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燃气轮机燃烧室及总体性能仿真摘要燃气轮机作为航空、船舶、电力行业的主要动力装置，其性能直是我们所关心的，相对于燃机的简单循环的不足，近年来国家一直致力于先进循环的开发和实验，注蒸汽循环以其优越的热力性能成为燃机先进循环领域的热点，本文以某三轴燃机为母机型，v c + + 6 0 为仿真平台，采用模块化建模法建立起燃气轮机简单循环及注蒸汽循环的仿真模型，并对其结果进行了对比。本文所做工作主要包括以下内容：( 1 ) 采用c c + + 语言，根据工质( 空气、水和水蒸气、湿燃气) 的数学模型编制了其热力计算的程序，计算的最大误差为l o e 5 ，在整机仿真中根据需要调用即可。( 2 ) 建立了燃烧室详细的仿真模型，其中燃烧室特性( 效率特性、阻力特性) 做了细致的计算和比较，并且将每种方法都程序化与数值模拟结果在相同的条件下做了比较；考察了燃烧室的特性对燃气轮机整体性能的影响，并且分析了注蒸汽循环时对燃烧室特性的影响。计算结果表明注蒸汽循环时，燃烧室的总压损失增加，对于燃烧效率的影响不大。( 3 ) 根据模块化建模法建立了燃机简单循环的c 语言动态仿真程序，并进行了稳态设计点的校核和动态情况下不同供油规律时对于燃机系统稳定性的影响，得出了在燃机的减速运行时，高工况可采用减少供油斜率，低工况时采用增加供油斜率的规律。( 4 ) 联合水系统模块，建立了燃机注蒸汽循环的( ：语言仿真程序，计算了其不同工况下稳态参数，并和简单循环在输出功率相同的条件下做了比较。动态计算时，研究了燃机在某一工况平稳运行时突加蒸汽的过程到循环结束时燃机各个参数的变化。通过仿真计算，得出了燃烧室特性部分对于整机的影响规律，比较了相同情况下简单循环和注蒸汽循环的性能，得出了燃机简单循环和注蒸汽循环的动态特性。关键词：v c + + 6 0 ；工质物性；燃烧室特性；动态仿真；注蒸汽a b s t r a c tg a st u r b i n ei sam a i nf o r mo fp o w e rp l a n ti nt h ea r e ao fa v i a t i o n ，s h i p p i n ga n de l e c t r i c i t yi n d u s t r y ，w h o s ep e r f o r m a n c eh a sb e e nam a i nc o n c e r no fo u rc o u n t r y s i n c eas i m p l eg a st u r b i n ec y c l ec o n t a i n sc e r t a i nd i s a d v a n t a g e s ，e f f o r t sh a v eb e e nd e d i c a t e dt ot h ed e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n to fa d v a n c e dc y c l e si nr e c e n ty e a r s d u et oi t ss u p e r i o r i t yi nt h e m a lp e r f o r m a n c e ，s t e a mi n je c t i o nc y c l eh a sb e c o m et h eh i g h l i g h ti nt h ef i e l do ft h ea d v a l l c e dg a st u r b i n ec y c l e s w i t hat h r e e a x i st u r b i n em o d e la sb a s i sa n dv c + + 6 0a st h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，s i m u l a t i o nm o d e l so fas i m p l ec y c l eg a st u r b i n ea n ds t e a mi n je c t i o nc v c l ea r ee s t a b l i s h e du s i n gt h em e t h o do fm o d u l a rm o d e l i n g ，a n di t sr e s u l t sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ：( 1 ) u s i n gc c + + l a n g u a g e ，am a t h e m a t i c a lmo d e lf o rc a l c u l a t i n gt h et h e r m a lp r o c e s si sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gf l u i d ( a i r ，w a t e ra n ds t e a m ，w e tg a s ) ，w h l c hc o u l db et r a n s f e r r e da