（轮机工程专业论文）湿压缩燃气轮机稳定性研究.pdf

哈尔滨 1 群人学硕十学位论文 摘要 从热力学研究的角度 湿压缩技术可以对压气机进行有效的进气蒸发冷 却 减少消耗的压缩功 从而增加涡轮输出功 提高燃气轮机的性能 同时 从环境的角度 加湿后该系统的排气减少了危害环境的氮氧化物等浓度从而 减少对于环境的污染 在湿压缩技术对于压缩系统的稳定性方面 提出该技 术可以改善甚至消除压缩系统的失速和喘振不稳定状态 湿压缩对于压缩系 统的稳定性的影响是一个新兴的研究方向 压缩系统的气动不稳定性 主要为失速和喘振 是设计和发展叶轮机械 的关键问题 并且国内外针对该论题部进行了大量的理论和实验研究 本文 推导并修证了湿压缩技术的m o o r e o r e i t z e r 模型 仿真在不同的b 参数下的 不同喷水量的m a t l a b 仿真结果分析 提出湿压缩技术作为控制压缩系统 失速和喘振不稳定工作状态的主动控制方法 应用分叉数学理论对于湿压缩 m o o r e g r e i t z e r 模型进行线性化分析 得到模型的系数矩阵的特征根情况判断 系统的稳定性 同时用阀门和湿压缩技术作为控制失速和喘振 分析其控制 法则和效果等 从m a t l a b 仿真和数值分析的结果可以说明 首先湿压缩技术在理论 上不但不会恶化压缩系统的不稳定性而且可以改善和消除压缩系统的失速和 喘振 对于不同的压缩系统参数设置 具有不同的失速和喘振的临界b 参数 和湿压缩影晌不同 湿压缩可以作为一种控制压缩系统失速和喘振的主动控 制方法 加湿后对于模型引入了控制不稳定性量 结合阀门湿压缩技术能达 到有效控制失速和喘振等 关键词 湿压缩 m o o r e g r e i t z e r 模型 失速和喘振 主动控制 哈尔滨 程火学硕十学何论文 a b s t r a c t f r o mt h es c o p eo ft h e r m o d y n a m i c s w e tc o m p r e s s i o nt e c h n i q u e c a r l e f f e c t i v e l ya c ta sa n i n l e t c o o l i n gm e t h o d i m p r o v et h eo u t p u to ft h et u r b i n ea n d t h e ne n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m m e a n w h i l e w e tc o m p r e s s i o n t e c h n i q u ei sa b l et or e d u c ec o n c e n t r a t i o no fh a r m f u le x h a u s ts u c ha sn o e t cf o r t h ee n v i r o n m e n t a n dh e r ew ec o n c e r ni t si n f l u e n c et o w a r dc o m p r e s s i o ns y s t e m s i n s t a b i l i t i e s r o t a t i n gs t a l la n ds u r g e s u c hr e s e a r c hs h o u l db ean e wt o p i ct ot h e f i e l do f w e tc o m p r e s s i o nt e c h n i q u ea n dc o m p r e s s o rs t a b i l i t y t w ot y p e so fa e r o d y n a m i cf l o wi n s t a b i l i t i e sc a nb ee n c o u n t e r e di nt h e c o m p r e s s o r s r o t a t i n gs t a l la n ds u r g e w h i c ha r ek e ya n dd i f f i c u l tp r o b l e m si n d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fc o m p r e s s o r s l o t so f t h e o r e t i ca n d e x p e r i m e n t a lw o r k h a db e e nd o n ei nt h i s f i e l di no u rc o u n t r ya n do v e r s e a s t h e r ea r es e v e r nm a j o r a s p e c t so fa n a l y s i sm a dr e s e a r c hw o r kd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o nw h i c h1 i s ta s f o l l o w i n g 1 d e d u c i n gt h ew e tc o m p r e s s