考慮可調(diào)靜葉壓氣機的船舶燃?xì)廨啓C仿真優(yōu)化

王志濤，白冰，李鐵磊,2，范闊，李淑英

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

考慮可調(diào)靜葉壓氣機的船舶燃?xì)廨啓C仿真優(yōu)化

王志濤1，白冰1，李鐵磊1,2，范闊1，李淑英1

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

作為燃?xì)廨啓C防喘措施之一，壓氣機可調(diào)靜葉在變工況下的調(diào)節(jié)方案對燃機的運行性能具有重要影響。以某型三軸船舶燃?xì)廨啓C為研究對象，建立了考慮變幾何壓氣機的燃機系統(tǒng)仿真縮放(0維-1維)模型。以提高燃機運行效率為目標(biāo)，通過系統(tǒng)仿真，得到了各個工況下低壓壓氣機前三級可調(diào)靜葉的最佳開度及整機穩(wěn)態(tài)性能。仿真結(jié)果表明，與原始的可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案相比，采用優(yōu)化方案可以提高燃機在各個工況下的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，對燃機總體性能有更加積極的影響。

燃?xì)廨啓C； 壓氣機； 可調(diào)靜葉； 控制； 系統(tǒng)仿真； 優(yōu)化分析

采用可調(diào)靜葉(variable stator vane，VSV)變幾何壓氣機是當(dāng)下主流的燃?xì)廨啓C防喘措施之一[1]。在燃機非設(shè)計工況下，各級可調(diào)靜葉的開度對壓氣機與整機的工作匹配以及燃機的運行效率有重要影響。采用系統(tǒng)仿真技術(shù)，全面掌握可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案對燃機總體性能的影響，不僅可以有效地減少物理樣機試驗量、降低試驗風(fēng)險，還可以為燃機總體性能優(yōu)化指明方向。

可調(diào)靜葉技術(shù)在燃?xì)廨啓C的各類應(yīng)用領(lǐng)域均有涉及。20世紀(jì)40年代，德國研制的第一臺渦噴發(fā)動機中就已運用了該項技術(shù)，而在其后的發(fā)展中，可調(diào)靜葉技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用在德國的新一代工業(yè)燃?xì)廨啓C中[2]。在地面發(fā)電和船用燃機方面，可調(diào)靜葉技術(shù)也有廣泛的應(yīng)用[3-5]。美國GE公司生產(chǎn)的9FA型燃機和PG6541型單軸燃機均采用了可調(diào)進口導(dǎo)葉。而瑞士蘇爾壽公司則將可調(diào)靜葉技術(shù)應(yīng)用在其AV系列軸流壓氣機中。船用燃機中，較為典型的LM2500燃機的進口導(dǎo)葉加16級靜葉中前7級為可調(diào)靜葉，其升級版LM2500+的可調(diào)靜葉級數(shù)則由于加零級變?yōu)榱?級。由于可調(diào)靜葉對于壓氣機性能的重要影響，近年來越來越多的研究人員開始對可調(diào)導(dǎo)葉與可調(diào)靜葉的調(diào)節(jié)方案進行研究。一方面，通過實驗分析的方法來確定可調(diào)靜葉的調(diào)節(jié)規(guī)律需要耗費較大的時間和成本；另一方面，近年來隨著優(yōu)化方法的豐富和發(fā)展，利用恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法結(jié)合壓氣機特性計算程序?qū)烧{(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案進行優(yōu)化的方法逐步成為了研究的熱點。目前對于可調(diào)靜葉的研究主要集中在可調(diào)靜葉對壓氣機性能的影響方面。對于可調(diào)靜葉對燃?xì)廨啓C整機性能的影響的研究相對匱乏[7]。

本文以某型發(fā)電用三軸燃?xì)廨啓C為物理模型，其九級低壓壓氣機的前三級靜葉開度能夠獨立調(diào)節(jié)。為了分析各級靜葉調(diào)節(jié)方案對燃機總體性能的影響并對調(diào)節(jié)方案進行優(yōu)化，將一維變結(jié)構(gòu)低壓壓氣機特性計算程序嵌入到零維系統(tǒng)仿真模型中，以多軟件協(xié)同的方式實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真縮放。