sn e e d e di nt h ew h o l es i m u l a t i o n ( 2 ) ad e t a i l e ds i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e ri se s t a b l i s h e d ，w h e r ec a l c u l a t i o na n dc o m p a r i s o no ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rc h a r a c t e r i s t i c s ( e f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s i s 切n c ec h a r a c t e r i s t i c s )a r em a d ea n dt h ep r o c e d u r e so fe a c hm e t h o da n dn _ u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o n d i t i o n sa r ea l s op r o g r a m m e da n dc o m p a r e di ns i m i l a rc a s e s t h r o u g hs e l f - p r o g r a m m e dt h e r m a lm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo ft h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so nt h ee n t i r eg a st u r b i n ei ss t u d i e da n dt h ei n f l u e n c eo fs t i go nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h e r ei sa ni n c r e a s eo ft o t a lp r e s s u r el o s si nt h es t i g ，w h i c hh a r d l ya f f e c t st h ee f f i c i e n c yo fc o m b u s t o r ( 3 ) t h ecl a n g u a g eg a st u r b i n ed y n a m i cs i m u l a t i o np r o g r a mo fas i m p l ec y c j e1 sa c h i e v e db a s e do nm o d u l a rm o d e l i n gm e t h o d v e r i f i c a t i o no fs t e a d y s t a t ed e s i g np o i n t1 sc a r r i e do u t t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf u e li n je c t i o nl a w 7 so nt h es t a b i l i t yo fg a st u r b i n es v s t e mi si n v e s t i g a t e du n d e rd y n a m i cc o n d i t i o n i ti sc o n c l u d e dt h a tw h e ng a st u r b i n e1 sd e c e l e r a t i n g f u e ls u p p l yg r a d i e n tc o u l db er e d u c e da th i g ho p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n di n c r e a s e da tl o wo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( 4 ) cl a n g u a g ep r o g r a mo fag a st u r b i n es t e a mi n je c t i o nc y c l ei se s t a b l i s h e dt oc a l c u l a t et h es t e a d y s t a t ec o n d i t i o n su n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dc o m p a r i s o n sa r em a d ew i t hl h es i m p l ec y c l er e s u l t s i nd y n a m i cc a l c u l a t i o n s ，t h ev a r i a t i o n so ft h ep a _ r a h l e t e