间冷循环燃气轮机性能优化与仿真研究

论文摘要

大功率船用燃气轮机是当前船舶动力装置的发展趋势。在已有三轴燃气轮机的基础上进行系统较简单的间冷改造,可以缩短研发周期,减少研发费用,又能在发动机总体性能上有所跃升。本文研究燃气轮机在间冷改造后各项性能的变化情况,为大功率船用燃气轮机间冷循环的设计与研制提供有效的技术支撑。对间冷器进行了热力设计,基于遗传算法对其结构尺寸进行了优化,使其满足换热性能、阻力损失要求的前提下质量最小。基于遗传算法对间冷循环燃气轮机设计点参数进行了优化。采用中间特征级法对低压压气机特性进行了计算；并用偏最小二乘法对高低压压气机特性线进行了拟合。基于模块化建模思想,建立间冷循环燃气轮机各部件的相关数学模型。在MATLAB/SIMULINK仿真平台上建立间冷循环燃气轮机部件及总体仿真模型。对间冷循环燃气轮机的稳态性能进行了仿真与分析。对间冷器稳态和动态性能进行了仿真研究；研究了间冷器工作转换时,间冷循环燃气轮机分别用于驱动螺旋桨负载和电力负载的动态响应特性；初步探讨研究了压气机放气数学模型,设计了甩负荷放气控制模式,对甩负荷时放气过程进行了仿真研究。通过仿真研究,得出间冷循环燃气轮机相对简单循环燃气轮机比功率得到显著提高,效率略有提升；间冷器出口温度随进口参数变化较为平稳；间冷器工作转换时燃气轮机只能在较低工况运行,维持供油量不变,间冷器从工作转换至不工作时燃气轮机功率将增大,反之减小。甩负荷时,动力涡轮转速超调量随放气量的增大而减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外发展状况
• 1.2.1 间冷（间冷回热）循环燃气轮机在国外的发展与应用
• 1.2.2 间冷（间冷回热）循环燃气轮机在国内的发展与应用
• 1.3 燃气轮机性能优化方法与仿真技术的发展与运用
• 1.3.1 燃气轮机性能优化方法的发展与应用
• 1.3.2 燃气轮机性能仿真技术的发展与运用
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 间冷循环燃气轮机数学模型
• 2.1 前言
• 2.2 间冷循环燃气轮机部件数学模型
• 2.2.1 压气机数学模型
• 2.2.2 涡轮数学模型
• 2.2.3 燃烧室数学模型
• 2.2.4 容积模块数学模型
• 2.2.5 转子数学模型
• 2.2.6 中间冷却器数学模型
• 2.2.7 负载数学模型
• 2.2.8 调速器的数学模型
• 2.3 工质数学模型
• 2.3.1 空气的热力性质
• 2.3.2 燃气的热力性质
• 2.4 压气机特性线处理
• 2.4.1 压气机特性计算方法
• 2.4.2 基于中间特征级法的压气机特性预测
• 2.4.3 压气机特性辨识
• 2.5 涡轮特性处理
• 2.6 本章小结
• 第3章 中间冷却器优化设计
• 3.1 前言
• 3.2 间冷器参数的初步设计计算
• 3.2.1 间冷器结构特点
• 3.2.2 传热与阻力计算
• 3.2.3 初步设计计算结果及分析
• 3.3 基于遗传算法间冷器结构优化
• 3.3.1 遗传算法的基本思想
• 3.3.2 遗传算法运算过程
• 3.3.3 目标函数
• 3.3.4 优化变量
• 3.3.5 约束条件
• 3.4 优化结果及分析
• 3.5 间冷器特性仿真
• 3.5.1 间冷器稳态特性仿真研究
• 3.5.2 间冷器动态特性仿真研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 间冷循环燃气轮机性能优化
• 4.1 前言
• 4.2 间冷循环燃气轮机设计点性能优化
• 4.2.1 间冷循环燃气轮机热力计算过程
• 4.2.2 稳态设计点参数优化
• 4.3 间冷燃气轮机性能优化结果及分析
• 4.3.1 单目标优化
• 4.3.2 多目标优化
• 4.4 本章小结
• 第5章 间冷循环燃气轮机性能仿真研究
• 5.1 前言
• 5.2 间冷循环燃气轮机仿真模型
• 5.2.1 压气机模型
• 5.2.2 涡轮模型
• 5.2.3 燃烧室模型
• 5.2.4 容积模块模型
• 5.2.4 转子模型
• 5.2.5 中间冷却器模型
• 5.2.6 调速器的模型
• 5.2.7 燃气轮机本体动态仿真模型
• 5.3 间冷燃气轮机稳态仿真结果及分析
• 5.3.1 间冷燃气轮机稳态仿真结果
• 5.3.2 仿真结果对比分析
• 5.4 间冷器对燃气轮机性能影响仿真
• 5.4.1 机械推进机组间冷器工作转换对燃气轮机性能影响仿真
• 5.4.2 发电机组间冷器工作转换对燃气轮机性能影响仿真
• 5.5 间冷燃气轮机发电机组突甩负荷放气仿真初步研究
• 5.5.1 放气数学模型
• 5.5.2 甩负荷压气机放气控制
• 5.5.3 甩负荷放气仿真
• 5.6 本章小结
• 结论
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 参考文献
• 致谢