变桨角对舰船用燃气轮机过渡态性能的影响

董瑜，韩晓光，聂海刚

（沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

1 引言

燃气轮机被广泛用作航空、舰船和电站系统中的动力机械。用于舰船推进系统的燃气轮机单位功率的质量轻、起动迅速、操纵方便，自动化程度高。舰船用燃气轮机的基本功能之一是提供足够的功率以驱动螺旋桨，使其产生必需的推力，确保舰船达到要求的航速。在“船-桨-机”的推进模块中的功率匹配中，不仅要在额定点满足约束条件，而且对最低航速以及相应于前进1～4的航速，最小倒车功率等也要满足要求。采用调距桨，可使上述情况均能满足要求[2]。

在燃气轮机研制中，仿真可以缩短其研制周期、节省研制成本、减少实际试车的危险；可以获得全部参数，包括实际试车时难以测量的参数。因此，建立燃气轮机动态性能仿真数学模型，对于燃气轮机动力系统设计、性能优化以及现场调试都具有重要意义。

本文建立了分轴燃气轮机动态性能仿真数学模型，并比较已有模拟燃气轮机性能的FORTRANS模型的计算结果，在已经搭建平台的基础上，通过瞬态改变螺旋桨角度，得到了分轴燃气轮机性能变化规律。

2 燃气轮机模型及验证

基于SIMULINK平台建立了分轴燃气轮机动态性能仿真模型，如图1所示。此模型是由每个部件按流路搭接起来的气动热力模型，包括进气装置、压气机、燃烧室、涡轮、分流、混合、容腔、转动惯性等模块。各模块具体计算如下。

2.1 气体热物理性质

由于燃气轮机各流路系统中的温度和油气比差异很大，所以在燃气轮机气路模型中考虑了比热随温度和气体组分的变化。这样促使燃气轮机模拟的设计点、非设计点以及过渡态的模拟更加准确可靠。

2.2 压气机和容积惯性模块

应用准静态特性图进行2维插值，压气机效率和换算流量可以看作是压气机压比和换算转速的函数。压气机采用级间和级后放气，应用压气机模块中放置的SPLITER模块，选择在相对焓比一定的位置级间放气，级后采用在压气机出口处放置SPLITER模块进行放气。压气机内气体压缩后总温为

出口总温是在进口总温基础上，应用压比求得等熵温增后，考虑压气机效率而得到的。压气机消耗的功通过2部分相加得到，一部分是考虑级间引气部分在引气前消耗的功，另一部分是考虑压气机引气后，气流在整个压气机压缩过程中所消耗的功。

容积模块放置在压气机后，应用质量守恒定律得到

式中：V为压气机容腔；考虑压气机内没有能量累积，温度T保持进口不变；P为压气机出口压力；Gin、Gout为进、出口质量流量。

2.3 燃烧室模块

燃烧室模块是能量累积的模块。能量守恒方程如下

式中：Gin、Gout为燃烧室进、出口空气流量；hin、hout为燃烧室进、出口比焓；Gb为燃油流量；LHV为燃油低热值。

2.4 涡轮及其冷却模块

涡轮系统分为静子冷却系统、膨胀过程和转子冷却系统。静、转子冷却系统通过MIXEE模块实现。高压涡轮静、转子引用高压压气机出口的气流，动力涡轮静、转子引高压压气机级间引气。应用准静态特性图进行2维插值，涡轮效率和换算流量看作涡轮膨胀比和换算转速的函数。涡轮内气体膨胀后总温为

出口总温是在进口总温基础上，应用膨胀比求得等熵温降后，考虑涡轮效率得到的。

2.5 转动惯性模块

应用功率为角加速度和角速度的乘积，慢车以上平衡关系表达为

式中：Pt为涡轮功；Pc为压气机功；J为转动惯量；ω为角速度。

2.6 与FORTRAN模型计算结果对比

FORTRAN程序模型可以用于计算带或不带调节系统的燃气涡轮发动机的稳态或过渡态性能。按照气体气动热力过程，通过组合的子模块来模拟发动机工作，输出发动机推力或功率，燃油消耗量，单位燃料消耗率等总性能数据。同时可有选择地输出各部件性能的详细数据及发动机各截面气体性质的详细数据。

