分轴燃气轮机的建模和仿真研究

发布时间：2017-05-18 09:04

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【摘要】：燃气轮机是一种旋转叶轮式动力机械，依靠连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，从而将燃料的能量转变为有用功。燃气轮机是重要的动力机械，广泛应用于航空、舰船以及电站系统中，因此对其进行建模仿真从而研究其性能具有理论与现实意义。 Matlab/Simulink属于面向图形对象建模并且采用可视化仿真技术，，是建立地面燃气轮机模型仿真平台的基础。本文采用模块化建模方法，通过对分轴燃气轮机功能分析与抽象，在Matlab/Simulink仿真环境中建立了一个燃气轮机模型仿真平台。 在压气机特性曲线拟合处理方面，通过分析目前对压气机特性曲线的处理方法，借鉴了Monod和Logistic模型的一些特点，提出了新的经验模型来拟合特性曲线。由于提出的模型为微分方程形式，因此采用龙格库塔法进行模型解算，参数辨识采用差分进化算法，在确定初始点后即可解算得到相应的特性曲线。该模型参数较少，与现有的方法相比也有更高的精度。 在稳态仿真中，利用Simulink模块库建立了燃气轮机中进气道、压气机、燃烧室、高压透平和动力透平这几个典型部件模块的模块库，根据燃机的流量平衡和功率平衡关系建立了稳态工作方程组模块，考虑到方程组是非线性函数，采用了Newton-Raphson法对其求解，最后得到了该型燃气轮机的稳态工作平衡点，从而完成了稳态仿真验证。 在动态仿真中，考虑到比热和油气比的变化对系统的影响，采用了变比热和变油气比的计算方法。在仿真平台上建立了用于动态仿真的转子模块和容积模块，基于容积惯性法建立了无迭代动态模型，实现了某型分轴燃气轮机的动态仿真，仿真结果与参考曲线误差较小。 在燃气轮机控制器的设计方面，采用差分进化算法对PI控制器参数进行整定，仿真结果表明采用该参数整定方法可获得较好的动态特性。
【关键词】：燃气轮机 压气机特性曲线 稳态仿真 动态仿真 Newton-Raphson 容积惯性法
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK472
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 符号说明7-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 燃气轮机发展现状11-12
• 1.2.1 国外燃气轮机发展现状11
• 1.2.2 国内燃气轮机发展现状11-12
• 1.3 燃气轮机建模仿真状况12-17
• 1.3.1 燃气轮机建模状况12-15
• 1.3.1.1 稳态模型12-13
• 1.3.1.2 动态模型13-15
• 1.3.2 燃气轮机仿真支持系统发展现状15-16
• 1.3.3 燃气轮机控制设计状况16-17
• 1.4 本文所做的工作17-18
• 第二章 压气机特性曲线及其处理方法18-25
• 2.1 压气机特性曲线拟合方法18-20
• 2.1.1 压气机特性曲线18-19
• 2.1.2 曲线拟合方法介绍19-20
• 2.2 特性曲线拟合函数模型提出20-22
• 2.2.1 传统模型及其局限性20
• 2.2.2 新模型的提出20-22
• 2.3 差分进化算法22-24
• 2.3.1 差分进化算法原理22-23
• 2.3.2 差分进化算法的应用23-24
• 2.4 本章总结24-25
• 第三章 压气机特性模型参数辨识及求解25-34
• 3.1 模型匹配性检验及参数辨识25-29
• 3.1.1 单根特性曲线分别拟合25-27
• 3.1.2 特性曲线整体拟合27-29
• 3.2 初值点拟合和模型求解29-32
• 3.2.1 初值点拟合29-32
• 3.2.2 模型求解32
• 3.3 几种方法的精度比较32-33
• 3.4 本章总结33-34
• 第四章 燃气轮机稳态仿真34-44
• 4.1 燃气轮机构成及其建模假设34
• 4.2 部件级稳态模型的建立34-39
• 4.2.1 进气道模块35
• 4.2.2 压气机模块35-37
• 4.2.3 燃烧室模块37
• 4.2.4 透平模块37-39
• 4.3 燃气轮机稳态共同工作方程及其求解39-41
• 4.3.1 燃气轮机稳态共同工作方程及其模块39-41
• 4.3.2 稳态共同方程的求解41
• 4.4 稳态模型的整体构建与仿真结果41-43
• 4.4.1 模型整体构建41-42
• 4.4.2 燃气轮机仿真流程42-43
• 4.4.3 仿真结果43
• 4.5 本章小结43-44
• 第五章 燃气轮机动态仿真44-52
• 5.1 燃气轮机动态性能仿真方法44-46
• 5.1.1 变比热的计算方法44-45
• 5.1.2 燃烧室油气比的计算方法45-46
• 5.2 Simulink 动态性能仿真模型实现46-49
• 5.2.1 压气机模块46
• 5.2.2 容积模块46-47
• 5.2.3 燃烧室模块47-48
• 5.2.4 透平模块48
• 5.2.5 转子模块48-49
• 5.2.6 动态仿真的整体模型建立49
• 5.3 动态性能仿真验证49-51
• 5.4 本章小结51-52
• 第六章 燃气轮机控制器设计52-57
• 6.1 PID 控制器参数优化方法介绍52
• 6.2 PI 控制参数整定52-56
• 6.2.1 PI 控制算法52-53
• 6.2.2 基于差分进化算法 PI 参数整定53-56
• 6.3 本章小结56-57
• 第七章 总结及展望57-59
• 7.1 本文工作总结57
• 7.2 研究展望57-59
• 参考文献59-63
• 致谢63-64
• 作者攻读硕士学位期间发表和完成的学术论文64-66

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本文编号：375602