i o nm o o r e g r e i t z e rm o d e l 2 a d d i n gt h e m a s sa n dm o m e n t u mi n f l u e n c eo fs p a y i n gw a t e rt ot h ec o m p r e s s i o ns y s t e mi n o r d e rt oa m e n dt h ef o r em o d e l 3 u s i n gm a t l a bt os i m u l a t et h er e v i s e dw e t c o m p r e s s i o nm o o r e g r e i t z e rm o d e l 4 a n a l y z i n gd i f f e r e n tc a s e so fp a r a m e t e r b i nv a r i o u sc o n t e n t so fw a t e r 5 b r i n g i n gf o r w a r dt h ea c t i v ec o n t r o lm e t h o do fw e t c o m p r e s s i o nt oc o n t r o lr o t a t i n gs t a l la n ds u r g ei nc o m p r e s s o r s 6 l i n e a r i z i n gt h e w e tc o m p r e s s i o nm o o r e g r e i t z e rm o d e l a n a l y z i n gt h em o d e lw i t hb i f u r c a t i o n t h e o r ya n dh e n c eu s i n ge i g e n v a l u e so fi t sc o e f f i c i e n tm a t r i xt oj u d g es t a b i l i t yo f t h ec o m p r e s s i o ns y s t e ma n ds oo n h e r ei nt h i sd i s s e r t a t i o nt h er e s u l t so fm a t l a bs i m u l a t i o na n dn u m e r i c a n a l y s i sm a yd e m o n s t r a t et h a ta tf i r s tw e tc o m p r e s s i o nt e c h n i q u et h e o r e t i c a l l y m i g h tn o tw o r s e nt h es t a b i l i t yo ft h ec o m p r e s s i o ns y s t e ma n df u r t h e rm i g h t i m p r o v ea n de v e na v o i dt h ei n s t a b i l i t i e so fs t a l la n ds u r g e a n dt h a tt h e r ew o u l db e ac r i t i c a lp a r a m e t e r ba n dd i f f e r e n td e m a n do fw a t e rf o rd i f f e r e n t l ys e t t i n gb a s i c 哈尔滨i 程人学硕士学位论文 p a r a m e t e r so fc o m p r e s s o r s a n dt h a t w e tc o m p r e s s i o nc a nb eu s e da san e w m e t h o do fa c t i v ec o n t r o l 幻c o n t r o lt h ei n s t a b i l i t i e so fc o m p r e s s o r s a n dt h a tb o t h a c t i v ec o n t r o la c t u a t o r so fw e tc o m p r e s s i o na n dv a l v ec a ne r i e c t i v e l yc o n t r o l r o t a t i n gs t a l la n ds u r g e k e yw o r d s w e tc o m p r e s s i o n m o o r e o r e i t z e rm o d e l r o t a t i n gs t a l la n ds u r g e a c t i v ec o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献等的 应用已在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已经注明 引用内容外 本论文不包含任何其他人或集体已公开发表的 