 且有 １ 或多 个进 口和 出 口的单 元流 路 。在 并 个
整 个 流路 网络 中 ， 每个 单元 的进 口和 出 口被 封 闭成 １
ｓ ｒｅ ｆｓｕ ｉ ｓｏ ｈ ｅ ｅｍ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｔ ｏ ｄ ｒ ｏ ｄｉ ｏ ｔ ｅ ｓ ｌｔｏ ｔ ｏ ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｔｒ ｎ ｔ ｎ ｏ ｅ ｉｓ ｏ ｔ ｄ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｔｒ ｎ ｔｏ ｆｉｓｂ ｕｎ ａｙ ｃ ｎ ｔ ｎ，ｈ ｏｕ ｉ ｎ ｍｅ ｈ ｄ， ｎ ｈ ｅ ｅ ｍｉ ａ ｉ ｆ ｉ ｏ
ａ ｄ ｂ ｅ ｄ ｎ ｏ ａ ｉｎ ｏ ｏ ｌｎ ｉ ｒ ｅｅ ｍｉ ｅ ｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｐｎ ｕ ａｉ ａ ａ ｅｅ ｓ ｏ ａ ｈ ｓａ ｅ ｉ ｎ ｌ ｅ ｉ ｇ ｌ ｃ ｔｏ ｆｃ ｏｉ ｇ ａ ｒａ ｅ ｄ ｔ ｒ ｎ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍ ｔｃ ｐ ｒ ｍ ｔ ｒ ｆ ｅ ｃ ｔ ｇ ｎ ＨＰ
圳
一
ｖ（ ； 。 ｆ Ｘ ） Ｘ 为求解 的初 始 近似值 ； 。 Ｈ矩 阵 的初 Ｈ 为
始近 似值 （ 通常 采 用单 位 阵 ） ｆ Ｘ ） 目标 函数 Ｘ ；ｖ 。 为 （
处 的梯 度 向量 ； 迭代 的一 维 查询 方 向 ； Ｐ为
而获 得 。
为 步
式 中 ： 为未 知流量 与未 知 压 力 构 成 的矢 量 （ 维数 一
动量 方程 、 连续 方程 、 能量 方 程 组 成 非 线性 方 程 组 来 描述 ， 即空气 系统 的数 学 模 型 为 一 非线 性 方 程 组 ， 其
通 用表达 式 为 ： （ ＝０ ｉ Ｘ） ， ＝１ ２ … ， ＋ｎ ，， ｍ 。 （） １
＋
，Ｓ ＝Ｘ ＋－ ｋ ｋ ｋ Ｘ， ｔ
ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｏ ｉ ｈ— ｒ ｓ ｕ ｅ ｒ ｔ ｒ ｉ ｏ ａ ｕｅ ｎ ｆ ｈ ｇ ｐ ｅ ｓ ｒ ｏ ｏ ｎ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｅ ｉ ｅ． ｌ ｔ ｎｇ ｎ
Ｋ ｅ ｒ ｓ： ｇ ｓｔ ｒ ｉ ｅ； ａｒｓ ｓｅ ；ｃ ｏｉ ｇ ｂ ｅ ｄ； ａ ｉｌｆｒ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ａ ｕ ｂ ｎ ｉ ｙ ｔ ｍ ｏ ｌｎ ｌ ｅ ｘ ａ ｏ ｃ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｔａ ｔ Ｔｈ ｐ ｒ ａｍ ｉ ｇ ａ ｈ ｃ ｌｕ ａｉ ｎ ｅ ｐａ ｅ ， ｉ ｎ ｔｔ ｅ ａｃ ｌ ｔ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｉ ｙ ｔ ｍ ｉ ｇ ｓ ｔ ｒ ｉ ｅ， ａｒｅ ｏ ｏ ｔ ｏ ｆ ａｒ ｓ ｓｅ ｎ ａ ｕ ｂ ｎ ｃ ｒｉｓ ｕｔａ
ｂ ａ ｅ ｏ ａ ｕ ｂｉ ｅ ｉ ｃ ｏ ｌｓ ｅ ｔｅ ｅ ｙ，ｈ ｕ ｎ ｉｙ ｄ ｍ ａ ｆｃ ｏｉ ｇ ａｒｉ ｅ ｅ ｍｉ ｅ ． ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｌ ｄ ｆｇ ｓｔ ｒ ｎ ｓ ａ ｃ ｍｐ ｉｈ ｄ，ｈ ｒ ｂ ｔ ｅ ｑ ａ ｔｔ ｅ ｎｄ ｏ ｏ ｌｎ ｉ ｓｄ ｔｒ ｎ ｄ Ｔｈ ｒ ｓ ｕ ｅ
０ 引 言
燃 气轮 机 的空气 系统 通 常 是 从 压 气 机 的适 当位
２ ）采取 封严 措 施 ， 立 燃 气 轮 机 内部 盘 腔 室 压 建 力 ， 止涡轮 燃气 流入 主通 道 内侧 腔室 中 ； 阻
３ ）调 节转 子轴 向力 ， 转 子 止 推 轴 承 的 轴 向载 使 荷 满足设 计 规定 的要 求 。因此 ， 空气 系 统是保 证燃 气