r so fg a st t r b i n ea r es t u d i e df r o mt h er c o m m e n c e m e n tt ot e r m i n a t i o ns t e a mi n j e c t i o nd r o c e s s t h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c el a wo ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e ro nt h ew h ( ) 1 eg a st u r b i re1 so b t a i n e d ，c o m p a r i s o n so fp e r f o r m a n c eb e t w e e nt h es i m p l ec y c l ea 1 1 dt h es t e a m1 n j e c t 。o nc y c l ea r ea c h i e v e d ，a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i m p l ec y c l eg a s1 ：u r b i n ea n d 也es t e a mi n je c t i o nc y c l ea r eo b t a i n e d k e y 、) ，o r d s ：v c + + 6 0 ；w o r k i n gf l u i dp r o p e r t i e s ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；d y n 狮i cs i m u l a t i o n ；s t i g 第1 章绪论1 1 研究目的和意义第1 章绪论新世纪以来，人们面对着能源和环境的威胁。常规能源不断地消耗，新能源的发展也需要一个很长的时间，于此同时环境问题也在不断的恶化。因此各国的科学家一直致力于寻找新的途径来解决能源与环境的这一相互矛盾的问题，这已然变成现代社会的共识。燃气轮机是一种能够提供强大动力的动力装置，在做出相同贡献的前提下它能够大大的减少能源的消耗，同时对于环境的污染能够大大的减少。燃气轮机应用较早，现在已经是世界范围内动力输出的一个重要组成部分。现在绝大多数国家的海军早已应用燃气轮机作为动力输出装置，其优良的工作性能备受好评。但是燃机只在简单循环的前提下，仍然有一些缺点不能够克服，如循环效率低、排放的废物超标等。因此研究和发展先进循环已是必然。近年来，世界各强国纷纷开展燃机先进循环的研究，化学回热循环( c r g t ) 、中冷回热循环( i c r ) 、注蒸汽循环( s t i g ) 、湿空气透平循环( h a t ) 等。这些复杂循环可以提高相同条件下燃机的循环效率，特别是在低工况时的经济性【。一台成熟的燃机从研发到成品需要经历一段很长的时间，需要大量的人力、物力，因此应用到计算机仿真技术可以很好的解决这一弊端。注蒸汽循环( s t i g ) 是近年来燃机领域一个发展迅速的新成果，在燃机本体的基础上增加了蒸汽发生器部分，吸收燃机的余热来产生蒸汽，最后回注到燃烧室中参与循环，可以大幅度提高燃机的循环效率和稳定性。其特点为：整个装置体积相对较小，所占用的空间相对于其他复杂循环来讲具有一定的优势；重量较轻，适合随时进行拆装检查等，具有很好的灵活性；由于回注蒸汽后增加了涡轮的做功能力，因此其循环的效率较高，适合装船或是电站的应用，本体结构不需改动 2 - 4 1 1 无论是燃气轮机的简单循环还是先进循环，燃烧室都是能量转化的关键部件，其工作性能的好坏对于燃气轮机的性能影响重大。在燃机运行的过程中，燃烧室是在一个变化范围较大的工况下工作的，此时，燃烧室进口参数会发生较大变化，如喷油量、进口温度、流量等。这些都会影响燃烧室的特性和燃：哓过程，以目前拥有的技术手段来讲，还不能很准确的通过理论计算来得到影响结果。只有通过燃烧室试验或者整机台架试验实测得到，因此对燃烧室变工况的研究( 计算和仿真) 是保证整机顺利运行哈尔滨工程大学硕士学位论文暑葺i 昌置i 暑宣皇暑暑宣高暑葺苗罩暑萱暑暑暑宣暑暑置皇暑暑篁i 昌暑萄置昌篁萱暑暑置置暑暑宣宣暑宣i 暑暑宣宣宣置宣宣暑i 萱暑暑暑置皇暑暑暑葺i 暑皇宣i 昌毒宣i 置暑宣i i 置萱i i 暑宣i 商暑i i 暑暑薯高的关键因素i 习5 。1 2 国内外发展状况1 2 1 燃气轮机注蒸汽循环的国内外进展曰外方向：1 9 8 5 年，第一台正式投入商业使用的采用蒸汽回注循环的燃气轮机( 简称s t i g ，s t e a mi n j e c t e dg a st u r b i n e ) h - 世，这是注蒸气循环的开始，也是此项技术走向成熟的标志。它的特点是：增强了涡轮的做功能力、能够降低燃烧室的出口温度延长燃机的使用寿命，而且氮氧化物的排放量会相对减少、投资费用低、体积比较小 6 - 7 1 。】9 8 5 年美国通用电气等五家公司对l m 5 0 0 0 燃气轮机上成功地进行了喷注蒸汽试验，提高了功率和效率。1 9 8 6 年基于此项技术生产出了首台注蒸气循环l m 5 0 0 0 型的燃气轮机，应用于电厂和船舶等行业1 8 】。