船用燃气轮机加速过程控制参数寻优
船舶动力系统：第4章 船舶燃气轮机2
压气机的喘振 surge
喘振：透平式压缩机在流量减少到一 定程度时所发生的一种非正常工况下 的振动
当转速一定，流量减小到最小值时出 口压力会突然下降，管道内压力反而 高于出口压力，于是被输送介质倒流 回机内，直到出口压力升高重新向管 道输送介质为止；当管道中的压力恢 复到原来的压力时,流量再次减少,管道 中介质又产生倒流，如此周而复始
转子8由外力拖动作高速旋转，固定在转子 上的动叶片2将气流推动，使之大大加速， 外界机械能功转换成气流动能
高速气流流经固定在机壳上的静叶片3 间的流道，由流道形状控制，流速降 低，压力增加。气流动能转换成压力 能
气体连续流经压气机的各个工作级， 逐级压缩升压。最后经扩散器7，进一 步利用降速升压 终态参数为p2及T2、流速为c2的高压气 体，从排气管排出压气机
曲线上各个转速下对
应的发生喘振的流量
连线
转速一定，随着流量 减少，增压比和效率 先是提高，到某一流 流量 量时效率达量最大。 当流量继续减少时， 离心式压气机的增压 比和效率开始下降
P63图4-11
运行工作线：效率、压比、质量流 量综合最佳
实际运行尽可能靠近该条线，才能 与涡轮机匹配好
离心压气机最小流量受喘振工况的限制， 最大流量受阻塞工况的限制
空气通过轴流压气机不断受到压缩，空 气比容减小、密度增加 轴流压气机的通道截面积逐级减小，呈 收敛形
轴流压气机广泛用于燃气轮机装置、 高炉鼓风、空气分离、天然气液化、
重油催化等装置中压送空气和其他 气体
轴流式压气机结构示意图
轴流式压气机结构示意图
止推轴承
静叶片
动叶片
轴端密封 联轴器
支撑轴承 收缩器
在小流量时，轴流式压气机因后面几 级叶片很短效率低于离心式
军舰动力装置概况——燃气轮机
军舰动力装置概况——燃气轮机美国FT-8舰用燃气轮机(一)研制背景和研制打算FT-8燃气轮机由普拉特?惠特尼(P&W)公司的JT8D-219航空涡扇发动机派生。
JT8D-219是JT8D系列中的最新型号，1985年开始投入使用。
研制时充分利用了FT-4燃气轮机的成功体会，并移植了普拉特?惠特尼公司的PW2037和PW4000航空发动机的先进技术。
在设计上突出了机组的高效率、高寿命和高可靠性。
JT8D系列是一型成熟的航空发动机，20余年来已生产14000余台，并装在3000多架民航飞机上，如波音727、737、DC-9、MD-82等。
累计运行了两亿八千五百万飞行小时，平均单台寿命超过1 8000h。
FT-8是1986年开始设计的。
派生时将低压压气机改为8级，前两级用JTSD的风扇改成，第3级至第8级除对第3级压气机叶型作修改外，其他5级不变。
进口导流叶片与前2级静子叶片可调。
高压压气机共7级，7级高压压气机不变，重新设计了燃烧室和燃料系统。
高、低压涡轮叶片加大了冷却，并设计了涡轮间隙操纵结构。
动力涡轮4级，涡轮效率93．6％，燃气轮机总效率38．7％，是当代同等功率燃气轮机中最高的。
(二)系统组成和要紧性能FT-8燃气轮机由进气道、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮、排气装置和操纵系统等部套组成。
高压涡轮。
单级轴流式。
涡轮叶片和导向叶片为气冷，涡轮叶片材料为MAR-M-247，导向叶片为MAR-M-509，轮盘为In718。
叶片涂层为N iCoCrAly。
低压涡轮。
2级轴流式，第1级气冷。
所有叶片材料皆为MAR-M-247，轮盘皆为Was-paloy。
除第2级导向叶片涂层为PtAl外，其余叶片涂层皆为NiCoCrAly。
动力涡轮。
4级轴流式，叶片材料除第3和第4级导向叶片为In7 18外，皆为In738。
轮盘为Ing01。
第1和第2级涡轮叶片及导向叶片涂层为PW A73铝硅，轴采纳PW All0铝涂层。
基于数据驱动的船用燃气轮机推进系统健康状态评估
通过计算统计指标，如平均值、方差 、协方差等，对船用燃气轮机推进系 统的性能参数进行分析，评估其健康 状态。
基于机器学习的方法
分类算法
利用分类算法，如支持向量机、决策树、随机森林等，对船用燃气轮机推进系统的性能参数进行分类，评估其健 康状态。
聚类算法
利用聚类算法，如K-均值聚类、层次聚类等，对船用燃气轮机推进系统的性能参数进行聚类分析，评估其健康状 态。
数据融合
将多个传感器的数据进行融合，得到更全面、准确的数据。
数据质量评估与校验
数据质量评估
采用统计方法、机器学习算法等对数据质量进行评估，如数据的稳定性、可靠 性等。
数据校验
对采集到的数据进行校验，确保数据的准确性和完整性。同时，对数据进行备 份和恢复，防止数据丢失或损坏。
