燃气轮机仿真建模方式探讨
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关键词院燃气轮机；仿真建模；建模方式
0 引言 燃气轮机最初仅仅应用于航空领域，后来随着技术 进步，使得核心技术指标得到提高，逐步应用于能源、交 通、石化和电力等非交通领域。经过半个多世纪的发展， 现代燃气轮机具有结构紧凑、功率密度大、启动性能高、 燃料多元化和运行灵活等优点，开始广泛应用于航空航 天系统、分布式能源领域以及作为移动电源或者各种主 辅动力装置。因此，研究如何提高燃气轮机产品总体性能 十分重要。 燃气轮机性能研究分为试验获取和仿真建模分析两 种方式，前者需要通过大量实验探索的方式来获取试车 性能参数，但是由于试车存在费用高、危险性高以及周期 长等问题，这种方式实施起来具有一定的难度，而后者通 过建立数学仿真模型进行性能评估的方式得到了广泛应 用，尤其适用于缺少整机或者关键部件的设计初始阶段。 随着仿真建模分析技术的不断进步，性能更高和结构更 复杂的燃气轮机也可以通过精确的数学模型来模拟实际 运行过程，分析和预测整机性能，并通过理论分析获取控 制规律，在没有前期类似试车经验供参考时指导试车工 作，提前预测压气机喘振边界、超温边界和超转边界，使 燃气轮机在稳定工况尤其是过渡态加减速工况下能够稳 定安全运行。 1 仿真建模的重要意义 建立燃气轮机仿真模型，给定一组性能参数，并 进 行相应的性能分析对于燃气轮机设计分析工作具有重 要意义。 1.1 指导燃气轮机性能评估 由于燃气轮机技术的快速发展，现代燃气轮机结构越
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内燃机与配件
图 2 第 II 类数学模型
为试车数据的处理工作提供参考，由于试车时会产生海量 数据，此时根据仿真分析时的参数进行选择性的分析，可 以大幅降低工作量。
1.4 提供燃气轮机故障预测 在 建 立 燃 气 轮 机 仿 真 分 析 模 型 时 ，在 部 件 结 构 层 面 加 入 关 键 部 件 的 故 障 变 量 ，建 立 故 障 矩 阵 ，通 过 求 解 来 获取关键部件故障对燃气轮机整机性能的影响。这种 分析方式与以往的模拟部件效率和流通能力对燃气轮 机 性 能 影 响 不 同 ，可 以 深 层 次 地 分 析 故 障 产 生 原 因 ，从 而可以制定合理的措施来避免这些故障在实际试车时 发 生 [4]。 通过以上阐述可知，由于燃机轮机整机和部件试验存 在周期长、费用高和危险性高等问题，在设计阶段或者实 际试验之前进行仿真分析非常重要。 2 仿真建模探讨 建立准确的计算模型是进行燃气轮机性能分析的前 提，而采用合理的分析方法可以使计算结构更加真实有 效。由于燃气轮机是一种高速回转式动力机械，工作过程 较为复杂，数学建模要以实际的气动热力学过程为基础， 力求能够真实描述压气机、燃烧室和涡轮三大部件的协调 匹配关系，实质是建立燃气轮机设计参数、部件特性以及 共同工作条件的数学关系。 2.1 燃气轮机建模思路 根据燃气轮机气动热力特性和部件特性来建立各主 要部件的气动热力学方程，用来分析燃气轮机实际部件的 工作特性； 构造压气机、燃烧室和涡轮关键部件的共同工作关系 模型，具体通过转子功率平衡和流量平衡等热力学原理沿 高温高压工质流动方向进行构建； 采用不同的数值方法对构造的数学模型进行求解，分 析关键部件的匹配关系和各个状态点的真实性能，从而能 够真实模拟燃气轮机实际工作过程。 2.2 建模方式 在发动机寿命周期的不同阶段，已知的原始数据不 同，要求发动机性能仿真模型的仿真内容、计算精度、计算 速度也相互各异，所以模型可以按复杂程度分为几种类 型。下面介绍按复杂程度分类的四种燃气涡轮发动机性能 仿真模型。 2.2.1 第玉类仿真模型 这种方法是依靠表格或拟合关系式来描述发动机性 能，将整个发动机作为一个“黑盒子”，如图 1 所示，模型中 不需要详细描述发动机内部的压气机、燃烧室和涡轮三大 关键部件的工作情况和具体性能参数，对于各关键部件内 部的匹配和接口尺寸关注不多。