l m 5 0 0 0 s t i g 5 0 的功率由l m 5 0 0 0 的3 3 2 1 0 k w增加到4 6 8 9 0 k w ，热耗由9 8 9 6 k j k w h 降至8 6 2 4 k j k w h 。l m 5 0 0 0 s t i g 功率已达5 2 6 2 0 k w ，热耗降至8 3 4 2 k j k w h 眺叭。9 i ) 年代英国的r u s t o n 公司也尝试了主蒸汽循环的实验，通过反复的实验论证，最终应用到实际中，在以后的生产中逐步面向实际所需，根据需求来改变系统。例如如果需：要燃机的排放物中的氮氧化物降低，不需额外的增加功率，则仅仅装设一次注汽系统即可满足要求，在燃烧室的头部以蒸汽量和喷油量等量注入即可。t o r n a d o 注蒸汽后功率从6 1 9 0 k w 提高到7 2 。9 0 k w ，效率从3 1 7 提高到3 2 2 ，它的第一套装置1 9 8 8年在曰本某炼油厂运行。t b 5 0 0 0 注蒸汽后功率从3 6 6 0 k w 提高到4 4 7 0 k w ，效率从2 5 5 提高丑2 6 t 1 1 _ 15 f 。国内方面：在我国，相对于国外的注蒸汽的研究起步较晚，但是发展的速度很快，几年来随着国家大力发展燃机事业，已经有多个科研单位和高等院校相继展开了蒸汽回注循环的研究并且已经做了大量的实验工作。哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所和哈尔滨工程大学动力学院一起展开了这项技术的研究工作，以s i a 一0 2 型燃机为母机型，通过理论研究和实际检验首次完成了程氏循环的改造，这在我国尚属首次。至此，在我国的燃气轮机领域，蒸汽回注循环己成为一项优秀的技术改进，为以后的深入研究打下了基础。第1 章绪论1 9 9 5 年5 月，闻雪友等人在简单循环的基础之上开始做了注蒸汽燃气轮机循环的研究，研究表明：在压比小于( 1 2 1 4 ) 范围内，可以考虑在p r s t i g 循环中采用压气机间冷，以降低压气机出口空气温度，扩大p r s t i g 循环压比适用范围，进一步提高效率【1 6 】o1 9 9 8 年，上海交通大学的胡宗军和吴铭岚从部件的热平衡角度出发对s t i g 循环做了热力学分析与研究，在压比、燃气初温宽广范围变化时对内对燃机蒸汽回注循环进行了性能模拟，研究结果表明，燃机的蒸汽回注循环所能产生的注气量受到多个因素的制约，如压气机的喘振边界线、燃烧室出口温度场、蒸汽发生器本身的效率等。燃机装置最高的循环效率点所对应的最佳理论注汽量在压比比较低时受到最低出口温度的限制【1 7 j 。2 0 0 0 年4 月，胡宗军等人开始应用大湿度燃烧计算模型及注蒸汽循环时燃烧室流场进行了数值模拟，研究结果表明，蒸汽喷注的位置不同，那么经过数值模拟后所得的燃烧室流场特性不同。在相同的前提下，在燃烧室壁面周向分布更多的喷汽孔会使蒸汽注入的更为均匀，可以减少对流程的影响程度，燃烧的高温区能够增大，在回流区边界上受到的影响程度减弱，这为以后的科研设计或是仿真计算提供了参考依据，是值得借鉴的部分 1 8 - 1 9 】。1 2 2 计算机仿真研究现状计算机仿真是对现实存在的东西通过计算机的计算得到的一种近似与真实的结果，虽是计算机在工作，但是却不是脱离实际的概念。通过这样的方式，人们能够从中得到现实中比较难于得到的结果，根据得到的结果在现实中反馈给真实存在的系统，做出决策。仿真是一个相对的概念，功能再强大的计算机也不可能做到与现实一模一样，只是最大限度的逼近真实。以燃机仿真为例，通过计算机计算可以预先知道设计好的系统是否具有实现的价值，相反，通过燃机的运行与测定可以验证仿真的结果与真实值的差距，进而不断的修正仿真的模型。从开始应用到现在，计算机仿真一直在不断的发展，因为它有着无法比拟的优点，效率高、使用灵活、不收时间和空间的限制是它最主要的优点，因为现实世界中一个复杂的大：系统是做不到时效性的p o j 。从5 0 年代初开始，仿真技术的发展已经将近半个世纪的时间。从最初的只局限在国防和军工部门( 如航天、船舶、核能等) 开始，一直过渡到现在得科学研究、理论哈尔滨工程大学硕士学位论文教学、工程设计、指导决策、性能优化等各个方面，让人们看到了许多未知领域的世界。自9 0 年代开始，仿真技术开始在我国发展，基于计算机仿真技术，国内开始建设了高水准、大规模的仿真系统，如航空领域、船舶领域的一些实物系统仿真程序。九十年代初期，对继承和多态等典型面向对象机制的描述和使用首次出现在国外的燃气轮机仿真文献中，p o o l e 5 6 1 等使用c + + 语言对燃气轮机进行了部件模块的分割和单独实现。h e y e n 5 7 1 等人在处理燃机系统工质流动的动态特性时，应用了面向对象的方珐。在f o r t r a n 语言的基础之上建立的可以独立的应用数据并且可以根据需要删咸模块的仿真程序，开启了燃机系统面向对象仿真的先河。h o l 5 8 3 分析：c 十+语言在燃机系统仿真中的应用，并且应用此法可以扩展到不同型号上的燃机来计算。1 9 9 9 年，在世界范围内研究建立航空、船舶发动机仿真模型的高峰的时候，国内：f2 0 世纪9 0 年代中后期也开始了这一领域的探索。