董瑜，韓曉光，聶海剛

（沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)被廣泛用作航空、艦船和電站系統(tǒng)中的動(dòng)力機(jī)械。用于艦船推進(jìn)系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)單位功率的質(zhì)量輕、起動(dòng)迅速、操縱方便，自動(dòng)化程度高。艦船用燃?xì)廨啓C(jī)的基本功能之一是提供足夠的功率以驅(qū)動(dòng)螺旋槳，使其產(chǎn)生必需的推力，確保艦船達(dá)到要求的航速。在“船-槳-機(jī)”的推進(jìn)模塊中的功率匹配中，不僅要在額定點(diǎn)滿(mǎn)足約束條件，而且對(duì)最低航速以及相應(yīng)于前進(jìn)1～4的航速，最小倒車(chē)功率等也要滿(mǎn)足要求。采用調(diào)距槳，可使上述情況均能滿(mǎn)足要求[2]。

在燃?xì)廨啓C(jī)研制中，仿真可以縮短其研制周期、節(jié)省研制成本、減少實(shí)際試車(chē)的危險(xiǎn)；可以獲得全部參數(shù)，包括實(shí)際試車(chē)時(shí)難以測(cè)量的參數(shù)。因此，建立燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)性能仿真數(shù)學(xué)模型，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試都具有重要意義。

本文建立了分軸燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)性能仿真數(shù)學(xué)模型，并比較已有模擬燃?xì)廨啓C(jī)性能的FORTRANS模型的計(jì)算結(jié)果，在已經(jīng)搭建平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)瞬態(tài)改變螺旋槳角度，得到了分軸燃?xì)廨啓C(jī)性能變化規(guī)律。

2 燃?xì)廨啓C(jī)模型及驗(yàn)證

基于SIMULINK平臺(tái)建立了分軸燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)性能仿真模型，如圖1所示。此模型是由每個(gè)部件按流路搭接起來(lái)的氣動(dòng)熱力模型，包括進(jìn)氣裝置、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、分流、混合、容腔、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性等模塊。各模塊具體計(jì)算如下。

2.1 氣體熱物理性質(zhì)

由于燃?xì)廨啓C(jī)各流路系統(tǒng)中的溫度和油氣比差異很大，所以在燃?xì)廨啓C(jī)氣路模型中考慮了比熱隨溫度和氣體組分的變化。這樣促使燃?xì)廨啓C(jī)模擬的設(shè)計(jì)點(diǎn)、非設(shè)計(jì)點(diǎn)以及過(guò)渡態(tài)的模擬更加準(zhǔn)確可靠。

2.2 壓氣機(jī)和容積慣性模塊

應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)特性圖進(jìn)行2維插值，壓氣機(jī)效率和換算流量可以看作是壓氣機(jī)壓比和換算轉(zhuǎn)速的函數(shù)。壓氣機(jī)采用級(jí)間和級(jí)后放氣，應(yīng)用壓氣機(jī)模塊中放置的SPLITER模塊，選擇在相對(duì)焓比一定的位置級(jí)間放氣，級(jí)后采用在壓氣機(jī)出口處放置SPLITER模塊進(jìn)行放氣。壓氣機(jī)內(nèi)氣體壓縮后總溫為

出口總溫是在進(jìn)口總溫基礎(chǔ)上，應(yīng)用壓比求得等熵溫增后，考慮壓氣機(jī)效率而得到的。壓氣機(jī)消耗的功通過(guò)2部分相加得到，一部分是考慮級(jí)間引氣部分在引氣前消耗的功，另一部分是考慮壓氣機(jī)引氣后，氣流在整個(gè)壓氣機(jī)壓縮過(guò)程中所消耗的功。

容積模塊放置在壓氣機(jī)后，應(yīng)用質(zhì)量守恒定律得到

式中：V為壓氣機(jī)容腔；考慮壓氣機(jī)內(nèi)沒(méi)有能量累積，溫度T保持進(jìn)口不變；P為壓氣機(jī)出口壓力；Gin、Gout為進(jìn)、出口質(zhì)量流量。

2.3 燃燒室模塊

燃燒室模塊是能量累積的模塊。能量守恒方程如下

式中：Gin、Gout為燃燒室進(jìn)、出口空氣流量；hin、hout為燃燒室進(jìn)、出口比焓；Gb為燃油流量；LHV為燃油低熱值。

2.4 渦輪及其冷卻模塊

渦輪系統(tǒng)分為靜子冷卻系統(tǒng)、膨脹過(guò)程和轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)。靜、轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)通過(guò)MIXEE模塊實(shí)現(xiàn)。高壓渦輪靜、轉(zhuǎn)子引用高壓壓氣機(jī)出口的氣流，動(dòng)力渦輪靜、轉(zhuǎn)子引高壓壓氣機(jī)級(jí)間引氣。應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)特性圖進(jìn)行2維插值，渦輪效率和換算流量看作渦輪膨脹比和換算轉(zhuǎn)速的函數(shù)。渦輪內(nèi)氣體膨脹后總溫為