1 可調(diào)靜葉壓氣機特性計算方法

變幾何壓氣機特性模塊作為建立考慮變幾何壓氣機的可變維度燃?xì)廨啓C總體模型的基礎(chǔ)，需要區(qū)別于常規(guī)的壓氣機特性模塊。需要滿足當(dāng)壓氣機靜葉變化時，能夠快速計算得到當(dāng)前靜葉開度下的壓氣機特性的要求。在已知壓氣機結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括可調(diào)靜葉開度)的前提下，可以利用求解三維N-S方程、一維級疊加法、一維HARIKA算法[14]等方法來計算壓氣機特性線數(shù)據(jù)。為此，本文利用HARIKA壓氣機特性算法在每一個仿真步長內(nèi)，對壓氣機特性進行計算。

在HARIKA特性計算算法的計算流程主要包含三個循環(huán)：級特性循環(huán)、壓氣機整機特性點循環(huán)、壓氣機整機特性線循環(huán)(如圖1所示)。

圖1 HARIKA算法的三個循環(huán)Fig.1 The three cycles of HARIKA

從圖1可以看出，整機特性線循環(huán)作為最外層循環(huán)，可以對不同轉(zhuǎn)速下的壓氣機特性線進行循環(huán)計算，而其循環(huán)次數(shù)是由所需計算的特性線條數(shù)決定的；對于整機特性點循環(huán)，則是在某一轉(zhuǎn)速下，通過改變該轉(zhuǎn)速對應(yīng)特性線上的流量，計算求得不同流量對應(yīng)的壓氣機壓比及效率；最里層循環(huán)為級特性循環(huán)，該循環(huán)根據(jù)整機特性線循環(huán)提供的轉(zhuǎn)速和整機特性點提供的流量，對壓氣機逐級計算效率并最終得到整臺壓氣機的特性。

2 燃?xì)廨啓C系統(tǒng)縮放仿真設(shè)計

零維容積慣性法[8-13]是實現(xiàn)燃機系統(tǒng)仿真的主流方法，在部件特性數(shù)據(jù)完整且準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，能夠以較高精度實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)仿真，且仿真過程具有良好的實時性。在容積慣性法中，通過實驗、外推等方法獲得一套相對完整且固定的特性線數(shù)據(jù)，是壓氣機、渦輪等部件建模仿真的基礎(chǔ)。對于變幾何壓氣機而言，由于其通流部分結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，其特性也隨之發(fā)生了改變，特別是對于多級可調(diào)靜葉壓氣機，如何根據(jù)各級靜葉開度的變化，隨時獲得相應(yīng)結(jié)構(gòu)下壓氣機的特性線數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)零維系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵。

綜合考慮仿真精度、工程計算量等因素，本文選擇商品化一維HARIKA計算程序(Fortran語言開發(fā))計算三軸燃機低壓壓氣機特性線數(shù)據(jù)，并將其嵌入到如圖2所示的基于容積慣性法開發(fā)的零維系統(tǒng)仿真模型(Simulink環(huán)境開發(fā))中，其中LC_Cp_V、HC_Cp_V、Combustor_Cp_V、HT_Cp_V、LT_Cp_V、PT_Cp_V、GT_controller、V_LC_HC、Rotor_HC_HT分別為低壓壓氣機模塊、高壓壓氣機模塊、燃燒室模塊、高壓渦輪模塊、低壓渦輪模塊、動力渦輪模塊、調(diào)速器模塊、低壓/高壓壓氣機容積模塊、高壓轉(zhuǎn)子模塊，燃機負(fù)載為理想化電力負(fù)載。