唐海龙等人基于已有的发动机模型，以模块化为基础利用v c + + 语言编出了一套灵活多变的航空发动机性能仿真的程序，并且计算结果比较准确阶2 羽。2 0 0 5 年，沈峰以面向对象的分析方法为基础，应用c + + 作为仿真平台，编制了一套计算比较准确的航空发动机仿真系统。该平台界面友好，使用灵活。将航空发动机模块t ：，可以针对单独的部件进行仿真，而且可以以界面的形式输出，物理意义明确。在进布二不同型号的航空发动机仿真时，只需要改变其进口参数、部件特性、和控制系统所对应的相关部件即可，此模型灵活可靠，为以后的c + + 系统建模提供了重要的指导依据 2 3 - 2 4 1 。1 2 3 燃气轮机燃烧室仿真研究现状列于燃气轮机燃烧室的研究，目前大多都是计算分析的方法，对其结构和一蚪1 2 1 2 白n k 匕；进行研究，仿真的研究不是很多，而且仿真的模型大多都是简化处理过的，一定程度上可以满足科研实验的需要，但是很难反映其真实的工作过程。燃烧室本身是一个容积模块，具有一定的容积惯性，而且在仿真计算时不能将燃烧室的特性参数设为常数，要考虑到变工况计算时燃烧室的效率特性和阻力特性等参数变化时对整机的影响。国外方面：第1 章绪论1 9 8 2 年，a g r a w a l r k ，a n dm y u n i s 首次提出了在燃机系统仿真中燃烧室特性的计算，通过理论分析和实验验证，认为在变比热的计算中燃烧室的效率特性用基于油气比修正的方法能够很好的表示其变化规律，这是针对燃烧室部件仿真的一个比较早得应用嘲。文献【2 6 2 8 3 对于不同结构的燃烧室，分别用不同的计算方法( 数值模拟，仿真计算、实验比较) 从各自的侧重点( 性能计算、结构优化、排污指标等) 对燃烧室的特性做了详细的研究，得出了在实际的生产过程中有着重要指导意义的结论，为以后燃烧室设计提供了宝贵的依据。2 0 0 3 年，r o b ye ta o 对m e l l o r ( 1 9 9 6 ) ) 进行的燃气轮机燃烧室的实验结果通过化学模块网络模型进行了仿真模拟。通过将进入燃烧室的燃料一空气混合气体分成两股气流来模拟计算，作者还讨论了网络模型在预测燃烧室在i 葛当量比情况下n o x 排放的非线性的能力口们。国内方面：2 0 0 3 年，上海交通大学的徐志梅等人，在燃烧室建模时应用了容积法建模思想，从质量和能量守恒的角度出发，建立了燃烧室的数学模型，研究结果表明，所建模型能够较好地反映出燃烧室动态计算中各个参数的变化规律，同时也具有很好的通用性【3 0 】o2 0 0 6 年，中国科学院工程热物理研究所的徐纲等人对合成气燃气轮机燃烧室的试验进行了研究，采用的等容积流率模化准则，在原有燃烧室结构不变的前提下将空气的总压和流量以及燃料的流量取为真实参数的1 6 。试验结果表明包括燃烧效率、总压损失等燃烧室特性部分都能够满足设计要求，而且燃烧室的n o x 排放大大降低，火焰的稳定性得到明显改善剐。2 0 0 7 年，华北电力大学的崔凝、王兵树、孙志英、邓勇等人以质量、能量守衡原理为基础，建立了燃烧室动态仿真模型，创新点在于考虑了燃烧室的热惯性的影响，通过建立得仿真模型研究燃烧室的动态过程中参数变化以及其燃烧室部件对整机总体性能的影响。仿真试验表明：建立的燃烧室动态仿真模型能够准确的反应燃烧室的工作过程1 3 2 1 。2 0 0 8 年，刘锋和郭娟建立了4 4 0 t h 循环流化床锅炉燃烧室实时仿真模型，以原理分析为基础，结合经验模型，建立了燃烧室的动态仿真模型，通过稳态计算分析和哈尔滨工程大学硕士学位论文动态仿真试验对所建模型进行了充分的验证 3 引。屈卫东( 2 0 1 0 ) 、贾省伟( 2 0 0 6 ) 、夏飞( 2 0 0 7 ) 、余又红、孙丰瑞( 2 0 0 8 年) 等人分别针对各自的燃气轮机类型做了仿真研究，同时对燃烧室的仿真模型又做了相应的简化建模，在一定程度上可以满足科研的需要，但是模型的完善度还不够完整与实际的情：兄依然有些差距 3 4 确】。1 3 论文的研究内容无论是燃机的简单循环还是复杂循环( c r g t 、s t i g 、h a t 等) ，基于仿真软件的应用，无论是m a t l a b 还是c 语言等，首先其各个部件的特性是关键，可以说燃机的仿真是建立在部件的准确基础之上。本文将燃烧室作为重点部件作为介绍，包括效率特性和阻力特性，旨在以往对于燃烧室部件的仿真时过于简化，以此来建立完善的燃烧室部件仿真模型。对于复杂循环，如本文所建立的注蒸气循环，除了燃机本体外，水系统是至关重要的一环，在仿真平台中，会j 弋量的应用到工质的物性，而对于本文基于c 语言的仿真平台上，工质物性的准确性是以后仿真的关键，因此在处理水和水蒸汽、空气和燃气时是本文的关键与难点。本文的最终目标是：基于c 语言仿真平台，建立燃气轮机各个部件准确的仿真模型，匣时通过稳态和动态的计算，得出燃机简单循环、注蒸汽循环的性能与变化规律，能够在实际的应用过程中提供可靠的理论依据。本文主要的工作内容包括以下几个方面：( ：) 基于c c + + 语言，根据工质( 空气、水和水蒸气、湿燃气) 的数学模型编制其热士计算的程序，做成单独的模块在整机仿真中根据需要调用即可，并且建立起反求程序，以便在变比热计算中应用。( ) 建立燃烧室详细的仿真模型，其中燃烧室特性( 效率特性、阻力特性) 做了细致的计算和比较，并且计算了注蒸汽循环对于燃烧室特性的影响，考察了燃烧室的特性对燃气轮机整体性能的影响。