出口總溫是在進(jìn)口總溫基礎(chǔ)上，應(yīng)用膨脹比求得等熵溫降后，考慮渦輪效率得到的。

2.5 轉(zhuǎn)動(dòng)慣性模塊

應(yīng)用功率為角加速度和角速度的乘積，慢車(chē)以上平衡關(guān)系表達(dá)為

式中：Pt為渦輪功；Pc為壓氣機(jī)功；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為角速度。

2.6 與FORTRAN模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

FORTRAN程序模型可以用于計(jì)算帶或不帶調(diào)節(jié)系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)或過(guò)渡態(tài)性能。按照氣體氣動(dòng)熱力過(guò)程，通過(guò)組合的子模塊來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作，輸出發(fā)動(dòng)機(jī)推力或功率，燃油消耗量，單位燃料消耗率等總性能數(shù)據(jù)。同時(shí)可有選擇地輸出各部件性能的詳細(xì)數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)各截面氣體性質(zhì)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

應(yīng)用FORTRAN程序模型模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)給定1、3、7 s，從0.87加速到1.00后燃燒室出口相對(duì)溫度、輸出功率、油量和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，如圖2所示。仿真模型模擬發(fā)動(dòng)機(jī)控制給定1、3、7 s時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)?.87加速到1.00時(shí),得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、燃燒室出溫度和油量動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，如圖3所示?？梢钥吹蕉吣M結(jié)果規(guī)律相同，數(shù)值接近。

3 變槳角對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響

燃?xì)廨啓C(jī)的工作狀態(tài)是與艦船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、自然狀態(tài)以及螺旋槳的工作狀態(tài)密切相關(guān)的。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率通過(guò)后傳動(dòng)裝置傳遞給螺旋槳，螺旋槳產(chǎn)生的推力傳給艦體，使艦體運(yùn)動(dòng)。為了改善推進(jìn)性能、機(jī)動(dòng)性能或船-槳-機(jī)的匹配等，在某些艦船上采用可調(diào)螺距螺旋槳。

1個(gè)可調(diào)螺距螺旋槳的作用就相當(dāng)于1組不同螺距比的普通螺旋槳。在保持主機(jī)轉(zhuǎn)速不變的條件下，通過(guò)操縱變距機(jī)構(gòu)來(lái)改變船速。大多數(shù)主機(jī)的轉(zhuǎn)速均高于螺旋槳的最佳轉(zhuǎn)速范圍，需將減速齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)速降到螺旋槳所需轉(zhuǎn)速。因此按照具體對(duì)象確定齒輪箱的減速比。

模擬了動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速不變的情況下，當(dāng)槳角突然變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響。模擬槳角變化燃?xì)廨啓C(jī)輪機(jī)在性能曲線(xiàn)網(wǎng)中的過(guò)渡態(tài)過(guò)程如圖4所示。當(dāng)槳角從33°到20°時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速?gòu)?.000到0.899；當(dāng)槳角從20°到35°時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速?gòu)?.899到1.030。當(dāng)槳角減小時(shí)，負(fù)載功率瞬間減小，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速瞬間增大，但由于受動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速的限制，燃?xì)廨啓C(jī)基本在等動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速下降低狀態(tài)。當(dāng)槳角增大時(shí)，負(fù)載功率瞬間增大，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速瞬間減小，但由于受槳角-負(fù)載功率線(xiàn)的限制，燃?xì)廨啓C(jī)沿著槳角為35°的槳角-負(fù)載功率線(xiàn)提高狀態(tài)。

性能曲線(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)換到壓氣機(jī)特性線(xiàn)上后,得到的變槳角燃?xì)廨啓C(jī)的過(guò)渡態(tài)過(guò)程如圖5所示。當(dāng)槳角為33°—20°—35°時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的功率相對(duì)轉(zhuǎn)速為1.000—0.899—1.030。

槳角從33°突然到20°和槳角從20°突然到35°時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)的變化如圖6所示。當(dāng)槳角突然從33°到20°時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的功率、效率和燃燒室出口溫度都減??；當(dāng)槳角突然從20°到35°時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)熱效率瞬間降低0.23，相對(duì)燃燒室出口溫度瞬間升高0.15，相對(duì)喘振裕度瞬間降低0.21。

4 結(jié)論

基于SIMULINK平臺(tái)搭建了分軸燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、過(guò)渡態(tài)仿真的數(shù)學(xué)模型，與已有性能模擬FORTRANS模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者模擬結(jié)果規(guī)律相同。利用該模型進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)-螺旋槳共同工作動(dòng)態(tài)仿真，在燃?xì)廨啓C(jī)性能曲線(xiàn)網(wǎng)圖和壓氣機(jī)特性線(xiàn)圖中得到燃?xì)廨啓C(jī)工作過(guò)程，分析了螺旋槳角度瞬態(tài)變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)的影響。該分軸燃?xì)廨啓C(jī)模型計(jì)算結(jié)果合理，應(yīng)用方便，但還需在以后的工作中校準(zhǔn)驗(yàn)證。

[1] 庫(kù)拉金B(yǎng)B.航空發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力裝置理論計(jì)算和設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 陳國(guó)鈞,曾凡明.現(xiàn)代艦船輪機(jī)工程[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)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.