收 稿 日期 ： ０ ｌ Ｏ — ８ ２ １ — ３ ２ ；修 回 日期 ： ０ １ ０ — ５ ２ １ — ４ ２ 作者 简 介 ： 立 超 （ ９ ７ ） 男 ， 士研 究 生 ， 张 １７ 一 ， 硕 工程 师 ， 主要 研 究 方 向 为燃 气 轮 机 冷 却 系统 。
・
７ ２・
文 章编 号 ： １ ７ — ６ ９ ２ ｌ ） ｌ ０ ７ — ５ ６ ２ ７ ４ （ ０ １ １ 一 ０ １ ０
Ｇ ａ ｕｒ ｎ ｉ ｙｓｅ ａ ｃ ａ ｉ ｎｓｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｅ ｉ ｃ ｔｏ ｓ ｔ ｂｉ ｅ ａ ｒ ｓ ｔ ｍ ｃ ｌ ｕｌ ｔｏ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ ｖ ｒ ｆ ａ ｉ ｎ ｉ
个 独立 元件 ， 个单 元流路 的流量 非线性 地取 决 于它 每 的上 、 下游 腔 室压力 ， 对任 何 内部腔 室 ， 气 流量平 衡 冷 并 满 足连续 条 件 ， ： 即
∑ ｑ ０ ｉ １２…，。 ： ＝ ， ＝ ，， ｎ
续 方 程 Ｐ ＝Ｐ ， 式 中 ： 为 边 界 腔 室 压 力 ， ａ Ｐ Ｐ。 ３ ）能 量 方 程
表 １ 某 型 燃 气 轮 机 温 度 及 压 力参 数 表
Ｔａ １ Ｔｈｅ ｇ ｓ ｔ ｂ ｎ ｅ ｐ ｒｔ ｒ ｎｄ ｐｒ ｓ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ａ ｌ ｂ． ａ ｕｒ ｉ ｅ ｔｍ ｅ ａｕ ｅ ａ ｅｓｕｒ ａ ａ ｔｒｔ ｂ ｅ
式中 ： Ｐ为压 力 ，ａ Ｐ ；Ｋ为 阻 力元 件 流 通 能 力 系数 ； Ａ
Ｚ ＨＡＮＧ Ｌ — ｈ ｏ ｉｃ ａ ，ＨＥ Ｊａ － ｕ ｎ，Ｐ ＮＧ Ｔ ｏ Ｉ ｎ ｉｎｙ ａ Ｅ ａ ，Ｌ Ｕ Ｈａ
（ ｈ ０ ｅｅｒｈＩｓｔｔ ｏ Ｃ Ｉ Ｈ ｒｉ １０ ７ ， ｈｎ ） Ｔ ｅ７ ３Ｒ ｓａｃ ｔｕｅ ｆ ＳＣ， ａｂｎ ０ ８ Ｃ ｉａ ｎｉ ５
第３ ３卷 第 １ １期
２１ ０ １年Βιβλιοθήκη Baidu１ １月
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术
Ｖｏ ． ３， Ｎｏ． １ １３ １ ＮＯ ．，２ １ Ｖ ０１
Ｓ Ｉ Ｈ Ｐ ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
燃 气轮机空气 系统计算方法研究及验证
张 立超 ， 建元 ，彭 涛 ，刘 晗 何
（ 国船舶 重 工 集 团公 司第七 。三研 究所 ， 中 黑龙 江 哈 尔滨 １０ ７ ） ５ ０ ８
摘 要 ： 以研究燃气轮机空气 系统计 算方法为 目的 ， 边界条件确定 、 对其 求解方 法 、 关键系数 的确定进行 一系
列 的 研 究 。通 过 热 流 耦 合 计 算 方 法 ， 燃 气 轮 机 高 温 叶 片 进 行 温 度 场 计 算 ， 此 确 定 了 冷 却 空 气 的 需 求 量 ； 根 据 燃 对 由 并 气 轮 机 的高 压 压 气 机 、 低 压 涡 轮 、 力 涡 轮 各 级 气 动 参 数 确 定 了 冷 却 空 气 压 力 及 抽 取 位 置 ； 用 Ｆｏ ｍ ｓ ｒ 件 进 高 动 应 ｌ ａｔ 软 ｗ ｅ 行 了系 统 平 衡 计 算 ， 而 得 到 燃 气 轮 机 空 气 系 统 流 各 路 节 点 的 主 要 参 数 。 并 根 据 整 机 的 高 压 转 子 轴 向 力 测 量 ， 证 从 验 了 空 气 系 统 中各 腔 室压 力计 算 准 确 程 度 。
流 阻 元 件 中 的 流 动按 一 维 不 等 熵 、 可 压 流 处 不 理， 公式 推 导过程 中考 虑 了气流 沿程 流通 面积 变化 引 起 的压 力变 化 。最 终 的方程 形式 为 ：
ＡＰ ＋ ＢＰ Ｐ Ｊ — Ｐ — Ｋ２
ｑ
＝
在某 型燃 气轮 机设 计初期 ， 常 只具 备总体 性 能 通 计算 得到 的结 果 。以 对某 型燃 气 轮 机 总 体性 能 逆 向