( 3 ) 根据模块化建模法建立了燃机简单循环的c 语言动态仿真程序，并进行了稳态设计点的校核和动态情况下喷油量改变时燃机各个参数的变化，得出了过渡过程的最佳供油规律。第1 章绪论( 4 ) 建立了燃机注蒸汽循环的c 语言程序，计算了其不同工况下稳态参数，并和简单循环做了比较，动态计算时，研究了燃机在某一工况平稳运行到注汽结束过程中的各个参数的变化。哈尔滨工程大学硕士学位论文2 1 引言第2 章工质的热力性质计算无论是在理论研究还是工程计算当中，工质的热力性质会经常被提及，干空气、水和水蒸汽、湿燃气的热力性质的计算是动力机械、科学研究、设计、仿真与计算、教学等工作中不可或缺的工具，在将工质热力性质程序化之前，求取其热力性质的方法仅仅局限于查表，这样不但：工作效率低而且其准确度也不能够保证，更主要的是不便于歹 量的计算。此外，在计算时所应用的输入参数也趋于多样化。基于这些变化，在使月传统计算方法已经不能满足工程和科研上的要求，急需一种新的方法来替代以往的传统的计算模式1 3 7 。为了应对上述的变化，应用特定工质的热力学性质通用的计算模型，以c c + + 语言为基础编制模块化的热力性质的计算软件是一种很有效的解决途径，因为这种方法可塑性强，灵活多变，能够随时根据要求增加相关的性质，可通过输夕、参数的变化得到其相应状态下不同的热力性质。老；于本课题的研究时所用到的工质性质，将不同种类的工质单独做成一个模块形式的调用程序，可根据实际的应用情况进行单独的使用。在燃气轮机等热力系统的仿真计算过程中经常要用到各种二 质的热力性质，工质计算的准确程度对于热力系统的仿真来说是一个决定性的因素，因此建立起一套完整的工质物性程序是相当必要的。一方面，准确的数学模型是该系统的前提和基础，准确的数学模型能够保证在系统仿真调斥i 的过程中顺利准确的进行；另一方面，在工质的计算过程中，会涉及到程序的反复谓用迭代的过程，因此工质物性的完整性也是一个重要的因素。本文基于c 7 c 十+ ，编制了一套较为完整的工质物性的计算程序。下面将根据工质种类的不同详细介绍其数学模型和应用情况。2 2 干空气热力性质计算我们在实际的计算中，往往将干空气视为理想气体，它遵循理想气体的状态方程p v = r t ，认为空气的一切热力参数都是温度的单值函数。无论是在工程领域还是科研研究中，以本文为例，在仿真计算过程中，压气机部分、燃烧室部分都需要用到空气的物性。在应用到工质的热力性质的时候，干空气是最为常用的工质，而且有时候需要在同一温度点下用到多个参数，在将其物性程序化之前，在计算时往往需要查表来计第2 苹工质的热力性质算，效率很低。为解决这一实际的问题，将其编程c 语言程序，在仿真计算时通过调用函数的形式进行计算，增强了其计算的灵活性吲。空气物性的数学模型采用文献 3 8 通过数据拟合得出的计算公式，如下：( 1 ) 定压比热容c p ( r ) = a ( n ) t ( 堙尼) 】( 2 1 )( 2 ) 比焓3h ( t ) = b ( n ) t ( k d 堙)( 2 2 )( 3 ) 比熵函数( 4 ) 粘度1 ) 2 5 0 t 6 0 0 k1e ( t ) = c ( n ) t + c ( 2 ) 1 n ( 7 ) k j ( k g 尼) 】( 2 3 )2 ) 6 0 0 t 1 0 5 0 k6叩( ，) = x ( n ) t ( p a s )( 2 - 4 )6r c ) = y ( n ) t ( p a s )( 2 5 )( 5 ) 导热系数( 使用范围：2 5 0 t 1 0 5 0 k )6五( 丁) = z ( n ) t 形( 聊尼) 】( 2 6 )上式中各项系数见下表2 1 ：表2 1 空气物性公式系数表o1234560 1 0 3 4 00 2 8 4 8 8 70 7 8 1 6 8 e 一- 0 4 9 7 0 7 8 60 1 0 7 7 0a009 e + 1o e - 36e - 92 4 e - 1 20 1 2 0 7 40 1 1 5 9 8 4 e- 0 5 6 3 5 6 8 eb0 9 2 4 5 0 2000o e + 2- 3- 81 3 8 6 9 80 1 8 4 9 3 0 ec0 9 500009- 3- 9 8 6 0 19 0 8 0 1 2 5 e1 1 7 6 3 5 5一 i 7 9 7 1x1 2 3 4 9 7 e 一700e 一1- 2e 一42 9 9 e - 1 19哈尔滨工程大学硕士学位论文暑暑昌暑昌；宣i 暑葺暑暑置置暑暑暑暑置皇皇j 鲁置暑宣审暑暑置葺宣昌暑罱暑宣宣i 昌暑暑暑宣i i 青置暑暑宣宣审昌暑暑宣葺i 置罱暑暑置萱i i 昌暑暑萱宣i i 暑暑暑宣i i 罱置暑箭宣i 宣i 暑暑薯4 8 8 5 6 75 4 3 2 3 2 e 一- 2 4 2 6 1 7 7- 1 1 0 3 9y7 9 3 0 6 e - 9004 52b e b8 e - 1 2一2 2 7 6 51 2 5 9 8 4 8 5一1 4 8 1 5 2 31 7 3 5 5 0 6 4 e- 1 。0 6 6 62 4 7 6 6zo0 1 e - 3e - 45 e - 7一1 05 7 e - 1 33 e - 1 7出一系歹j 的所求参数。