需要說明的是，LC_Cp_V模塊中低壓壓氣機特性線計算部分并不是真正的仿真模型，而是利用M語言S-Function模板開發(fā)的Simulink/HARIKA計算程序協(xié)同運行接口。如圖3所示，接口首先讀取系統(tǒng)仿真模型中其他模塊傳遞過來的仿真參數(shù)，包括進/出口壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以及用戶通過參數(shù)界面輸入的三級可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)角度，并利用上述參數(shù)修改、重寫Input文本文件，該文件預(yù)先存放了包括壓氣機結(jié)構(gòu)化參數(shù)在內(nèi)的全部仿真條件，用于HARIKA計算程序的迭代計算；在此基礎(chǔ)上，接口利用DOS命令啟動HARIKA計算程序，并阻止自身進程，直至HARIKA計算程序完成迭代且輸出計算結(jié)果至Output文本文件；最后，接口對Output文本文件中壓比、流量、轉(zhuǎn)速、效率這四個特性參數(shù)進行重新排序、整理，去除掉計算過程中產(chǎn)生的不合理數(shù)據(jù)，并利用插值法得到與壓比、轉(zhuǎn)速對應(yīng)的流量、效率，這些參數(shù)將用于低壓壓氣機熱力性能計算。

2 多級可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案優(yōu)化分析

多級可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣將直接影響燃?xì)廨啓C在變工況運行過程中的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方案通常以燃機運行工況或某一截面運行參數(shù)為判斷依據(jù)，采取單一固定的開度變化[15]。

圖2 燃?xì)廨啓C系統(tǒng)仿真模型Fig.2 The simulation model of gas turbine

圖3 Simulink/HARIKA協(xié)同運行接口的工作流程Fig.3 Workflow of collaborative running interface for Simulink/HARIKA

本文從燃機總體性能的角度，利用考慮變幾何壓氣機的燃?xì)廨啓C系統(tǒng)仿真縮放(0維-1維)模型，以燃機經(jīng)濟性為目標(biāo)，以各級可調(diào)靜葉開度為變量，對不同工況下可調(diào)靜葉的調(diào)節(jié)方案進行了優(yōu)化。

2.1優(yōu)化方案設(shè)計

燃機經(jīng)濟性的具體衡量指標(biāo)為燃油量和效率，燃機效率定義如下

(1)

式中：Gf為燃油量，Hu為燃料低熱值，WT為動力渦輪輸出功。

某型三軸燃機前三級靜葉開度的變化范圍分別為-18°～0°、-18°～0°、-12°～0°，考慮到執(zhí)行機構(gòu)的限制，各級可調(diào)靜葉開度最小變化量為2°。在此基礎(chǔ)上，本文采用遍歷的方法，尋找不同工況下前三級靜葉的最佳開度，使燃機效率最優(yōu)，具體遍歷過程如下：當(dāng)?shù)诹慵壙烧{(diào)靜葉在其限制范圍內(nèi)取某一開度時，第一級可調(diào)靜葉將取遍其范圍內(nèi)所有的開度值，同時在第一級可調(diào)靜葉開度確定的情況下，第二級可調(diào)靜葉也作遍歷選取。

2.2優(yōu)化結(jié)果分析

設(shè)定不同的燃機工況，通過反復(fù)自動地執(zhí)行以下過程：在圖1中LC_Cp_V模塊的參數(shù)界面上輸入三級可調(diào)靜葉開度的可能組合；運行燃?xì)廨啓C系統(tǒng)仿真縮放(0維-1維)模型；記錄并比較燃機效率值，得到如表1所示的各級可調(diào)靜葉最佳開度。

表1不同工況下低壓壓氣機可調(diào)靜葉開度優(yōu)化結(jié)果

Table1TheoptimizedresultsforVSVoflow-pressurecompressoratvariousworkingconditions

燃機工況/%第零級開度/(°)第一級開度/(°)第二級開度/(°)100-8-12090-10-12-280-14-12-470-18-14-460-18-14-1050-18-16-1240-18-18-1230-18-18-1220-18-18-12