作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已 在文中以明确方式标明 本人完全意识到声明的法律结果由 本人承担 作者 签字 日期 年月日 喻尔滨l 释大学硕 学位论文 j i i i j i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i q i j i i 一i i i i j i i e 1 1 前言 第1 章绪论 燃气轮机的发展可以追溯到1 8 和1 9 世纪 1 7 9 1 年 j b a r b e r 首次使 用并定义 g a st u r b in e 这一名称而获得燃气轮机专利 1 8 7 2 年 s t o z 成功获得燃气轮机多级旋转部件的专利 从此 燃气轮机进入快速的设计 建造和枪验期 但仍然受到低部件效率的限制 从上个世纪5 0 年代开始 燃 气轮机在航空领域取得了绝对优势 上个世纪6 0 年代到7 0 年代初期 第一 代舰用燃气轮机开始大量装舰 从上个世纪7 0 年代开始 国外军用大中型水 面舰艇进入全燃化阶段 与此同时 在主战坦克 高速客轮上也开始使用燃 气轮机 目前 在许多工业领域内 诸如航空 航海 矿山 石油化工 电 力 天然气输送及铁路运输等基础性工业燃气轮机都得到了广泛的应用 正 是由于燃气轮机蕴藏如此巨大的发展潜力 近两百年来人们一直致力于改善 其性能 提高其效率 然而 尽管科学进步是无止境的 但对于叶轮机械包括燃气轮机这一领 域而言仍然存在着许多困扰着其发展问题 在燃气轮机系统内存在多种复杂 的非稳定流动现象 如进气嗡鸣 燃烧室压力震荡 动静叶千挠 尾迹流等 问题 这些流动非稳定问题对于燃气轮机危害很大 尤其是喘振和失速 主 要表现为 1 气流脉动对于叶片产生较大的交变应力 甚至引起叶片的共振 和整台机组的强烈共振 2 深度喘振倒流使系统内气流温度升高易引起稳定 敏感材料性能恶化以及对于稳定要求较高的工作介质变化如化学介质成分改 变 3 进入不稳定工作状况后系统的性能下降而且同时不稳定的迟滞特性使 系统难以解除这 状况 造成恶性破坏 4 气流的强烈不稳定性还将对系统 中某些部件如密封产生不良作用使得系统无法正常工作 因此 燃气轮机的 非稳定性研究具有重大意义 同时也是近五十年来全世界科学家工程师关注 的焦点 本文主要针对湿压缩系统的气动稳定性问题即旋转失速和喘振进行分析 哈尔滨 程人学顸十学位论文 研究 大量的理论研究和实验研究 证明了湿压缩可以用来减少压缩功 增 加输出功 同时应用湿压缩技术来提高压气机稳定运行情况 进而提高整个 机组的性能 因而我们讨论和分析湿压缩技术对燃机稳定性的影响 本章1 2 节将介绍湿压缩技术的发展 1 3 节探讨燃气轮机不稳定性研究发展现状 1 4 节论述本文的主要工作 湿压缩系统的m o o r e g r e it z e r 模型的建模 仿 真以及主动控制等 1 2 湿压缩技术发展现状 在燃气轮机装置中 压气机耗功通常要占透平功的5 0 以上 从而限制了 燃机性能的提高 湿压缩技术由此而提出 上个世纪4 0 年代末5 0 年代初美国 人r v k l e i n s c h m i d t 以海军用燃气轮机为应用目标 提出了湿压缩概念 指出湿压缩可以提高高压比简单循环燃气轮机效率 并且指出该循环不需要 间冷器 湿压缩 w e tc o m p r e s s i o n 一 在压气机入口或在级闻向被压 缩气体喷入冷却液体 喷入的液体直接与气体接触 相互参混进行热量和质 量传递 由于液体蒸发要吸收大量的热 所以气体在被压缩升温的同时又被 冷却 结果是使压缩过程向等温压缩方向发展 使压气机出口气体温度低于 绝热压缩时的温度 压气机耗功低于绝热压缩耗功 然而 早期所进行的实验研究由于受当时对湿压缩过程认识程度限制 在实验组织 实施及实际关键因素控制方面没有得到很好的优化 大部分情 况下所得到的实验结果远低于最初预期值 例如由于水没有得到很好的处理 导致压气机叶片很快积垢 水喷入发动机时没有得到很好的雾化造成了压气 机内部流动损失过大 效率下降等 此外 当时燃气轮机参数及部件效率较 低 从这两方面研究来提高发动机性能的潜力还很大 因而淡化了湿压缩研 究的紧迫性 5 0 年代初以美籍华人苏绍礼 s h a o l e es o o 为代表的研究者 对轴流式压气机进行了研究 其在文献m 1 指出 1 在其他条件相同情况下 湿 压缩在高压比燃气轮机装置中会取得更好的效果 2 进行有效湿压缩要求水 滴的粒径小于2 0 胛 3 如果有专门为湿压缩设计的压气机 就能更好的体 现湿压缩循环作用 由于受当时雾化技术所限 提出的解决方法是设计专门用于湿压缩的低 2 哈尔滨1 j 稃人学硕十学忙 论文 转速增大容积流量的压气机 然而 该提议未得到采用 直到上世纪9 0 年代 美国重又开始了关于湿压缩的理论研究和实际应用 前苏联也进行过相关的 研究 但是 并没有实现湿压缩燃机的商业运行 他们在的理论和试验方面 的研究都取得了一些成果 近年来由于雾化技术的发展 采用进气蒸发冷却 具有较高的成本有效性 所以 近年来进气雾化技术 1 n l e tf o g g i n g 和过喷 湿压缩 o v e rs p r a y 技术在美国和其他西方国家得到迅速发展 o t i i c o r p 公司在炎热天气条件下在压气机进气道前加装一套造雨机 引入湿压缩 