由于参数较多，因此仅以比熵、比热、粘度为例。图2 1 为空气物性陨i 温度的变化关系，( 单位见误差分析) ：2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0温度( k )图：! 1 空气的物性随温度的函数关系误差分析：由于数据较多，只列出其中一部分来参考表2 2 空气的热物理性质表温度比焓( k j ，k g )比熵( k j k g * k )定压比热( k j k g * k )( k )计算结果参考值计算结果参考值计算结果参考值3 0 02 9 9 7 1 0 92 9 9 7 16 8 6 16 8 6 111 0 0 6 41 0 0 6 45 0 05 0 2 6 1 6 55 0 2 6 27 3 8 3 37 3 8 3 31 0 3 1 61 0 3 1 77 0 07 1 4 1 2 4 57 1 4 1 27 7 3 9 97 3 7 3 9 91 0 7 31 0 7 3 19 0 09 3 3 9 6 4 49 3 3 9 68 0 1 5 78 0 1 5 71 1 1 9 l1 1 1 9 1定容比容( k j k g * k )导热系数( w m * k )粘度l o e + 6 ( p a * s )计算结果参考值计算结果参考值计算结果参考值第2 章工质的热力性质3 0 0o 7 1 9 30 7 1 9 30 0 2 60 0 2 61 8 5 31 8 5 35 0 00 7 4 4 60 7 4 4 60 0 3 9 40 0 3 92 6 8 1 9 62 6 8 27 0 00 7 8 5 90 7 8 60 0 5 l30 0 5 1 43 3 4 7 8 73 3 4 89 0 00 8 3 20 8 3 2 l0 0 6 2 20 0 6 2 2 73 9 1 8 1 63 9 1 82 3 水和水蒸汽热力性质计算由于水和蒸汽的热力性质在工程计算等领域经常被用到，因此其计算模型经常根据需要被完善，到目前为止比较典型的模型有以下几种：( 1 ) m i t 计算模型，该种计算模型不分区域，以温度和比容作为输入参数，但是在大多数时候这种输入参数不具备通用性，但是除了个别点有误差之外，其还是具有一定的准确性，此模型由麻省理工提供，其计算所得结果基本与国际公认的性质表相同。( 2 ) b t h 计算模型，此模型物理结构比较简单，主要针对工程计算需要，在工程计算的要求基础上，此模型计算精度比较高，而且相对于当时的其他计算模型来讲其公式的系数有效位数比较少，计算和编程比较灵活方便。( 3 ) 1 9 9 7 年，在德国举行的水和蒸汽性质的学术交流会上，采用了新计算方法作为水和蒸汽热力学性质的国际工业标准。改标准为水和蒸气热力学性质的i a p w s1 9 9 7 工业公式、i a p w s 工业公式1 9 9 7 或简称为i a p w s i f 9 7 ，与之前的公式相比有效的提高了计算精度和速度，之后的几年，其被广泛的应用于工业计算中或是动力循环的计算性能当中p 9 4 m 。结合到本文中，由于注蒸气循环或者其它联合循环中水系统是关键的一部分，其准确程度直接影响到整体仿真的精度，因此，快速准确的水和蒸汽的计算程序至关重要。c c + + 语言是一种发展比较早、使用起来比较灵活的编程语言，在应用的过程中具有以下基本特点：程序封装比较好、能够以模块化的形式来调用函数、可以根据需要随时修改所需的输出结果。本文就是以v c + + 6 0 为平台采用c 语言将其热力性质程序化。根据i a p w s1 9 9 7 工业公式，基于c c + + 编制了水和蒸汽的热力计算程序，根据温度和压力可求出水和蒸汽的比焓值、比熵值、比热、密度、比容、导热系数和动力粘度等参数，可在整机仿真中调用。哈尔滨工程大学硕士学位论文暑篁i 暑葺暑宣i 宣宣暑宣罱暑暑嗣暑宣暑宣薯暑置葺暑宣暑暑葺暑宣i 暑高昌置暑暑宣暑宣宣暑昌宣昌暑蕾毒暑i 暑旨蕾置宣置暑i 置i 宣蕾暑篁眚暑宣葺暑置昌暑篁i 暑宣i 暑宣暑暑i i 暑i 暑宣i 葺葺图2 2i a p w s i f 9 7 标准p - t 图i 习2 2 为i a p w s i f 9 7 标准下的五个子区域。除了2 、3 之间的边界外，其他都可以从e 目中直接看出，从小到大依次为未饱和水区域、过饱和蒸汽区域、临界区域、饱和区域和高温区域。对于本文章中的仿真计算时会应用到1 、2 、4 、5 等区域。表2 3为各自区域的适用范围。表2 3i a p w s i f 9 7 各区域应用范围区域基本方程适用范围：区吉布斯自由能g ( p ，t )t 2 7 3 1 5 k ，6 2 3 1 5 k p p s ( t ) ，1 0 0 m p a ：区吉布斯自由能g ( r ，t )t 【2 7 3 1 5 ，1 0 7 3 1 5 p 0 ，1 0 0 m p a s 区亥姆霍兹自由能f ( p ，t )t ( 6 2 3 1 5 k ，t 2 3 ( p ) p p 2 3 ( t ) ，10 0 m p a 4 区饱和压力方程p s ( f s )t ( 2 7 3 15 k ，6 4 7 0 9 6 k 5 区吉布斯自由能g ( p ，t )t ( 1 0 7 3 1 5 k ，2 2 7 3 1 5 k p ( 0 ，1 0 m p a i a p w s i f 9 7 标准下的1 、2 和5 区的吉布斯自由能方程为：3 4厂( 死f ) = 绣( 7 1 一万) l ( f 一1 2 2 2 ) 以f ；】y ( 刀，z - ) = 。