進(jìn)排氣損失對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響

賈小權(quán)，黃東煜，鞠東兵

(中國(guó)人民解放軍海軍駐哈爾濱第七〇三研究所軍事代表室，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

燃?xì)廨啓C(jī)是一種新型動(dòng)力機(jī)械，目前廣泛應(yīng)用于航空、艦船以及電站系統(tǒng)中。燃?xì)廨啓C(jī)以功率密度大、啟動(dòng)快、機(jī)動(dòng)性好等突出優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多地用于艦船主動(dòng)力裝置［1］。但由于船用燃?xì)廨啓C(jī)布置在機(jī)艙底部，所以燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣和排氣通道沿程長(zhǎng)，往往貫穿上層建筑直達(dá)機(jī)艙，由此帶來(lái)的管道壓力損失使得船用燃?xì)廨啓C(jī)與陸用和試驗(yàn)臺(tái)架條件下相比進(jìn)氣和排氣壓力有著較大的不同［2］。

一方面，在燃?xì)廨啓C(jī)裝置的流路中有許多管路，當(dāng)燃?xì)饬鬟^(guò)這些管道時(shí)將產(chǎn)生流體阻力損失，從而影響裝置的性能。另一方面，在變工況工作時(shí)，由于流路中的流量、溫度、壓力及流速的變化，流阻損失也將發(fā)生變化，流阻損失表現(xiàn)為進(jìn)、排氣總壓損失。此外，隨著燃?xì)廨啓C(jī)在艦船上使用時(shí)間的增長(zhǎng)，空氣中的鹽分對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣濾清裝置產(chǎn)生腐蝕、結(jié)垢等因素會(huì)造成進(jìn)、排氣壓力的損失［3］。

1 模型建立

1.1 壓氣機(jī)模塊

這個(gè)模塊里主要是由特性子模塊、溫升子模塊和耗功子模塊組成。其中特性子模塊皆為二維查表函數(shù)模塊(Look－Up Table(2D))，前者可實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)壓比一流量變工況性能曲線數(shù)據(jù)的讀取，后者可實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)壓比—效率變工況性能曲線數(shù)據(jù)的讀取。壓氣機(jī)出口溫升由式(1)給出，壓氣機(jī)耗功由式(2)給出，分別對(duì)應(yīng)壓氣機(jī)模塊中的溫升子模塊和耗功子模塊［4－6］。圖1 考慮了定壓比熱隨溫度的變化。

式中:ma為空氣比熱比;Cpa為空氣定壓比熱容;NC為壓氣機(jī)消耗功率。

圖1 壓氣機(jī)仿真模型Fig.1 Simulation model of compressor

1.2 容積環(huán)節(jié)模塊

此模塊代表的是一定當(dāng)量容積的流動(dòng)連接部分，在動(dòng)態(tài)計(jì)算中主要考慮因流入流出流量差而引起的壓力變化，由質(zhì)量守恒定律得出壓力流量微分方程［7－8］:

式中:t 為時(shí)間;V 為容積;R 為氣體常數(shù)。在整個(gè)容積模塊計(jì)算過(guò)程中假定進(jìn)出口溫度、壓力一致。

圖2 容積模塊仿真模型Fig.2 The simulation model of volume

1.3 燃燒室模塊

此模塊比較特殊，可以將其看作是具有強(qiáng)烈熱交換的管路，因此燃燒室模塊由容積型子模塊和換熱型子模塊2 部分組成。其中容積型模塊中的溫度T 取燃燒室的進(jìn)口溫度和出口溫度的平均值。燃燒室出口的溫度由熱平衡方程得出:

式中:Gf為燃油量;Hu為燃油低發(fā)熱值;ηB為燃燒室效率。

圖3 燃燒室仿真模型Fig.3 The Simulation model of combustion

1.4 渦輪模塊

類似于壓氣機(jī)模塊，這個(gè)模塊里主要是由特性子模塊、溫降子模塊和作功子模塊組成。其中特性子模塊皆為一維查表函數(shù)模塊，前者可實(shí)現(xiàn)渦輪壓比一流量變工況性能曲線數(shù)據(jù)的讀取，后者可實(shí)現(xiàn)渦輪壓比一效率變工況性能曲線數(shù)據(jù)的讀取。這里由于渦輪轉(zhuǎn)速變化對(duì)特性曲線影響不大，只考慮一定轉(zhuǎn)速下的特性曲線［9］。

其出口溫度和功率輸出由式(5)和式(6)計(jì)算

式中:mg為燃?xì)獗葻岜?Cpg為燃?xì)舛▔罕葻崛?NT為渦輪發(fā)出功率。

圖4 渦輪仿真模型Fig.4 Simulation model of Turbine

1.5 轉(zhuǎn)子模塊

本文未考慮動(dòng)力渦輪所帶的負(fù)荷特性，只考慮輸出功率，則只需考慮發(fā)生器轉(zhuǎn)子模塊，文中考慮忽略較小的摩擦損失轉(zhuǎn)矩于是簡(jiǎn)化得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性微分方程為:

圖5 轉(zhuǎn)子仿真模型Fig.5 The simulation model of Shaft

圖6 某型燃?xì)鈾C(jī)仿真模型Fig.6 The simulation model of gas turbine

這里取大氣壓P1=101 325 Pa，取大氣溫度T1=300.15 K。共有6 個(gè)代表實(shí)體的模塊，分別是壓氣機(jī)模塊、燃燒室模塊、渦輪模塊、動(dòng)力渦輪模塊、容積模塊和轉(zhuǎn)子模塊，這些模塊都是封裝的子系統(tǒng)。利用Matlab/Simulink 軟件［10］對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行建立關(guān)于進(jìn)、排氣壓力損失的仿真模型，如圖6所示。