用来冷却进口空气 恢复燃机输出功 经济效益明显 采用 压 气机入口喷水冷却技术 就相当于将入口空气蒸发冷却和湿压缩技术结合起 来 于单纯的入口蒸发冷却相比 对燃机性能的改进更显著 且单位千瓦功 率的投资也更低m 1 1 9 9 6 年夏天1 5 0 小时的运行表明 燃机功率可增加1 5 5 机组效率相对提高了1 9 美国g e 公司针对l m 6 0 0 0 p c p d 机组成功的开发了在其高低压压气机之间 采用喷水中冷的技术 并投入了商业运行 1 经运行测试表明 机组在i s o 条件下功率提高了9 热耗下降约o 5 并称此技术可取代在高温运行环境 下燃机进气冷却技术 后来 g e 公司又对其进行了改进 又在原有设备上增 加了低压压气机 机组进口 喷水冷却装置 即同时向低压压气机和高压压 气机喷水 进 步提高了整个机组的功率和效率 乌克兰在g t l 5 0 0 0 燃机低压压气机进口进行了喷水实验 4 1 其喷水实验 时间1 3 2 小时 实验表明 在低压压气机入口喷水 发动机工作是可靠和稳 定的 在发动机额定工作状态下 当低压涡轮后的燃气温度保持恒定 以及 喷水的水量为低压压气机入口空气量的1 条件下 发动机功率增加1 4 在 低压压气机入口喷水时 保持输出功率不变 涡轮前的燃气初温度显著下降 4 0 6 0 而在额定功率功况下 喷水量为l k g s 时 n o x 排放量相对减 少了4 0 h i t a c h i 公司在一台1 5 m w 的轴流式压气机的燃气轮机进行了喷水试验 结果表明消耗少量的水就可以使功率大大提高 w t a b a k o f f s k a u s h i k 和a n l a k a s h m i n a r a s i m h a 对注水能提高燃机效率 以及利用注水来弥补燃 气轮机由于叶片摩蚀造成的性能下降作了详尽分析m m e e f o g 公司在世界上 进气雾化冷却技术的理论和应用方面 都处于领先地位 他们开展了水滴 哈尔滨i 栏人学硕 t 学位论文 的热动力学和热传导方面的基础理论研究 提出应用燃气轮机进气雾化 i n l e tf o g g i n g 技术的一些实际问题 如可能会产生喷嘴脱落对燃气轮机 造成损坏 燃气轮机结冰 排水 压气机喘振 压气机腐蚀和压气机积垢等 给出测量水滴直径的标准 这有助于对各种不同的雾化预冷装置的效果进行 比较 给出了液滴的传热传质模型 用来分析单个液滴被喷入空气后的行为 以及气流对液滴热动力学和液滴轨迹的影响 尽管我们园内湿压缩技术的理论研究和实验研究起步较晚 但已取得了 一系列研究成果 并且已有湿压缩机组投入运营 上个世纪6 0 年代陈大燮对 于湿压缩的热力学性能进行了初步研究 提出了在空气压缩过程中不断喷入 水 使空气达到饱和状态的喷水技术 哈尔滨工程大学从1 9 9 5 年开始进行 湿压缩研究 在压气机进气喷水湿压缩和级间喷水湿压缩方面作了大量的理 论和实验研究工作 理论方面主要包括湿压缩机理分析 湿压缩热力循环性 能分析 湿压缩对压缩系统和燃机装置性能影响分析等 得到了一些有指导 意义的结论 在研究了湿压缩燃机的变工况性能后发现 若采用等输出功率 运行规律 喷水可减轻热部件工作负荷 延长发动机寿命 以及研究了湿压 缩对压缩系统失速后瞬态响应的影响 得出结论在一定条件下 在系统刚刚 发生喘振或旋转失速时 喷水湿压缩可以消除喘振或旋转失速 提高系统运 行的稳定性 在s 1 a 一0 2 燃机上进行了大量的实验研究表明 1 验证了保持曩 不变 压气机喷水增加输出功率 提高循环效率的理论分析 2 验证了保持 输出功率不变时 涡轮进气温度曩下降的结论 3 证明了喷水后 压气机工 作是稳定的 整机工作是稳定可靠的 1 3 燃气轮机不稳定工作研究现状 在燃气轮机里有许多不同类型的不稳定性 如图1 例如前面的进气嗡 鸣 压气机内部的旋转失速 喘振 颤振 燃烧室压力震荡 涡轮项部间隙 问题 以及后面喷射噪声等m 4 哈尔滨r 样人学硕士学位论文 i i l l i i 图1 1 简化燃机图 摘自j a m e sd p a d u a n om i t 1 3 1 压气机旋转失速和喘振 燃气轮机的非定常流动 尤其是压气机内部的非定常流动 研究对燃机 设计具有重大意义 燃机的工作稳定性非常复杂 但一般可以分成两大类 气动非稳定性 失速和喘振 和气弹非稳定性 颤振 在压气机或压缩系 统流量逐渐减小的情况下 压气机工作点发生改变 当越过失速线时 压气 机就会发生不稳定工作情况 通常我们对压气机的不稳定现象中的气动不稳 定现象进行分析研究 并且其又分为两种情况 旋转失速和喘振 下面以图 1 2 的形式说明了这两种不稳定状态的不同 首先 通过压气机特性图 如图1 3 所示 来说明压气机内部不稳定工 作的机理 些关键压气机动态过程因素如节流线 喘振边界线 和速度线 都体现在该特性图上 该图显示该系统的压升和进口流量的关系 工作点一 旦落在喘振或失速线的左半部 压缩系统进入不稳定工作状态 同时压气机 特性线位于正斜率区 图1 2 旋转失速和喘振 5 哈尔滨l 程人学硕十学位论文 压 力 升 进口流量 图1 3 压气机特性线示意图 喘振是流过压气机整个环面的平均流量的轴向大幅值振荡并以一有限循 环于压缩系统特性线为特征 如图1 4 所示 p a p 一压气祝非迟滞 太客轻回流 图1 4 喘振产生原理 