( 万，丁) + 厂。( 刀，f )( 2 ，7 )( 2 8 )第2 章工质的热力性质3 区的方程是亥姆霍兹自由能的基础方程，在应用时我们用无量纲的形式表达，其公式为警锁如h l n 万毒( 2 1 0 )式中：厂。( 万，f ) 理想气体无量纲吉布斯自由能方程；7 7 ( 万，f ) 过余气体无量纲吉布斯自由能方程；p + 、t 压力和温度的参考值。在计算时，水和蒸汽的物性需要和吉布斯方程建立起转换关系，具体如下表2 。4所示：表2 4 物性参数与吉布斯方程之间的转换关系比焓h = g 一丁( 融a 丁) p办( 即) 去= 丁( 砂a f ) ，比容v = ( a g 却) rv ( 即) 寺= 形。比熵s = 一( a g e t ) ps ( ”) 去= f ( a 厂a f ) ，一y比定压热熔印= ( a h a 7 ) 尸一= 一7 彳矿r基于c c + + 语言将上面所提到的公式编成程序，在计算时只需调用其主程序即可误差分析见表2 5 ，由于数据较多，只选取具有代表性的几组参数来作为参考，计算值与理论值的对比见下表表2 5 水和蒸汽的热力性质计算校核压力( m p )温度( k )焓计算值理论值比热计算理论值o 2 52 8 3 1 54 2 2 6 3 64 2 2 64 1 9 4 84 1 9 4 9o 2 53 0 3 1 51 2 5 9 6 9 11 2 5 9 74 1 7 9 64 1 7 9 60 2 53 2 3 1 52 0 9 5 4 1 12 0 9 5 44 1 7 9 24 1 7 9 20 2 53 4 3 。1 52 9 3 1 9 6 62 9 3 24 1 8 7 74 1 8 7 80 2 53 7 3 1 54 1 9 2 1 0 64 1 9 2 14 2 1 6 34 2 1 6 31 63 7 3 1 54 3 1 0 7 64 3 1 0 84 1 8 1 64 1 8 1 71 64 7 3 1 58 5 8 5 6 6 28 5 8 5 i 74 4 1 74 4 1 7 11 65 7 3 1 51 3 3 7 1 9 9 81 3 3 7 。9 。5 4 4 15 4 4 1l9二一三。丁刀=iry小与p死i li 万y垆旦灯死=八y哈尔滨工程大学硕士学位论文1 66 7 3 1 52 9 4 7 4 5 5 42 9 4 7 4 64 4 8 8 14 4 8 8 21 67 7 3 1 53 2 9 7 3 0 9 53 2 9 7 3 12 9 6 7 12 9 6 7 1根据程序的计算，可以很清楚直观的看到各个压力、温度下水和蒸汽的热力性质。以水和蒸汽的比热为例，如图2 3 和2 4 所示：纛g凳l。瀚甲孓熬，：i l l 。：鍪熬一tv vvvvv2 0 04 0 06 0 08 0 0温度( k )图2 3 各状态下水和蒸汽比热的变化图压力( m p )03 0 0温度( k )图2 4 各状态下水和蒸汽比热变化的三维图图中可以很清楚的看到各状态下参数的变化过程，其中拐点代表其饱和区域，能够从中读出其相应的压力状态下的饱和温度。1 4319753l)i_hlv采u“987654325旦专)iu霰蔓第2 章工质的热力性质2 4 燃气和湿燃气热力性质计算燃气在一般的工程计算过程中，可以将其按理想气体处理。燃气的热力性质还和其组成的成分和成分中各自的物性有着紧密的关系，组成气体的成分和种类( 一般含有c 、h 、o 、n 、s 等元素) 则是与燃料种类或燃料系数有关。由于化学式复杂而且其含量和种类不好确定，因此在燃气的实际计算过程中非常复杂。在以往的科研领域和工程计算中要计算燃气物性往往需要查其物性表，但是随着化学方程式的不同其物性也不同，这给理论计算带来了不小的障碍，不仅费时费力还不够准确。而在本文的燃机仿真中，有多个部分需要用到燃气的物性，针对当前的困难，本文在计算时应用v c + + 6 0 仿真软件，自编c 语言程序计算燃气的物性1 1 3 8 - 4 2 1 。2 4 1 燃气摩尔组分计算1 段定燃料的化学式为c 。h ，o ：n 。s 。，燃料系数为p 的燃料与元全燃烧时的理论至气量的化学平衡方程式为：c 。h ，。：n 。s ，+ ( x + 詈+ v 一主) q 十d ( x + 詈+ v 一主) m；( x c q + 詈马p + v s 0 2 ) + ( ，一) ( x + 詈+ v 一三) q + d ( x + 詈+ v 一三) 州+ 兰鸠式中：d _ 空气的氮氧比，为3 7 7 3 8 2 。根据上边的方程式可以看出，只要知道燃料的化学方程式，就可以根据化学平衡来计算求得下面的一系列值：( 1 ) 理论空气量摩尔数：绣，：。= ( 1 + d ) ( x + 考+ v 一喜j2 - 1 1 )( 2 ) 理论燃气量摩尔数：( 3 ) 理论消耗空气质量：，卢= 12 啊，卢= 。+ i + 互+ 互1 ，z“三：坠! 丝竺m 舭71 5( 2 1 2 )( 2 1 3 )哈尔滨工程大学硕士学位论文置暑暑暑苦毒置暑置宣i