变几何三轴式燃气轮机总体性能及控制规律研究

发布时间：2020-07-11 22:15

【摘要】：动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机具有高功重比、负载适应性强、易于起动等优势,通过调节导叶角度,改变动力涡轮以及上游的燃气发生器工作状态,使燃气轮机适应不同工况,从而具有优异的加减速以及部分工况性能。然而,该型燃气轮机复杂的三轴式结构以及可调的动力涡轮导叶给燃气轮机总体建模和控制规律设计等带来以下挑战:首先,由于该型燃气轮机结构复杂导致的多变量强非线性问题更为突出,传统模型难以同时获得优异的实时性和仿真精度;其次,动力涡轮导叶角度同时影响动力涡轮本身以及双转子燃气发生器的性能,如何优化控制规律,保证燃气轮机在任意工况、大气环境和负载条件下的性能最优具有重要意义;最后,在动力涡轮导叶角度调整过程中,多因素耦合作用下的双转子燃气发生器背压特性有待更深入的探索。但是,目前国内外关于该型燃气轮机实时仿真以及控制规律方面的研究所见不多。本文首先建立动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机部件级仿真模型,在此基础上提出径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络与部件法的混合建模方法(Hybrid Method of RBF neural net algorithm and Component modeling method,HMRC),建立实时仿真模型,经验证该模型可满足控制系统硬件在回路仿真实验的要求;然后基于仿真模型和燃气轮机整机实验数据开展详细的燃气轮机总体性能研究,在此基础上,一方面从优化控制角度,提出燃油流量和导叶角度耦合控制策略,以保证燃气轮机关键参数不超限的前提下提高热效率和最大输出功率;另一方面从指导部件设计角度,研究双转子燃气发生器背压特性与部件特性间的关系,并与燃气轮机整机实验数据进行对比验证。上述研究为动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机仿真建模、控制策略制定以及部件设计等提供重要参考。主要研究内容如下:(1)基于已有的部件特性以及燃气热力性质计算方法,对燃气轮机各部件分别建模,利用Newton-Raphson法求解非线性方程组确定共同工作点,在MATLAB/SIMULINK中针对该型燃气轮机建立部件级仿真模型,包括:设计点模型、稳态模型以及过渡态模型。(2)针对传统仿真模型难以同时满足硬件在回路仿真实验对模型精度和实时性要求的问题,本文利用神经网络和部件法二者的优势,提出径向基函数神经网络与部件法的混合建模方法(HMRC),传统部件级仿真模型和硬件在回路仿真实验验证该混合模型的准确性和实时性。(3)利用建好的仿真模型分析该型燃气轮机性能随大气环境的变化、动力涡轮导叶角度对燃气轮机性能的影响规律,以及不同大气环境下限制燃气轮机最大输出功率的因素等,为后文的控制策略研究做铺垫。(4)提出高效率模式(High Efficiency Mode,HEM)和高功率模式(High Power Mode,HPM)两套控制策略,通过优化燃油和导叶控制规律分别提高燃气轮机非设计点效率和不同环境下的最大输出功率。通过SIMULINK中建立的控制器模型验证其增益效果,特定工况下HEM和HPM可分别提高2%热效率和5%最大输出功率。(5)利用推导出的线性模型研究双转子燃气发生器出口背压变化时高、低压转子的部件匹配问题,建立各部件特性与双转子燃气发生器背压特性的数学关系,为部件特性的设计提供指导。仿真表明,根据该线性模型指导部件设计可避免高压轴转速随燃气发生器背压升高而增大。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK472
【图文】：

可调涡轮,进口导叶

ｉｎｎｅｒ邋ｓｋｉｎ逡逑图１．１可调涡轮进口导叶结构逦图１．２邋ＡＧＴ１５００燃气轮机逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｖａｒｉａｂｌｅ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｉｎｌｅｔ邋ｇｕｉｄｅ逦Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋ＡＧＴ１５００邋ｇａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅ逡逑ｖａｎｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑综上，变几何涡轮技术由于其独特的优势在燃气轮机领域得到广泛应用。本逡逑文研宄的动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机由于其复杂的结构，在建模仿真、逡逑控制规律优化以及总体特性研宄方面还存在一定挑战。从建模仿真的角度，该型逡逑燃气轮机多变量强非线性问题更为突出，使得传统的部件级仿真模型实时性和收逡逑敛性相对较差。而神经网络建模方法又需要大量的燃气轮机工况样本数据，如何逡逑在一定范围内选取合适的样本点、在保证仿真精度和合理样本范围的同时减小样逡逑本规模是一个关键性问题。因此，对于动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机，建逡逑立高精度、高实时性的仿真模型需要深入研宄。逡逑从控制规律优化和总体特性研究的角度，动力涡轮进口导叶开度直接影响动逡逑力涡轮本身的效率和流量特性

示意图,示意图,燃气轮机,仿真技术

设计节约３０％到４０％的时间和成本。ＮＰＳＳ是一种多维度的综合模型，它涵盖计逡逑算流体力学、燃烧学、结构强度、机械制造工艺学等多学科多领域的研宄内容，逡逑可以对燃气轮机进行综合分析，图１．３［５２］为ＮＰＳＳ的工作示意图。不同于传统的逡逑多学科综合仿真松散的分析方法，ＮＰＳＳ采用的是更符合实际物理过程的单流程逡逑仿真分析，既简化了模型又使仿真更加准确［５３］。ＮＰＳＳ通过可变复杂度分析将燃逡逑气轮机各个部件的零维到三维模型无缝连接，从而对燃气轮机寿命、稳态和非稳逡逑态工况等多方面进行快速、准确的模拟仿真。ＮＰＳＳ代表当时燃气轮机仿真技术逡逑的最高水平，并为未来燃气轮机仿真技术的发展指明方向。逡逑６逡逑

技术路线图,技术路线,燃气轮机

特性以及燃气轮机整机实验数据的验证。逡逑１．３主要研究内容与技术路线逡逑图１．４为本文的技术路线，主要的研究思路为：逡逑首先，基于三维计算的部件特性图和燃气热力性质计算方法建立燃气轮机部逡逑件级仿真模型（ＣＭＭ），该模型经过商业软件Ｇａｓｔｕｒｂ以及燃气轮机整机实验的验逡逑证，证明其可靠性和仿真精度。然后，为满足控制系统硬件在回路仿真实验对模逡逑型实时性要求，提出径向基函数（ＲＢＦ）神经网络和部件法的混合建模方法逡逑（ＨＭＲＣ），建立实时仿真模型，通过硬件在回路仿真实验完成模型的验证。之逡逑后利用建好的仿真模型详细分析动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机总体性能。逡逑根据分析出的燃气轮机总体特性，一方面，从控制的角度出发，提出高效率和高逡逑功率两套控制策略，在保证燃气轮机不超限、安全运行的前提下提高不同大气环逡逑境、工作状况、负载条件下的燃气轮机热效率和最大输出功率；另一方面

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