分軸燃?xì)廨啓C(jī)氣路故障模擬研究

王偉影,孔慶毅,白 冰,任博鋮

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所,哈爾濱 150010; 船舶與海洋工程特種裝備和動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心,哈爾濱 150010)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)在航空、船舶及工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域中占有重要地位。因其長(zhǎng)期工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高濕、高鹽及高應(yīng)力狀態(tài)下,船用燃?xì)廨啓C(jī)相比于航空用燃機(jī)及工業(yè)發(fā)電燃機(jī)更容易出現(xiàn)各類故障,且高鹽條件會(huì)加劇葉片結(jié)垢、磨損,壓氣機(jī)積鹽嚴(yán)重可能引起喘振[1-2]。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)一旦發(fā)生故障將對(duì)乘員及船舶自身造成嚴(yán)重影響,因此深入研究燃?xì)廨啓C(jī)氣路故障的診斷技術(shù)對(duì)于及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并解決各種故障問題至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行了大量研究。Provost[3]為解決測(cè)量時(shí)噪聲影響測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)確性的問題,使用加強(qiáng)的卡爾曼濾波來(lái)克服這個(gè)因素的影響。陳大光提出了一種多態(tài)氣體路徑分析方法,給出了估值平均誤差定義[4]。范作民等提出了一種基于主因子模型的方法[5-6]。孫躍武等采用小偏差線性化方法建立了壓氣機(jī)積垢模型,仿真獲得了燃油流量等參數(shù)在壓氣機(jī)積垢過程中的變化趨勢(shì)[7]。此外,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8-11]、遺傳算法[12-13]、混合優(yōu)化算法[14-15]等智能算法也被應(yīng)用于燃機(jī)故障診斷中。

本研究以某型分軸燃?xì)廨啓C(jī)為研究對(duì)象,采用小偏差線性化方法建立了燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)態(tài)氣路故障模型,并進(jìn)行氣路故障模擬研究。

1 燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型

選取某型號(hào)分軸燃?xì)廨啓C(jī)作為研究對(duì)象,如圖1所示。該圖為分軸燃?xì)廨啓C(jī)的典型物理模型。燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、動(dòng)力渦輪等關(guān)鍵部件組成。

圖1 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)模型小偏差線性化

采用線性化建模思想建立了燃?xì)廨啓C(jī)故障數(shù)學(xué)模型,針對(duì)燃機(jī)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)方程包括壓氣機(jī)壓縮方程、渦輪膨脹方程、燃燒室能量守恒方程、功率平衡方程、壓比平衡方程等,應(yīng)用小偏差線性化得到其小偏差表達(dá)式,如式(1)：

(1)

式中,LC、LHT、LPT分別為壓氣機(jī)、高壓渦輪、動(dòng)力渦輪比功;T1、T2、T3、T4分別為壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、動(dòng)力渦輪入口溫度;πc、πHT、πPT分別為壓氣機(jī)、高壓渦輪、動(dòng)力渦輪壓比;ηc、ηHT、ηPT別為壓氣機(jī)、高壓渦輪、動(dòng)力渦輪效率;Gc、GHT、GPT分別為壓氣機(jī)、高壓渦輪、動(dòng)力渦輪入口流量;wf、ηB為燃油流量及燃燒效率;T5為動(dòng)力渦輪出口溫度;σin、σB、σout分別為進(jìn)氣道、燃燒室、排氣道的總壓力恢復(fù)系數(shù);N為輸出功率。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)故障模型

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生故障時(shí)各部件的特性將會(huì)發(fā)生變化,由于各部件之間存在密切關(guān)聯(lián),這將導(dǎo)致它們重新匹配,從而達(dá)到一個(gè)新的平衡工作點(diǎn)。各個(gè)參數(shù)的相對(duì)偏差主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,即狀態(tài)量偏差=工作點(diǎn)自身偏差+特性偏移。燃?xì)廨啓C(jī)存在氣路故障時(shí),其參數(shù)總偏差可表示為式(2)。

(2)

式中,k9、k10、k11、k12、k13、k14分別為壓氣機(jī)等轉(zhuǎn)速線上折合流量壓比相對(duì)偏差斜率、效率壓比相對(duì)偏差斜率、高壓渦輪折合流量膨脹比斜率、效率膨脹比相對(duì)偏差斜率、動(dòng)力渦輪折合流量膨脹比斜率、效率膨脹比的相對(duì)偏差斜率。經(jīng)推導(dǎo),可得燃?xì)廨啘y(cè)量參數(shù)變化量與部件性能參數(shù)獨(dú)立變化量的關(guān)系式：

(3)

2 燃?xì)廨啓C(jī)氣路故障模擬研究

選定燃?xì)廨啓C(jī)容易發(fā)生的壓氣機(jī)積垢來(lái)表征壓氣機(jī)發(fā)生氣路故障,植入壓氣機(jī)故障因子,分析燃?xì)廨啓C(jī)主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。具體仿真過程為：0～100 s時(shí),燃機(jī)穩(wěn)定工作,100 s時(shí)變?yōu)樽児r運(yùn)行,燃機(jī)的整個(gè)過程仿真時(shí)間為300 s,系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)如圖2、圖3、圖4、圖5所示,數(shù)據(jù)均進(jìn)行歸一化處理。

圖2 燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速變化曲線

圖3 壓氣機(jī)壓比變化曲線

圖4 燃油量變化曲線

圖5 動(dòng)力渦輪排氣溫度變化曲線

在100 s的時(shí)刻,當(dāng)負(fù)載從0.8下降到0.64的過程中,壓氣機(jī)發(fā)生故障時(shí),燃?xì)獍l(fā)生器的轉(zhuǎn)速低于壓氣機(jī)沒有故障時(shí)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)圖3可知,當(dāng)壓氣機(jī)存在故障時(shí),效率下降,流量減少,導(dǎo)致壓氣機(jī)的壓比下降。由圖4、圖5可知,壓氣機(jī)存在故障時(shí),燃油流量增加,排氣溫度升高。這是因?yàn)閴簹鈾C(jī)性能下降,為了保持負(fù)載恒定,必須增加燃油流量,導(dǎo)致燃燒室出口燃?xì)鉁囟壬?最終導(dǎo)致動(dòng)力渦輪出口溫度上升。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過數(shù)學(xué)模型及仿真方法,深入研究了分軸燃?xì)廨啓C(jī)在氣路故障條件下的性能變化。在壓氣機(jī)故障情況下,燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速下降,壓比降低,燃油流量與動(dòng)力渦輪排氣溫度上升。此研究結(jié)果有助于更好地理解燃?xì)廨啓C(jī)在故障情況下的運(yùn)行特性,為故障診斷及性能優(yōu)化提供有價(jià)值的參考。燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于船舶及電站等應(yīng)用具有關(guān)鍵意義,因此對(duì)其性能特性的深入研究至關(guān)重要。