来越复杂。比如压气机进口导叶可调结构、压气机级间放 气结构、临界面积可调的缩放式尾喷管结构以及变几何涡 轮结构的应用，大幅度增加了燃气轮机的复杂程度[1]。因 此，在燃气轮机设计初期或者进行关键部件试验之前，通 过建立准确可靠的数学模型对关键部件的设计点特性和 非设计点特性进行评估显得非常重要。具体方式是通过建 立精确可靠的数学模型在设计阶段择优选取设计参数，并 通过对已有特性图的缩放来获得关键部件的近似特性，根 据这些条件计算燃气轮机在整个工作范围内性能以及关 键参数变化趋势，做出性能评估。
应该对汽轮机进行不断的改善和优化。汽轮机的发展趋势 是提高效率和降低能耗，在科学技术的不断改进和发展 下，技术设备也正在不断创新。虽然现阶段提高效率并降 低能耗的效果并不是十分明显，但未来汽轮机转化的效率 却会不断提升。如此可见，汽轮机的未来发展还是十分可 期的。
5 结束语 电厂在发电过程中，所用的能源很容易对环境造成一 些问题。所以，需要考虑环保方面的问题，从而更进一步的
Internal Combustion Engine & Parts
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燃气轮机仿真建模方式探讨
杨超Biblioteka Baidu孟丽
（中科合肥微小型燃气轮机研究院有限责任公司）
摘要院燃气轮机性能研究分为试验获取和仿真建模分析两种方式，前者需要通过大量实验探索的方式来获取试车性能参数，但是 由于试车存在费用高、危险性高以及周期长等问题，这种方式实施起来具有一定的难度，而后者通过建立数学仿真模型进行性能评估 的方式得到了广泛应用，尤其适用于缺少整机或者关键部件的设计初始阶段，文章指出了建立燃气轮机仿真建模的重要意义，讨论了 燃气涡轮发动机性能仿真建模的几种方式，为燃气轮机的设计和性能分析提供依据。
1.2 指导燃气轮机控制规律选取 对 于 采 用 变 几 何 结 构 的 燃 气 轮 机 来 说 ，选 取 不 同 的 控制规律或者控制策略对燃气轮机性能的影响各不相 同。在实际设计中，需要运用详尽的数学模型对相应的 控制规律进行分析，例如采取控制涡轮前温度恒定方 式 、采 取 低 压 转 速 恒 定 方 式 或 者 采 取 高 压 转 速 恒 定 方 式 等，通过分析来获得稳态工况的控制策略和关键参数的 限制量，以及过渡态工况下燃油流量控制策略和变几何 结 构 的 调 节 规 律 ，实 现 多 参 数 的 控 制 规 律 优 化 ，选 取 对 于 燃 气 轮 机 最 优 化 的 控 制 系 统 设 计 [2]。 在 进 行 燃 气 轮 机 实际试车试验时，可以根据实际运行情况验证仿真分析 结论并修正。 1.3 提供燃气轮机试车指导 燃气轮机仿真分析的结论可以辅助指导实际试车工 作。通过模拟分析燃气轮机压气机喘振条件、涡轮超温条 件以及转子超转条件，事先提出合理的试车方案和试车目 标[3]。特别是对于没有类似试车经验可借鉴参考的情况，更 突显出仿真分析的重要性。同时，仿真分析中的参数可以
对电厂汽轮机的结构进行改进和优化，才有可能在今后的 发展过程中提升发电效率，并产生更重大的社会效益与经 济效益。
参考文献院 [1] 高 秀 芳 . 电 厂 汽 轮 机 运 行 优 化 措 施 探 讨 [J]. 科 技 与 企 业 ， 2015（01）：201-203. [2]张伟.浅谈电厂汽轮机运行优化措施[J].科技创新与应用， 2014（25）：123-124. [3]冯剑钊，张景伟.电厂汽轮机运行优化措施探讨[J].科技视 界，2015（12）：89-92.
