分軸燃氣輪機氣路故障模擬研究

王偉影,孔慶毅,白 冰,任博鋮

(中國船舶集團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力系統國家工程研究中心,哈爾濱 150010)

0 引言

燃氣輪機在航空、船舶及工業發電領域中占有重要地位。因其長期工作在高溫、高壓、高轉速、高濕、高鹽及高應力狀態下,船用燃氣輪機相比于航空用燃機及工業發電燃機更容易出現各類故障,且高鹽條件會加劇葉片結垢、磨損,壓氣機積鹽嚴重可能引起喘振[1-2]。燃氣輪機運行時一旦發生故障將對乘員及船舶自身造成嚴重影響,因此深入研究燃氣輪機氣路故障的診斷技術對于及時準確地發現并解決各種故障問題至關重要。

國內外許多學者針對燃氣輪機故障診斷技術進行了大量研究。Provost[3]為解決測量時噪聲影響測量參數準確性的問題,使用加強的卡爾曼濾波來克服這個因素的影響。陳大光提出了一種多態氣體路徑分析方法,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積垢模型,仿真獲得了燃油流量等參數在壓氣機積垢過程中的變化趨勢[7]。此外,神經網絡[8-11]、遺傳算法[12-13]、混合優化算法[14-15]等智能算法也被應用于燃機故障診斷中。

本研究以某型分軸燃氣輪機為研究對象,采用小偏差線性化方法建立了燃氣輪機的穩態氣路故障模型,并進行氣路故障模擬研究。

1 燃氣輪機數學模型

選取某型號分軸燃氣輪機作為研究對象,如圖1所示。該圖為分軸燃氣輪機的典型物理模型。燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、動力渦輪等關鍵部件組成。

圖1 可轉導葉執行機構原理

1.1 燃氣輪機模型小偏差線性化

采用線性化建模思想建立了燃氣輪機故障數學模型,針對燃機運行的各個環節數學方程包括壓氣機壓縮方程、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,應用小偏差線性化得到其小偏差表達式,如式(1)：

(1)

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

1.2 燃氣輪機故障模型

當燃氣輪機發生故障時各部件的特性將會發生變化,由于各部件之間存在密切關聯,這將導致它們重新匹配,從而達到一個新的平衡工作點。各個參數的相對偏差主要體現在兩個方面,即狀態量偏差=工作點自身偏差+特性偏移。燃氣輪機存在氣路故障時,其參數總偏差可表示為式(2)。

(2)

式中,k9、k10、k11、k12、k13、k14分別為壓氣機等轉速線上折合流量壓比相對偏差斜率、效率壓比相對偏差斜率、高壓渦輪折合流量膨脹比斜率、效率膨脹比相對偏差斜率、動力渦輪折合流量膨脹比斜率、效率膨脹比的相對偏差斜率。經推導,可得燃氣輪測量參數變化量與部件性能參數獨立變化量的關系式：

(3)

2 燃氣輪機氣路故障模擬研究

選定燃氣輪機容易發生的壓氣機積垢來表征壓氣機發生氣路故障,植入壓氣機故障因子,分析燃氣輪機主要性能參數的變化規律。具體仿真過程為：0～100 s時,燃機穩定工作,100 s時變為變工況運行,燃機的整個過程仿真時間為300 s,系統運行狀態如圖2、圖3、圖4、圖5所示,數據均進行歸一化處理。

圖2 燃氣發生器轉速變化曲線

圖3 壓氣機壓比變化曲線

圖4 燃油量變化曲線

圖5 動力渦輪排氣溫度變化曲線

在100 s的時刻,當負載從0.8下降到0.64的過程中,壓氣機發生故障時,燃氣發生器的轉速低于壓氣機沒有故障時的轉速。根據圖3可知,當壓氣機存在故障時,效率下降,流量減少,導致壓氣機的壓比下降。由圖4、圖5可知,壓氣機存在故障時,燃油流量增加,排氣溫度升高。這是因為壓氣機性能下降,為了保持負載恒定,必須增加燃油流量,導致燃燒室出口燃氣溫度升高,最終導致動力渦輪出口溫度上升。

3 結束語

通過數學模型及仿真方法,深入研究了分軸燃氣輪機在氣路故障條件下的性能變化。在壓氣機故障情況下,燃氣發生器轉速下降,壓比降低,燃油流量與動力渦輪排氣溫度上升。此研究結果有助于更好地理解燃氣輪機在故障情況下的運行特性,為故障診斷及性能優化提供有價值的參考。燃氣輪機的穩定運行對于船舶及電站等應用具有關鍵意義,因此對其性能特性的深入研究至關重要。