发生旋转失速时虽然平均流量保持不变 却存在一个或几个严重失速的 区域以一定的速度旋转 对于压气机和燃气轮机来说 这两种不稳定工作情 况都会导致不良的后果 应加以避免 例如 当发生旋转失速时 由于系统 6 哈尔滨j 程大学硕士学1 1 i 7 论文 存在着滞后现象 仅靠开大节流阀是不能使压气机返回稳定工作区的 这时 唯一的解决方法就是大幅度降低旋转速度 但这时又导致了相当大的压力损 失 另外 由于发生旋转失速时效率都极其低 运行在旋转失速情况下 会 导致压气机内部严重超温 这就会对处于旋转失速区的叶栅产生很大的热应 力 缩短叶片寿命 另外一个更为严重的情况是 当流量急剧降低时 还极 大可能使燃烧室和涡轮超温 如果发生了喘振 也会发生进气温度较高的情 况 这也将导致非常严重的后果 所以 当压气机发生喘振或旋转失速时 采取合理的手段消除压气机的不稳定工作是非常重要 一般说来 喘振和失 速都可以通过运用控制系统阻止压缩系统工作点进入不稳定区 喘振线的左 部 来避免其中失速和喘振严重破坏燃机的稳定性问题是发展燃机 必须解决的瓶颈 1 3 2 压气机和压缩系统模型 叶轮机械压缩系统的非稳定现象主要表现为旋转失速和喘振 早期燃机 设计通过增加失速 喘振 裕度来避免燃机进入失稳状态 但同时牺牲了其 在高压参数区工作的可能 丧失了燃机的一部分性能 从2 0 世纪5 0 年代开 始众多国际知名学者和著名科研机构都致力于该领域的研究 其中较具有影 响力的学者有e m m o n s 1 9 5 5 s t e n i n g 1 9 5 5 k r i e b e 1 9 5 8 s e a r s 1 9 5 5 m a r b l e 1 9 5 5 f a b r i a 1 9 5 7 等等 他们分别采用f o u r i e r 级数解欧拉非稳 定动量方程 进行小扰动分析等方法 2 0 世纪4 0 年代至6 0 年代末 提出了单级轴流压气机孤立叶片排喘振和 平面叶栅旋转失速机理及其物理模型和数学模型 这些模型说明了影响压气 机不稳定工作的重要物理参数是流体惯性而产生的时滞效应 这个阶段的压 气机不稳定判据将喘振和旋转失速单独进行考虑 对于喘振 由于引入了流 量小扰动假设 得到了描述流量扰动是扩大还是衰减的衰减因子 其中衰减 因子是压气机及其进排气管道所组成的压缩系统几何参数和压气机特性曲线 的函数 若衰减因子小于零则压缩系统进入不稳定状态 反之压缩系统则进 入稳定状态 所以描述喘振的判别准则是衰减因子为零 对于旋转失速的稳 定性判别准则 是将压气机当作激盘考虑 压气机的压升系数表示为来流气 7 哈尔滨l 一摧人学硕士学位 文 流角的函数并且作准定常假设 压气机前方为无旋流动 所以压气机前方的 流动有势 将速度势作f o u r i e r 展开 通过激盘突跃关系将压气机前后流场 联系起来 得到由f o u r i e r 系数表示的方程组 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代 压气机被简化为一个半激盘 压气机前后的 流体由激盘突跃关系联系起来 进 步提出了影响压气机失远特性的天键凼 素 更为直观地揭示了旋转失速的产生及其特性 并考虑了压气机旋转失速 的非线性特点 与以前的稳定性模型相比 重点在于考虑了压气机特性的非 线性特点 并在压气机的特性曲线中考虑了总压损失和出气角随时间的非线 性变化 因此 与此相应的稳定性判别准则也考虑到了叶片槽道的总压损失 和出气角的非线性特性 因而更符合压气机的流动规律 2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代 把旋转失速理论模型的研究与旋转失速主动 控制结合了起来 进一步对旋转失速模型作了完善 将压气机内部流动的一 些细节 如落后角 流体粘性等结合到现有模型 并把对旋转失速的认识与 流动机理的认识进一步结合起来 而且将压气机及前后流场抽象为压缩系统 提出了描述压缩系统旋转失速和喘振的统一模型 具体地讲 这个期间对旋 转失遮研究的理论模型分为两种 种是将压气机及前后流场抽象为压缩系 统如t a k a t a 依据半激振盘的假设和流动波动的有限扰动 建立了轴流式压气 机旋转失速的数学模型并运用有限差分法进行数值分析 另一种是仍将压气 机看作激盘模型 提出了一个统一拙述压缩系统稳定性的稳定判据一b 参数 文献认为对于一个确定的压缩系统存在一个临界的b 参数 m o o r e 和g r e i t z e r 1 9 7 6 建立了著名的m g 模型n 和采用矢量图法获得失速团的传播速度以及 动静叶的小扰动分析等 1 9 8 6 年m o o r e 建立了旋转失速和喘振的统一模型 提出当系统工作的b 参数大于临界b 参数时 系统呈现出喘娠现象 若系统 工作的b 参数小于临界b 参数时 系统则为旋转失速 系统的临界b 参数与 压缩系统参数和压气机运行参数有关 由于该模型为一维模型 而实际的压 气机旋转失速并不能由一维模型所完全描述 直到1 9 9 2 年由f i n k 和 g r e i t z e r 等引入变转速离心压缩系统m g 模型才完全成型m 其具有以下特 点 1 建立了压缩系统进入旋转失速和喘振的动态偏微分方程并进行了数 值分析 2 开创性地提出l 临界参数b 是判断系统是否产生失稳现象的标志 