多级轴流式压气机平均模型级特性获取方法

　第41卷第12期　2007年12月

上海交通大学学报

J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT Y

Vol.41No.12　

Dec.2007　

收稿日期:2006210212

基金项目:国家自然科学基金资助项目(5997022)

作者简介:马文通(19772),男,辽宁沈阳市人,博士生,主要从事动力系统建模与仿真研究.

电话(Tel.):021*********;E 2mail :wentongma @.

文章编号:100622467(2007)1221954205

多级轴流式压气机平均模型级特性获取方法

马文通,　刘永文,　苏　明

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)

摘　要:针对压气机的级特性计算问题,提出轴流式压气机平均模型级特性的概念,并对经典的相

似定律进行改进,使相似工况下各级进出口运动相似条件得到满足.在保证高转速工作区压气机特性计算误差最小化的前提下,采用最优化方法辨识平均模型级特性,结合相似模化的修正方法外推得到模型级完整特性图,进而采用逐级计算的方法重构出压气机完整特性图.新方法改进了传统外推方法,计及到空气密度变化差异和压气机转速对压气机特性的影响,充分利用已有的压气机特性数据并能够在特性线外推中更好地体现压气机自身特性.关键词:热力系统;特性图;相似模化;轴流式压气机中图分类号:T K 472.6 文献标识码:A

An Average Stage Characteristics Generation Method

of Multistage Axial Flow Compressors

M A W en 2tong ,　L I U Yong 2w en ,　S U M i n g

(School of Mechanical Eng.,Shanghai Jiaotong U niv.,Shanghai 200240,China )

Abstract :Concept s of average model stage characteristics of axial flow compressors were propo sed.Wit h modified scaling met hod ,t he new generation technique of average model stage characteristics can satisfy t he analogy criterion perfectly.To minimize t he error between t he calculated characteristic and t he test characteristic of t he axial flow comp ressor at high rotational speeds ,t he average model stages performance characteristics are identified wit h optimization met hod.The total comp ressor performance characteristic map s are synt hesized wit h t he modified scaling met hod and t he average model stage characteristics.The p ropo sed technique improves t he conventional scaling met hod so as to take into account t he effect of air density change different and t he rotational speed of t he comp ressor ,and it can make good use of available data which can reflect t he own performance characteristics of t he compressor.

Key words :t hermodynamic system ;characteristic map s ;scaling met hod ;axial flow compressors

符号说明:

c ———绝对速度,m/s h ———压缩功,J k ———绝热指数m ———模型级个数

n ———多变指数w ———相对速度,m/s

G c———折合质量流量K———相似系数

T1———入口温度,℃N c———折合转速ε———误差函数<———流量系数η———效率

π———压比

σ———温比

下　标:

i———模型级编号

j———约束函数序号

p———多变参数

r———不可逆过程

s———等熵

R———参考参数

随着燃气轮机在动力领域应用的增加,多级轴流式压气机的设计和运行问题受到了广泛的关注.由于起动、变负荷、停机以及其他环境因素的干扰,燃气轮机经常在非设计工况下工作.燃气轮机各主要部件中压气机的特性计算最为困难,也最为关键.例如,在压气机启动阶段计算中,涉及到放气、转导叶和转静叶工况的特性计算,需要确定压气机各级特性.为了保证燃气轮机安全、高效地运行,准确计算压气机各级在非设计工况下的特性具有非常重要的现实意义.

许多学者对压气机非设计特性进行了研究.例如:Agrawal等[1]提出通过修正系数K对雷诺相似准则进行修正,以压气机质量守恒方程为基础直接得出相似工况下压气机特性的关系式;文献[2,3]中利用人工智能方法从实验和厂商提供的数据中推算出相似系数,进而重构出压气机在非设计工况下的特性.但这些方法无法计算压气机启动阶段不可避免的放气、转导叶和转静叶特性.

传统级堆叠方法是利用已知的级特性线逐级计算压气机整机特性.例如,文献[427]中利用New2 ton2Rap hson方法对级堆叠方法进行了改进,使之能够并行计算各级参数,拓宽了逐级计算方法的应用范围,但级压比特性图和级效率特性图分别取自文献[8,9].由于上述研究大多采用统计的方法确定压气机级特性,故不能反映压气机自身特性.而常用的基于相似定律外推方法采用单条特性线作外相似外推计算的参考线,故不能充分利用已知的数据.

本文将工质的压缩过程分解成若干个串联的平均模型级做功结果,每个模型级进出口工质密度变化不大,这样能更好地满足雷诺相似条件,并且可以计算压气机启动阶段涉及到的放气、转导叶和转静叶问题.以压气机特性计算结果与实验结果间误差最小化作为目标函数,利用最优化方法确定平均模型级特性,使计算结果能够体现压气机自身特性并充分利用已有的数据.

1　平均级特性获取方法

在燃气轮机系统仿真计算中,由于实验条件的限制,通常仅能得到部件有限的高转速区域特性.将工质在压气机叶栅中的多变压缩过程看作是一系列串联的模型级做功结果,以平均模型级表征压气机特性,从而便于在燃气轮机系统仿真中计算级间放气、转导叶和转静叶等非设计工况压气机特性.

1.1　假设条件

对仅已知部分等转速特性的压气机,假设:

(1)压气机在紊流区工作,各模型级内流场满足动力自相似条件.

(2)工质在模型级中密度变化量较小,各级设计转速下与非设计转速下对应的等流量系数工况点进出口速度三角形满足几何和运动相似条件.

(3)压气机特性可以用平均模型级叶栅相对特性通过级堆叠的计算方法表征.

(4)在设计工况下,级叶栅入口气流攻角最小,效率最高,各级多变效率相同.

(5)考虑到压缩过程中的不可逆损失和不同转速下的密度变化差异,采用相对折合转速对相似系数进行二阶非线性修正,即相似系数是折合转速的二阶非线性函数.

由以上假设,在已知压气机部分转速特性线的前提下,引入模型级的概念.为计及工质密度变化的影响,将原压气机分解为若干个串联的模型级,工质密度变化对单个模型级特性的影响随着模型级数目的增加而减小.模型级不同于压气机的真实级,各模型级具有相似特性,可以通过模型级特性的逐级计算确定压气机总特性.模型级每级入口条件与前一级出口条件相同;各模型级折合转速和折合流量由前一级出口条件计算.

1.2　模型级参考点

通常,在设计工况下各级效率最高,而设计工况特性最能体现压气机设计性能,故选取设计点作为参考点.模型级代表对原压气机的虚拟分解,各模型级所负担的加功量和压比的分配比例不会对最终分析结果造成影响.为了方便公式处理,以模型级平均叶栅特性为基础,假设各模型级压比平均分配,则设计工况下各级压比为

π

R,i=

π1m

R

(1)各级参考点多变效率与整机多变效率相同,即

η

p,R,i=

ηp,R(2)

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