0 引言 燃气轮机最初仅仅应用于航空领域，后来随着技术 进步，使得核心技术指标得到提高，逐步应用于能源、交 通、石化和电力等非交通领域。经过半个多世纪的发展， 现代燃气轮机具有结构紧凑、功率密度大、启动性能高、 燃料多元化和运行灵活等优点，开始广泛应用于航空航 天系统、分布式能源领域以及作为移动电源或者各种主 辅动力装置。因此，研究如何提高燃气轮机产品总体性能 十分重要。 燃气轮机性能研究分为试验获取和仿真建模分析两 种方式，前者需要通过大量实验探索的方式来获取试车 性能参数，但是由于试车存在费用高、危险性高以及周期 长等问题，这种方式实施起来具有一定的难度，而后者通 过建立数学仿真模型进行性能评估的方式得到了广泛应 用，尤其适用于缺少整机或者关键部件的设计初始阶段。 随着仿真建模分析技术的不断进步，性能更高和结构更 复杂的燃气轮机也可以通过精确的数学模型来模拟实际 运行过程，分析和预测整机性能，并通过理论分析获取控 制规律，在没有前期类似试车经验供参考时指导试车工 作，提前预测压气机喘振边界、超温边界和超转边界，使 燃气轮机在稳定工况尤其是过渡态加减速工况下能够稳 定安全运行。 1 仿真建模的重要意义 建立燃气轮机仿真模型，给定一组性能参数，并 进 行相应的性能分析对于燃气轮机设计分析工作具有重 要意义。 1.1 指导燃气轮机性能评估 由于燃气轮机技术的快速发展，现代燃气轮机结构越
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内燃机与配件
图 2 第 II 类数学模型
为试车数据的处理工作提供参考，由于试车时会产生海量 数据，此时根据仿真分析时的参数进行选择性的分析，可 以大幅降低工作量。
1.4 提供燃气轮机故障预测 在 建 立 燃 气 轮 机 仿 真 分 析 模 型 时 ，在 部 件 结 构 层 面 加 入 关 键 部 件 的 故 障 变 量 ，建 立 故 障 矩 阵 ，通 过 求 解 来 获取关键部件故障对燃气轮机整机性能的影响。这种 分析方式与以往的模拟部件效率和流通能力对燃气轮 机 性 能 影 响 不 同 ，可 以 深 层 次 地 分 析 故 障 产 生 原 因 ，从 而可以制定合理的措施来避免这些故障在实际试车时 发 生 [4]。 通过以上阐述可知，由于燃机轮机整机和部件试验存 在周期长、费用高和危险性高等问题，在设计阶段或者实 际试验之前进行仿真分析非常重要。 2 仿真建模探讨 建立准确的计算模型是进行燃气轮机性能分析的前 提，而采用合理的分析方法可以使计算结构更加真实有 效。由于燃气轮机是一种高速回转式动力机械，工作过程 较为复杂，数学建模要以实际的气动热力学过程为基础， 力求能够真实描述压气机、燃烧室和涡轮三大部件的协调 匹配关系，实质是建立燃气轮机设计参数、部件特性以及 共同工作条件的数学关系。 2.1 燃气轮机建模思路 根据燃气轮机气动热力特性和部件特性来建立各主 要部件的气动热力学方程，用来分析燃气轮机实际部件的 工作特性； 构造压气机、燃烧室和涡轮关键部件的共同工作关系 模型，具体通过转子功率平衡和流量平衡等热力学原理沿 高温高压工质流动方向进行构建； 采用不同的数值方法对构造的数学模型进行求解，分 析关键部件的匹配关系和各个状态点的真实性能，从而能 够真实模拟燃气轮机实际工作过程。 2.2 建模方式 在发动机寿命周期的不同阶段，已知的原始数据不 同，要求发动机性能仿真模型的仿真内容、计算精度、计算 速度也相互各异，所以模型可以按复杂程度分为几种类 型。下面介绍按复杂程度分类的四种燃气涡轮发动机性能 仿真模型。 2.2.1 第玉类仿真模型 这种方法是依靠表格或拟合关系式来描述发动机性 能，将整个发动机作为一个“黑盒子”，如图 1 所示，模型中 不需要详细描述发动机内部的压气机、燃烧室和涡轮三大 关键部件的工作情况和具体性能参数，对于各关键部件内 部的匹配和接口尺寸关注不多。