ｋ ｙ ｆｃ ｏ ｓ Ｔｈ ｏ ｇ ｈ ｅ ｔｆｏ ｃ ｕ ｌｎ ａ ｃ ｌ ｔ ｎ，ｈ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｆｅｄ ｃ ｌｕ ａｉ ｎ ｆｒｈ ｇ —ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｅ ａ ｔｒ ． ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｈ ａ — ｗ ｏ ｐ ｉ ｇ ｃ ｌｕ ａ ｉ ｌ ｏ ｔ ｅ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｌ ａ ｃ ｌ ｔ ｏ ｉ ｈ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｉ ｏ
长 因子 ， 过在 一维 寻查 方 向上求 目标 函数 的极 小值 通
组） 。空 气 系统计 算 的基 本 思 想 ， 是通 过 数 学 方 法 即
得 到这个 非 线性方 程组 的数 值解 。
１ ）动 量 方 程
２ 空 气 系 统计 算边 界 条 件
２ １ 冷 却 空 气 抽 取 及 排 放 的 温 度 、 力 ． 压
ｃ ｍ ｐ ｅ ｓ ｒ ＨＰ ＆ ＬＰ ｔ ｒ ｉ ｅ ａ ｄ ｐ ｗｅ ｕ ｂ ｎ ． ｅ ｓ ｓｅ ｂ ｌｎ ｅ ｃ ｌ ｕ ａｉ ｎ ｉ ｍｐ ｅ ｎｅ ｙ ｕ ｅ ｏ ｏ ｒｓｏ ． ｕ ｂ ｎ ｓ． ｎ ｏ ｒｔ ｒ ｉ ｅ Ｔｈ ｙ ｔｍ ａ ａ ｃ ａｃ ｌｔｏ ｓ ｉ ｌ ｍｅ ｔｄ ｂ ｓ ｆ Ｆｌｗｍａ ｔ ｒ ｏｔ ｒ ｏ ｓｅ ｓ ｆｗａ ｅ，ｔ ｅ ｈ ｎ，ｍａ ｎ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｏ ａｌ ｎ ｄ ｓ ｆ ｉ ｓ ｓｅ ｉ ａ ａ ｔ ｒ ｆ ｌ ｏ ｅ ｏ ａｒ ｙ ｔｍ ｉ ｇ ｓ ｕ ｂ ｎ ａｅ ｏ ｔｉ ｅ ｎ ａ ｔ ｒ ｉ ｅ ｒ ｂ ａｎ ｄ ｃ ｎｓ ｑ ｅ ｔ Ｔｈ ａ ｃ ａｉｎ ａ ｃ ｒ ｃ ｆｅ ｃ ａ ｉｙ ｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ａｒｓ ｓｅ ｉ ｅ ｉ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｘａ ｏ ｃ ｏ ｅ ｕ ｎｌ ｙ． ｅ ｃ ｌｕｌｔｏ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ａ ｈ ｃ ｖ ｔ ｒ ｓ ｕ ｅ ｉ ｉ ｙ ｔｍ ｓｖ ｒｆ ｄ ｉ ｅ ｍ ｆａ ｉ ｌｆｒ ｅ ｉ
关 键 词 ： 燃 气轮 机 ； 气 系统 ； 却 叶 片 ； 向 力 空 冷 轴
中 图分 类号 ： Ｔ ４ ４ ７ Ｋ ７ ．
文 献标 识码 ： Ａ ＤＯ ：０ ３ ０ ／．ｓｎ １７ — ６ ９ ２ ｌ ． １０ ６ Ｉ １ ．４ ４ ｊｉ ． ６ ２ ７ ４ ． ０ １ １． ｌ ｓ
设计 得 到的燃 机参 数为 例 ， 对 参 数 见表 １ 相 。表 中 基
准 温 度 为 燃 气 初 温 ， 准 压 力 Ｐ 为 涡 轮 进 口 总 基
０。
２
同时 ， ｑ （ ≥ ０ Ｐ 一Ｐ ） 。 （） ３
压， 基准 流量 Ｑ 为 高压压 气机 入 口流量 。
流道 或排 人 大气 。燃 气 轮 机 空 气 系 统 主 要有 以 下功
能：
１ 空 气 系 统 计 算 方 法
任意 １ 空气 系统 ， 可抽 象成 由流 阻单元 与 腔 个 均
室构 成 的流路 网络 图 。
１ ）为高 温 涡轮 叶片 、 轮盘 提供 足够 的冷却 空 气 ， 使其 安全 、 靠工作 ； 可
轮 机稳定 运 行 的必要 条件 ， 空气 系统 的计 算及 设计 方
法越 来越 受 到关 注 。
置抽 取 空气 ， 通过 燃 气轮 机 的内部 腔室 或外 部 的各种
流 动结 构元 件 （ 路 、 门等 ） 按设 计 的流 路 及 要求 管 阀 ， 的参 数 流动 ， 同时完 成 规 定 的各 项 功 能 ， 最后 汇 入 主