并进行了试验验证 3 解释失稳现象的极限环原因 并提出该模型适用于 8 哈尔滨二l 样人学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i l l l 1 1 1 1 1 1 1 胄 多种压缩系统 此后 a d o m a t is 和a b e d 1 9 9 3 w a n g 1 9 9 4 等考虑粘性效应 利用高次 g a l e r k i n 变换的谐调方程 对于压缩系统的稳定特性线等方面都进行了研 究 m c c a u g h a n 1 9 8 9 1 9 9 0 运用分叉理论分析了1 i i g 模型的稳定性 定性地 提出了经典喘振和深度喘振的区别及失稳主动控制法 同时g y s l i n g 1 9 8 9 1 9 9 1 用可动的大容腔来控制系统失稳 p i n s l e y 1 9 9 1 用加阀门控制 f f o w c s w i l l j a m s 1 9 9 3 运用注空气法于离心式燃机中来控制 s i m o n 和 v a l a v a n i 1 9 9 l 1 9 9 3 以闭合式阀作为控制器等 燃机中我们常见的是d a y 1 9 9 3 以注气方案来控制失速 d a n d r e a 1 9 9 5 扩展到脉冲式注气 并且 进行了试验验证 利用分叉理论进行了理论分析 并提出注气后压缩系统特 性曲线的平移理论 b e h n k e n 和m u r r a y 1 9 9 7 提出以阀门来控制喘振 注气来控制失速的理论 从而控制失稳 国内也有许多学者专家对压缩系统的喘振和失速问题进行研究探索 胡 世民等推导出了双转子发动机喘振的动态模型 该模型能够模拟发动机的喘 振或旋转失速 为进一步研究各种防喘措施提供了有力手段 1 邬扬杰在综 合几种不同型号压气机的实验结果的基础上 总结了轴流式压气机喘振特性 的一些规律m 张志军 徐向东对离心压缩机的喘振控制方法进行了研究 并在首钢3 号高炉鼓风机上得到运用m 一 戴冀等将一维非定常不可压流体力 学方程组应用于整个低速透平压缩系统 对透平压缩机系统发生深度喘振时 的温升进行了计算m 唐狄毅等对旋转失速和喘振的统 模型进行了研究 i 朱俊强等以小波理论为基础 应用非定常二维可压流体的流动模型 估计出 了跨音速轴流式压气机的失速边界 充实和完善了轴流压气机气动设计体 系 崔茂佩利用压缩机特性线的形状相近性 以及形状和位置渐进变化的规 律 推导出了压缩机特性线的系数拟合法 胡骏等得到了多级轴流压气机 的可压缩失速模型n 并用该模型对一台五级高速轴流压气机的失速特性进 行了详细分析 聂超群等对离心压缩系统进行了大量的实验研究m 对喘振 前期的动态信号进行了测量和分析 完成了快速捕捉喘振前期小扰动幅频特 征的数据处理方法 设计了合理的控制机构 实现了实际压缩系统主动控制 的离线动态识别 9 哈尔滨j 科大学硕士学位论文 i 暑i 1 e i i i i j i i i i i i i i i j i i i i i i 1 4 本文的主要研究工作 湿压缩燃机的稳定性研究是一个新领域 本文从基础研究做起 完成的 主要有 1 建立了湿压缩m o o r e g r e i t z e r 基本模型 利用m g 模型研究了压 气机喷水后的湿压缩过程将会引起压气机特性线移动等问题 2 考虑喷水湿压缩引入的质量和动量改变等 修正湿压缩m o o r e g r e i t z e r 基本模型 3 对于湿压缩m g 模型利用m a t l a b 进行了仿真分析 在建立湿压 缩m g 模型之后 运用 t a t l a bs i m u l n k 进行了建模仿真 研究 该模型的参数变化 如b 参数 对于性能的影响等 4 运用非线性理论分析方法分析湿压缩模型的稳定性 根据非线 性分析中的h c p f 分叉理论等 对本文所建立的模型进行分析 5 湿压缩系统稳定性的主动控制研究 采用类似于b e h n k e n 的注 气法控制旋转失速和阀门控制喘振n m 本文将采用喷水湿压缩 技术来控制失速和喘振 也就是说以湿压缩技术和阀门来控制 失稳工作 1 0 哈尔滨 程人学顶十学位论文 第2 章湿压缩系统喘振和旋转失速的统一模型 尽管湿压缩技术在理论研究和实验研究都取得了巨大的成果 而且有了 成功的商业运行的例子如g e 的l m 6 0 0 0s p r i n t 机组和a l s t o m 的g t 9 d 机组 w 但是还很少有关于湿压缩对压气机 压缩系统和燃气轮机的不稳定工作影 响方面的研究 王云辉博士利用压缩系统的m g 模型n 提出湿压缩系统的 m g 模型显示在一定的条件下 湿压缩对压缩系统不稳定工作的影响主要是因 为湿压缩改变了压气机的压力升高特性和工质的质量流量等 仿真结果可以 表明压缩系统进行湿压缩后 性能得到提高 湿压缩可以用来改善压缩系统 的不稳定工作 本章在王云辉博士基础上推导并改进湿压缩m g 基本模型 2 1m o o r e g r eit z e r 模型 本文的湿压缩m o o r e g r e i t z e r 统一模型是建立在g r e i t z e r 1 9 7 6 a 的基 本模型和m o o r e g r e i t z e r 1 9 8 6 统一模型的基础上 因此简单介绍这两个 模型 