2 進(jìn)氣壓力損失對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響

本文選擇某型燃?xì)廨啓C(jī)在0.5 ～1.0 工況的加速過(guò)程來(lái)仿真進(jìn)氣道壓力損失對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)加速時(shí)整體性能參數(shù)的變化關(guān)系，改變進(jìn)氣道的總壓損失，由原來(lái)的進(jìn)氣道總壓損失為200 mm 水柱變?yōu)?00 mm水柱時(shí)，仿真燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)的變化。進(jìn)氣損失對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響(功率、溫度為無(wú)因次量)如圖7 ～圖9所示。

圖7 進(jìn)氣道壓力損失時(shí)功率隨時(shí)間變化曲線Fig.7 The curves of power vs.time consideration the inlet pressure loss

圖8 進(jìn)氣壓力損失排氣溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 The curves of temperature vs.time consideration the inlet pressure loss

圖9 考慮進(jìn)氣道壓力損失時(shí)效率隨時(shí)間變化曲線Fig.9 The curves of efficiency vs.time consideration the inlet pressure loss

與廠家經(jīng)過(guò)臺(tái)架試車實(shí)驗(yàn)后得出進(jìn)氣壓力損失對(duì)效率、功率和排氣溫度的修正曲線，根據(jù)所給的曲線得出進(jìn)氣壓力損失從200 mm 水柱到400 mm 水柱中效率、功率和排氣溫度的修正值與文中的仿真結(jié)果相比較，當(dāng)加速到1.0 工況后如表1所示。

表1 進(jìn)氣壓力損失變化時(shí)各參數(shù)變化與實(shí)測(cè)修正值的比較Tab.1 The compression of parameters change and actual amendment value when input pressure loss

3 排氣壓力損失對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響

隨著燃?xì)廨啓C(jī)在艦船上使用的時(shí)間的增長(zhǎng)，會(huì)增加排氣道的壓力損失，從而造成排氣壓力的損失增大。本文建立關(guān)于排氣壓力損失的仿真模型，選擇0.5－1.0 工況的加速過(guò)程來(lái)仿真排氣壓力損失對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)加速時(shí)整體性能參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系，改變排氣道的總壓損失系數(shù)，由原來(lái)的排氣道總壓損失為150 mm 水柱變?yōu)?50 mm 水柱時(shí)，通過(guò)仿真研究燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)隨時(shí)間的變化，排氣損失對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響(功率、溫度為無(wú)因次量)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖10 ～圖12所示。

圖10 排氣道壓力損失時(shí)效率隨時(shí)間變化曲線Fig.10 The curves of efficiency vs.time consideration the exit pressure loss

圖11 排氣道壓力損失時(shí)功率隨時(shí)間變化曲線Fig.11 The curves of power vs.time consideration the exit pressure loss

圖12 考慮進(jìn)氣道壓力損失時(shí)排氣溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.12 The curves of temperature vs.time consideration the exit pressure loss

由廠家經(jīng)過(guò)臺(tái)架試車實(shí)驗(yàn)后得出排氣壓力損失對(duì)效率、功率和排氣溫度的修正曲線，根據(jù)所給的曲線得出進(jìn)氣壓力損失從150 mm 水柱到350 mm 水柱中效率、功率和排氣溫度的修正值與文中的仿真結(jié)果相比較，當(dāng)加速到1.0 工況后如表2所示。

表2 排氣壓力損失變化時(shí)各參數(shù)與實(shí)測(cè)修正值的比較Tab.2 The comparasion of parameters change and actual amendment value when output pressure loss

4 結(jié) 語(yǔ)

由上文分析可知:圖7 ～圖12 是考慮進(jìn)、排氣壓力損失后燃?xì)廨啓C(jī)功率、效率和排氣溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。表1和表2 是考慮進(jìn)、排氣壓力損失后該型燃?xì)廨啓C(jī)功率、效率和排氣溫度與廠家提供的進(jìn)、排氣壓力損失各參數(shù)的修正值的比較對(duì)照表。

1)在定性上，當(dāng)進(jìn)、排氣壓力損失增大時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率和效率下降，排氣溫度增大。

2)進(jìn)氣壓力損失對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響大于排氣壓力損失對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響。究其原因主要是:由于排氣壓力的大小只是影響渦輪的膨脹比，當(dāng)渦輪的膨脹比減小時(shí)，此時(shí)渦輪發(fā)出的功率就相應(yīng)減小，而進(jìn)氣壓力的大小則影響整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的壓比和渦輪的膨脹比，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的功率下降較只考慮排氣壓力損失的功率損失要大。所以，進(jìn)氣壓力損失對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響大于排氣壓力損失對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響。

3)在定量上，當(dāng)進(jìn)氣壓力損失減小200 mm水柱時(shí):功率和效率分別下降2.94%和1.59%，排氣溫度升高5.13 K;當(dāng)排氣壓力損失下降200 mm時(shí)功率和效率分別下降1.24%和1.55%，排氣溫度升高8.8 K。仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)所測(cè)得值的誤差最大在3%以內(nèi)，滿足動(dòng)態(tài)過(guò)程建模精度的要求，可以看出仿真結(jié)果和廠家實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的吻合性。

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