與表1中各級靜葉最佳開度對應(yīng)的部分系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4～6所示。由圖4、5可知，與原始調(diào)節(jié)方案[15]相比，采用優(yōu)化的可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案，燃油量降低，使得整機效率明顯提高。由圖6可知，在高工況下，優(yōu)化方案的喘振裕度低于原始方案，但依舊保持在相對安全的范圍內(nèi)；而在低于70 %工況下，優(yōu)化方案的喘振裕度則更有優(yōu)勢。由于40 %工況以下優(yōu)化方案與原始方案一致，因此在圖中不再顯示。為了對兩種方案做更加詳細(xì)的對比，將高工況下，兩種方案的系統(tǒng)仿真結(jié)果列于表2，可見除了低壓壓氣機喘振裕度以外，采用優(yōu)化方案的燃機系統(tǒng)性能要優(yōu)于原始方案。

圖7為低壓壓氣機穩(wěn)態(tài)運行線(優(yōu)化后和原始靜葉調(diào)節(jié)模式)。燃?xì)廨啓C在各個工況下能夠獲得更佳的運行狀態(tài)，燃機的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性得到了提高。同時，通過合理的可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案可以提高燃?xì)廨啓C在中低工況下的壓氣機喘振裕度，擴大壓氣機的運行范圍，使得燃?xì)廨啓C獲得更好的運行狀態(tài)，提高燃?xì)廨啓C各工況下的運行性能。

圖4 燃?xì)廨啓C效率Fig.4 The efficiency of gas turbine

圖5 燃?xì)廨啓C燃油量Fig.5 The fuel flow of gas turbine

圖6 低壓壓氣機喘振裕度Fig.6 The surge margin of low-pressure compressor

表2 高工況下采用兩種方案的系統(tǒng)仿真結(jié)果Table 2 The system simulation results of two kinds of schemes at high work conditions

圖7 低壓壓氣機穩(wěn)態(tài)運行線Fig.7 Steady state line of low pressure compressor

4 結(jié)論

1) 利用考慮變幾何壓氣機的燃?xì)廨啓C系統(tǒng)仿真縮放(0維-1維)模型，以燃機經(jīng)濟性為目標(biāo)，通過系統(tǒng)仿真得到了不同工況下各級可調(diào)靜葉的最佳開度。

2) 當(dāng)燃機運行于40 %工況以下(含40 %工況)時，優(yōu)化的可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案與原始方案一致；當(dāng)燃機運行于40 %工況以上時，與原始方案相比，優(yōu)化方案能夠減少燃油消耗，提高整機效率。

3) 當(dāng)燃機運行于70 %工況以上時，與原始可調(diào)靜葉調(diào)節(jié)方案相比，采用優(yōu)化方案會使低壓壓氣機喘振裕度略有降低，但仍在相對安全的范圍內(nèi)；從系統(tǒng)仿真的整體結(jié)果來看，采用優(yōu)化方案可以提高燃機在各個工況下的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，對燃機總體性能有著更加積極的影響。

[1] SCHOBEIRI M T. Active aerodynamic control of multi-stage axial compressor instability and surge by dynamically adjusting the stator blades[C]// ASME Paper No. 2001-T-479.2001.

[2] WIEDERMANN A, FRANK D, ORTH U, et al. Computational and experimental analysis of an industrial gas turbine compressor[C]// ASME 2011 Trubo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition. American Society of Mechanical Engineers, 2011: 319-329.

[3] WADIA A R, WOLF D P, HAASER F G. Aerodynamic design and testing of an axial flow compressor with pressure ratio of 23.3:1 for the LM2500+ gas turbine[J]. Journal of turbomachinery， 2002， 124(3): 331-340.

[4] SUN J, ELDER R L. Numerical optimization of a stator vane setting in multistage axial-flow compressor[J]. Journal of power and energy: part A, 1998, 212(4): 247-259.

[5] 吳虎. 多級軸流壓氣機變幾何擴穩(wěn)多目標(biāo)優(yōu)化分析[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2014， 3512: 2363-2366.

WU Hu. Numerical optimization of a stator vane setting for enlarging aerodynamic stability margin in multistage axial-flow compressors using multi-objective genetic algorithms[J]. Journal of engineering thermophysics, 2014, 35(12): 2363-2366.

[6] 夏聯(lián)，崔健，顧揚. 可調(diào)靜葉對壓氣機低速性能影響的試驗研究[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗與研究, 2005, 18(1): 31-34.