2 1 1g r e i t z e r 基本模型 1 9 7 6 图2 i 基本压缩系统 尽管压缩系统的基本动力模型 如上图2 1 所示 1 9 5 5 年由e m m o n s 等 人提出 但是直到1 9 7 6 年g r e i t z e r 才建立了非线性的一维动力模型 该模 型包括了管道系统 压力恒定的气源 和含有可压缩空气的大容腔以及阀门 为一台简化的燃机 其中大容腔代表燃烧室 阀门类似于涡轮 在该模型中g r e i t z e r 首次提出了以b 参数判断压气机进入喘振或旋转失 速类型问题 b 参数定义为 肚丽u 竺2 a 据al 2 1 2 h 上 y 一 其中u 为平均转速 海姆霍兹 h e l m h l t z 共振频率 l c 有效压气 机特征长度和管道长度 圪大容腔体积 通流面积 假设低马赫数 相对周围的低压比 建立了把压气机和阀看作动力激盘 的g r e i t z e r 模型 霉 口 一 m 甲 2 2 型生 旦 掣一甲 中 2 3 d 4 g 7 芸 否i m 吨删 2 4 等 扣 圳 悟s 方程 2 2 至 2 5 分别表述了压气机进口管道的压力平衡 阀门的 压力平衡 大容腔的质量平衡 以及压气机对于脱离稳态的响应 假设在阀 门内的惯性很小 压气机的压升看作准稳定状态即f 小 那么该模型可以简 化为 蓑叫一 妒哪 2 6 芸 去 吨 呦 g r e i t z e r 1 9 7 6 a 模型的主要贡献在于发现并展示 研皿 时导致喘振 b 眈 时旋转失速 图2 2 显示在一定的参数设置下 临界b 参数b 0 4 5 j a 2 是旋转失速的振幅的2 次方 在b b 0 4 5 时 j 0 模型处于 哈尔滨 i 程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i j ii i l lp i i i i i i i i i 喘振状态 b 0 系统处于旋转失速状态 c h a n g eo fp ar a m e t e rb ar 聪 厂 c h a n g eo f p a r am e t er b 几nz w e r lb o4 5 i t h es ys 1 e ms t a l l e d e t l e r w i s eb oa 5 t h es y s t en ms u r g e d 一 0 一 0 一 h 土 一是 蜗r t i m e 图2 26 r e i t z e r 基本模型的仿真结果 2 1 2m o o r e g r e iz t e r 统一模型 图2 3 压气机及该系统几何简图和无量纲参数 在讨论燃气轮机的不可恢复的失速问题的启发下 1 9 8 6 年m o o r e 和 一 一一 兰篮兰垒竺望 耋堡墼圣 一 6 r e i t z e r 推出了多级轴流压气机后失速的模型 定义以动压力为p u2 时间 u r 质量流量p 蚴 进行无量纲化的三维祸台的非线性方程 筹 击 吣m 呦 嚣 毒c 去 舯一 弘唧 协 嚣 去c 忡一 去c z 翥 川伊 应用g a l e r k i n 变换 假设单向波近似脉动速度势 并以三次多项式近似 压气机特性 州护 h 1 兰 芳一1 一吉 芳 1 3 2 8 妒 吾 熹一 一言 熹一1 5 2 8 lr r 得到m o o r e g r e i t z e r 模型 等 可w i h 万 一万1f 嘲等 2 9 面2 可 万一万 y 川r 剀 警 些 l 三 詈 1 1 1h22 一三2 竺w 1 3 孚 d f 1 w i 等叫l 一 詈 1 2 一百1 卅而3 a l l 丽 对于图2 3 所示的系统所进行的仿真结果表明 参见图2 4 在不同的 特征参数b 下系统处于不同的不稳定状态且该模型能够同时仿真喘振和失速 实现了喘振和失速模型的统一 此后 在基于m o o r e g r e i t z e r 统一模型的其他方面研究均有发展 h d o m a t i s 和a b e d 1 9 9 3 及w a n g 等人 1 9 9 4 推导了包括叶栅内部粘性 发散 的不稳定性模型 几乎同时他们也给出了高阶g a l e r k i n 变换模型 对于建立 在m o o r e g r e it z e r 模型基础上的压缩系统在其他特性 例如 非三次方压缩 系统特性 条件下的特性也有人进彳亍了研究 例如 m a r r i s 和s p a n g 1 9 9 1 将其扩展到两组压气机特性 奇次项和偶次项 使得该模型可以包括所在工 作区域流量范围狭窄的压气机 w a n g 和k r s t i c 1 9 9 7 a 还引入了左旋和右旋 压气机特性 1 4 哈尔滨 程大学硕十学位诒文 回 j j 1 j 1i 叫 i j f1 f 9 l 1 lj lj l e i 固 1 1 叫 d j j 7 d 5 j l 一 l j1 3 1 i8f 1 1 1 兰 二 三 世 一 一一一 l 0 1 一 r i f 1 f f 丁 t f 1 j 忑 丁 图2 4 m o o r e g r e i t z e r 模型的仿真结果 曲线以无量纲时间毒为横坐标 左边曲线组是b 1 的喘振状态 右边曲线组b 0 3 的旋转失速 1 5 哈尔滨 样大学硕士学位论文 2 2 湿压缩m o o r