应用FORTRAN程序模型模拟了发动机给定1、3、7 s，从0.87加速到1.00后燃烧室出口相对温度、输出功率、油量和转速随时间变化的曲线，如图2所示。仿真模型模拟发动机控制给定1、3、7 s时转速从0.87加速到1.00时,得到发动机转速、功率、燃烧室出温度和油量动态仿真结果，如图3所示。可以看到二者模拟结果规律相同，数值接近。

3 变桨角对燃气轮机性能的影响

燃气轮机的工作状态是与舰船的运动状态、自然状态以及螺旋桨的工作状态密切相关的。发动机的功率通过后传动装置传递给螺旋桨，螺旋桨产生的推力传给舰体，使舰体运动。为了改善推进性能、机动性能或船-桨-机的匹配等，在某些舰船上采用可调螺距螺旋桨。

1个可调螺距螺旋桨的作用就相当于1组不同螺距比的普通螺旋桨。在保持主机转速不变的条件下，通过操纵变距机构来改变船速。大多数主机的转速均高于螺旋桨的最佳转速范围，需将减速齿轮箱的输出转速降到螺旋桨所需转速。因此按照具体对象确定齿轮箱的减速比。

模拟了动力涡轮转速不变的情况下，当桨角突然变化对燃气轮机的影响。模拟桨角变化燃气轮机轮机在性能曲线网中的过渡态过程如图4所示。当桨角从33°到20°时，燃气轮机相对转速从1.000到0.899；当桨角从20°到35°时，燃气轮机相对转速从0.899到1.030。当桨角减小时，负载功率瞬间减小，动力涡轮转速瞬间增大，但由于受动力涡轮转速的限制，燃气轮机基本在等动力涡轮转速下降低状态。当桨角增大时，负载功率瞬间增大，动力涡轮转速瞬间减小，但由于受桨角-负载功率线的限制，燃气轮机沿着桨角为35°的桨角-负载功率线提高状态。

性能曲线网转换到压气机特性线上后,得到的变桨角燃气轮机的过渡态过程如图5所示。当桨角为33°—20°—35°时，燃气轮机的功率相对转速为1.000—0.899—1.030。

桨角从33°突然到20°和桨角从20°突然到35°时，燃气轮机性能参数的变化如图6所示。当桨角突然从33°到20°时，燃气轮机的功率、效率和燃烧室出口温度都减小；当桨角突然从20°到35°时，燃气轮机相对热效率瞬间降低0.23，相对燃烧室出口温度瞬间升高0.15，相对喘振裕度瞬间降低0.21。

4 结论

基于SIMULINK平台搭建了分轴燃气轮机进行稳态、过渡态仿真的数学模型，与已有性能模拟FORTRANS模型的计算结果进行了对比，二者模拟结果规律相同。利用该模型进行了燃气轮机-螺旋桨共同工作动态仿真，在燃气轮机性能曲线网图和压气机特性线图中得到燃气轮机工作过程，分析了螺旋桨角度瞬态变化对燃气轮机性能参数的影响。该分轴燃气轮机模型计算结果合理，应用方便，但还需在以后的工作中校准验证。

[1] 库拉金BB.航空发动机及动力装置理论计算和设计[M].北京:机械工业出版社，2003.

[2] 陈国钧,曾凡明.现代舰船轮机工程[M].长沙:国防科技大学出版社，2001.

[3] Camporeale S M,Fortunato B,Mastrovito M.A High-fidelity Real-time Simulation Code of Gas Turbine Dynamics for Control Application[R].Proceedings of ASME Turbo Expo 2002,GT-2002-30039.

[4] Changduk Kong,Hongsuk Roh and Kangtaek Lim.Steady-state and Transient Simulation of Turboprop Engine Using Simulink Model[R].Proceedings of ASME Turbo Expo 2003,GT2003-38181.