XIA Lian, CUI Jian, GU Yang. An experimental investigation on the effect of variable stator vane angle on compressor performance at low speed[J]. Gas turbine experiment and research, 2005, 18(1): 31-34.

[7] CESAR C. Modeling of variable inlet guide vanes affects on a shaft industrial gas turbine used in a combined cycle application[C]//ASME Paper No. T2008-50076.2008.

[8] KIM T S, HWANG S H. Part load performance analysis of recuperated gas turbines considering engine configuration and operation strategy[J]. Energy, 2006, 31(2-3): 260-277.

[9] CAMPOREALE S M, FORTUNATO B, MASTROVITO M. A modular code for real time dynamic simulation of gas turbines in simulink[J]. Journal of engineering for gas turbine and power， 2006, 128(3): 506-517.

[10] MA Wentong, LIU Yongwen, SU Ming. New scaling method for compressor maps using average infinitesimal stage[J]. Chinese journal of mechanical engineering, 2007, 20(6): 24-28.

[11] MA Wentong, LIU Yongwen, SU Ming, et al. Multi-stage axial flow compressors characteristics estimation based on system identification[J]. Energy conversion and management， 2008, 49(2): 143-150.

[12] YU Youhong, CHEN Lingen, SUN Fengrui, et al. Matlab/Simulink-based simulation for digital-control system of marine three-shaft gas-turbine[J]. Applied energy， 2005, 80(1): 1-10.

[13] WEI Chenyu, ZANG Shusheng. Dynamic simulation and control strategy for three-shaft marine electric propulsion gas turbine[C]//ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air, GT 2010. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2010, 3: 1099-1104.

[14] 史磊，劉波，張鵬, 等. 商用發(fā)動機10級高壓壓氣機一維特性優(yōu)化設(shè)計[J]. 航空動力學(xué)報, 2013, 28(7): 1564-1569.

SHI Lei, LIU Bo, ZHANG Peng, et al. One-dimensional characteristic optimization design for ten-stage high pressure compressor in commercial engine[J]. Journal of aerospace power, 2013, 28(7): 1564-1569.

[15] 金鵬. 艦船燃?xì)廨啓C機匣處理數(shù)值模擬研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)， 2013: 14-48.

JIN Peng. Numerical simulation study of marine gas turbine of casing treatment[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013: 14-48.

本文引用格式：

王志濤，白冰，李鐵磊，等. 考慮可調(diào)靜葉壓氣機的船舶燃?xì)廨啓C仿真優(yōu)化[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2017， 38(11): 1721-1726.

WANG Zhitao, BAI Bing, LI Tielei, et al. Simulation optimization of marine gas turbine with VSV compressor[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1721-1726.

SimulationoptimizationofmarinegasturbinewithVSVcompressor

WANG Zhitao1, BAI Bing1, LI Tielei1, 2, FAN Kuo1, LI Shuying1

(1.College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2.Engineering Training Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

As an anti-surge technique, the adjustment scheme of the VSV compressor under off-design working conditions has a significant effect on the performance of a gas turbine. A variable-dimensions (0D-1D) system simulation model of a triaxial gas turbine was established, which considered the performance of variable-geometry compressor. To improve the operating efficiency of gas turbine, the optimized adjusting scheme of the first three rows of VSV and the steady-state performance of the gas turbine under different working conditions were obtained by using the system variable-dimensions simulation model. Simulation results show that compared with the original adjusting scheme for VSV, the optimized scheme can improve the economic benefit and stability of the gas turbine under various working conditions, which has a more positive effect on the overall performance of the gas turbine.

gas turbine; compressor; variable stator vane(VSV); control; system simulation; optimization analysis

10.11990/jheu.201608028

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1321.006.html

TK479

A

1006-7043(2017)11-1721-06

2016-08-15.

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2017-04-27.

國家自然科學(xué)基金項目(51679051)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(HEUCFM170301).

王志濤(1981-), 男, 副教授, 博士；

李鐵磊(1981-), 男, 講師, 博士；

李淑英(1963-), 女, 教授, 博士生導(dǎo)師.

李鐵磊, E-mail：litielei@hrbeu.edu.cn.