来越复杂。比如压气机进口导叶可调结构、压气机级间放 气结构、临界面积可调的缩放式尾喷管结构以及变几何涡 轮结构的应用，大幅度增加了燃气轮机的复杂程度[1]。因 此，在燃气轮机设计初期或者进行关键部件试验之前，通 过建立准确可靠的数学模型对关键部件的设计点特性和 非设计点特性进行评估显得非常重要。具体方式是通过建 立精确可靠的数学模型在设计阶段择优选取设计参数，并 通过对已有特性图的缩放来获得关键部件的近似特性，根 据这些条件计算燃气轮机在整个工作范围内性能以及关 键参数变化趋势，做出性能评估。
应该对汽轮机进行不断的改善和优化。汽轮机的发展趋势 是提高效率和降低能耗，在科学技术的不断改进和发展 下，技术设备也正在不断创新。虽然现阶段提高效率并降 低能耗的效果并不是十分明显，但未来汽轮机转化的效率 却会不断提升。如此可见，汽轮机的未来发展还是十分可 期的。
5 结束语 电厂在发电过程中，所用的能源很容易对环境造成一 些问题。所以，需要考虑环保方面的问题，从而更进一步的
Internal Combustion Engine & Parts
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燃气轮机仿真建模方式探讨
杨超Biblioteka Baidu孟丽
（中科合肥微小型燃气轮机研究院有限责任公司）
摘要院燃气轮机性能研究分为试验获取和仿真建模分析两种方式，前者需要通过大量实验探索的方式来获取试车性能参数，但是 由于试车存在费用高、危险性高以及周期长等问题，这种方式实施起来具有一定的难度，而后者通过建立数学仿真模型进行性能评估 的方式得到了广泛应用，尤其适用于缺少整机或者关键部件的设计初始阶段，文章指出了建立燃气轮机仿真建模的重要意义，讨论了 燃气涡轮发动机性能仿真建模的几种方式，为燃气轮机的设计和性能分析提供依据。
1.2 指导燃气轮机控制规律选取 对 于 采 用 变 几 何 结 构 的 燃 气 轮 机 来 说 ，选 取 不 同 的 控制规律或者控制策略对燃气轮机性能的影响各不相 同。在实际设计中，需要运用详尽的数学模型对相应的 控制规律进行分析，例如采取控制涡轮前温度恒定方 式 、采 取 低 压 转 速 恒 定 方 式 或 者 采 取 高 压 转 速 恒 定 方 式 等，通过分析来获得稳态工况的控制策略和关键参数的 限制量，以及过渡态工况下燃油流量控制策略和变几何 结 构 的 调 节 规 律 ，实 现 多 参 数 的 控 制 规 律 优 化 ，选 取 对 于 燃 气 轮 机 最 优 化 的 控 制 系 统 设 计 [2]。 在 进 行 燃 气 轮 机 实际试车试验时，可以根据实际运行情况验证仿真分析 结论并修正。 1.3 提供燃气轮机试车指导 燃气轮机仿真分析的结论可以辅助指导实际试车工 作。通过模拟分析燃气轮机压气机喘振条件、涡轮超温条 件以及转子超转条件，事先提出合理的试车方案和试车目 标[3]。特别是对于没有类似试车经验可借鉴参考的情况，更 突显出仿真分析的重要性。同时，仿真分析中的参数可以
对电厂汽轮机的结构进行改进和优化，才有可能在今后的 发展过程中提升发电效率，并产生更重大的社会效益与经 济效益。
参考文献院 [1] 高 秀 芳 . 电 厂 汽 轮 机 运 行 优 化 措 施 探 讨 [J]. 科 技 与 企 业 ， 2015（01）：201-203. [2]张伟.浅谈电厂汽轮机运行优化措施[J].科技创新与应用， 2014（25）：123-124. [3]冯剑钊，张景伟.电厂汽轮机运行优化措施探讨[J].科技视 界，2015（12）：89-92.