e g r e it z e r 模型推导 01 e 一压气机中的位置 图2 5 压气机和压缩系统几何示意图 图2 5 所示为基本湿压缩系统简图 压气机向下游的大容腔流动 大容 腔的尺寸与压气机尺寸和管道尺寸相比很大 这样就可以忽略大容腔中气体 的速度和加速度 且认为大容腔内的压力是均衡的 流过这个系统的流量由 安装在大容腔出口的节流阀控制 同时可在压气机进口或级间喷入雾化水进 行湿压缩 为了简化分析过程 我们采用以下假设 1 水喷出后和空气进行很好的 掺混 2 喷水量比较小 并且喷入的水滴的粒径非常小 小于2 0 k t m 假设 水的喷射对原有流场所造成改变不大i3 马赫数很低 振荡频率远远低于声 共振频率 压气机内气体为不可压流体 但是 大容腔内的气体则认为是可 压缩的 2 2 1 压气机内的流动扰动 图2 5 所示的压缩系统的所有的长度都通过压气机平均半径 r 进行 1 6 哈尔滨上程人学硕士学位论文 i 书 i i 宣i i j i i i 喾罱i 宣薯i 音名 音 苫暑 i 冒瞄 暑i 无量纲化 压气机进气道看作连接压气机上游的等面积管道 而且下游周向 等面积 无量纲的圆周坐标就是叶轮的转角口 轴向坐标相对于r 表示为r 无量纲时间表示为 f u i r 2 1 0 描述湿压缩压气机单排叶栅动态过程的压升模型方程为 l f 庐 只 f 庐 丸 一f 譬 2 1 1 去 2 硎 式中 庐 丸 九 t u 是压气机瞬时的 不稳定的轴向速度系数 丸 代表了由于水的喷入所带来的轴向速度的变化 f 庐 是叶栅的轴对称稳态特 性 拶 f e 九 是进行喷水湿压缩后由于水的蒸发冷 却而引起的压力升高改变量 它不但和喷水量有关 还和f 有关 r 是与 压气机的内部惯性有关的时间常数 p 是进行喷水后的进1 2 密度 u 是压气 机进口平均半径处的周向速度 对一个n 级压气机来说 气流将通过n 对 动 叶栅 静叶栅 其总压升记为 与萨 f n f f 以 一去 2 嚣 嚣 2 1 2 式中 口 且 n r u p 为压气机出口压力 p 为压气机进口压力 定义 和 的周向平均值分别为m 和m 寺j 屯 手 o a o o g 一 m 2 1 3 寺j 庐 手 o d o 垂 f 则速度系数可以写成 h 嚣嚣搿h 嚣 垤 六 t 以 亭 口 手 口 式中 g 峨口 和g 0 分别是轴向流量系数的脉动值和由于喷水造成的轴 向流量系数的脉动值的变化量 吃 善 口 和自 f 口 分别是周向流量系数的脉 动值和由于喷水造成的周向流量系数的脉动值变化量 哈尔滨 f 程大学硕十学位论文 由式 2 1 2 和式 2 1 3 可知 g f o f f i g f 口 沿周向在一个周期 上的积分为零 另外假设在进气管道入口无环量 即进气口前流场是均匀的 则b 善 o j n h 臼 的平均值也应浚为零 由此可以得到 r 4 9 善 o d o 0 r n 孝 o w o o 2 1 5 f g o d o 0 l h w f o w o 0 滞止压力为p r 的无旋 无粘气流经进气管道到达位于0 处的i g v 入口 导向叶片 见图2 5 尽管环境压力是恒定的 0 点的轴向流量系数 还是 会随角度口和时间f 发生变化 如果妒随着 变化 则在i g va m 定3 4 个周 向速度分量 孝 o 令 鲁 c z 式中 l 一水 空气质量比 2 2 2 进气管道和进气导向叶片 i g v 中的流动扰动 图2 5 中的0 点和1 点之间是进气导向叶片 气流通过进气导向叶片的 压力变化可以用下式来表达 掣 三足 h 2 1 7 p u 2 1 如果i g v 中没有发生损失 则i g v 内的压力恢复系数髟 1 但是如果 存在损失 则丘 中的 九 o 简化成 c 孙 等 等h 飒 2 2 3 1 9 哈尔滨 程人学硕士学位论文 2 2 3 排气管道和排气导向叶片 o g v 中的流动扰动 即使安装了轴向排气导向叶片 o g v 当排气气流轴向速度随角度毋发 生变化时 排气道还会出现复杂的有旋气流 定义函数p 它足够的小 并 且满足l a p l a c e 方程 p 旦 堕匕曼 1 一 d u 2 2 2 4 v 2 p 0 假设排气道的压力同压气机排气静压 p 之间的差别非常小 这点差 别是由于气流周向流动的不均匀所造成的 在这种情况下 根据e u l e r 方程 可以知道 函数p 满足l a p l a c e 方程 那么在图2 5e 点的以压气机排气轴 向衡量 g u l e r 方程为 砒 等 等州 z 5 因此p 的势与前面提到的一蝶相同 在排气道中 随着离开压气机面的 距离的增加 野是增加的 在进气道中 朝着压气机面印是增加的 通过选 择一个常数使得在管道出口印 e 处的p 0 可得到 p 1 7 1 e 等 一露 2 z e 如果压气机排气道长度z 非常短 那么公式 2 2 5 的第二项就可忽略 所以就像m o o r e 1 9 8 4 所作的在压气机出口压力变化方程中引入参数m 则 方程 2 2 6 可以写成 矿p s r e 蛾 等 等 删籼 2 2 式中m 2 代表一个 足够长的 排气管道 川 1 则代表一个非常短的排气 管道 2 0 哈尔滨一l 一科人学硕七学位论文 2 2 4 从进口到压气机的出口管道终端的净压升 从压缩系统的进口到大容腔之i 刨的压力变化增大且f 旖的大晷腔和恻