03
特征提取与模型构建
数据采集设备
包括温度传感器、压力传感器、振动 传感器等，以及数据采集卡和相应的 软件，实现对船用燃气轮机推进系统 运行数据的实时采集和处理。
数据预处理技术
数据清洗
对采集到的原始数据进行清洗，去除异常值和噪声数据，提高数 据质量。
数据变换
将原始数据进行变换，如归一化、标准化等，使数据具有可比性 和可分析性。
燃气轮机的主要组成部分包括燃烧室、压气机、涡轮机等，其工作原理是通过燃料 燃烧产生高温高压气体，推动涡轮机转动，从而产生动力。
燃气轮机在船舶领域的应用广泛，主要用于大型军舰、巡逻艇、渡轮等。
健康状态评估的重要性
船用燃气轮机推进系统是一个复杂、高 价值的设备，其运行状态直接影响到船 舶的安全和性能。
06
结论与展望
研究成果总结
建立了基于数据驱动的船用燃气轮机推进系统健康状态评 该方法利用传感器采集的实时数据，通过估数…据挖掘和模式识别技术，对船用燃气轮机推
海上平台燃气轮机燃料及转速控制应用分析
海上平台燃气轮机燃料及转速控制应用分析摘要:简述燃气轮机的燃料及转速控制原理，阐明了燃气轮机燃料气多重控制模式下的最小偏差选择机制的应用和原理。
content abstract :This paper briefly describes the fuel and speed control principle of gas turbine, and expounds the application and principle of the minimum deviation selection mechanism under the multiple control mode of fuel gas of gas turbine.关键词:燃气轮机；控制模式；燃料控制；升速原理Key words: gas turbine; Control mode; Fuel control; Speed raising principle引言离心式压缩机由于运行效率高、适用介质广泛等多种优越性在各行各业中得以广泛的应用，如石油、天然气、化工、制冷、冶金等诸多领域。
燃气轮机制造工艺复杂，叶轮材质及加工工艺更是工业进程中的里程碑，随着我国工业技术水平的稳步提升，为了促进相关制造技术的进化迭代更新，燃气轮机燃料控制实验及运行实验数据采集等方面显得尤为重要。
从设备运行层面分析，基于燃气轮机燃料控制模式的理论模型及应用占据相当大的技术比重，且机组燃料计算、燃料控制及保护模式及其燃料运算与转速控制原理就显得尤为重要。
本文中以某海上天然气生产装置的燃气轮机的转速无法提高故障案例为契机，深入分析燃气轮机的燃料控制原理以及燃料控制相关的调速故障的逻辑机理[1]。
一、设备故障概况及背景某海上天然气生产装置应用有三台串联的索拉T70天然气透平压缩机，其负责动力输出的燃气轮机部分出现机组转速（NGP）无法调高于94.0%（满载15000转/分）的状况。
舰船燃气轮机气路测量参数的理论选择方法
绝对湿度：表示每立方米空气中含 有的水蒸气质量，单位为g/m³。
露点温度：表示空气中的水蒸气开 始凝结成水珠的温度，是水蒸气相 变的转折点。
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相对湿度：表示空气中的水蒸气分 压与相同温度下饱和水蒸气分压的 比值，用百分比表示。
湿空气密度：表示湿空气中空气的 质量与湿空气总体积的比值，单位 为kg/m³。
测量误差：由 于环境温度、 压力等因素影 响，测量误差
较大
适用场合：适用 于各种环境下的 气体湿度测量， 如工业管道、烟
气排放等
气路测量参数的 测量误差分析
温度测量误差分析
测量原理：基于热电偶 或红外辐射原理，可能 受到环境温度和测量角 度的影响。
误差来源：包括传感器误 差、信号传输误差和数据 处理误差等，可能导致测 量结果偏离实际值。
气路测量参数的 选择原则
准确性原则
测量参数的选择 应基于实际需求 和设备性能，确 保测量结果的准 确性和可靠性。
在选择测量参数 时，应充分考虑 燃气轮机的特性 和运行工况，以 确保测量结果的 准确性和可靠性。
应选择具有高 灵敏度和低误 差的测量参数， 以获得更准确 的测量结果。
在选择测量参数 时，应考虑其对 燃气轮机性能的 影响，以获得更 准确的测量结果。
气路测量参数的 理论计算方法
温度参数的理论计算方法
计算公式：根据气体的性质和状态方程，通过计算公式得出温度参数。
影响因素：气体的压力、体积、物质的量等对温度参数有显著影响。
测量方法：采用温度传感器进行测量，需要考虑传感器的精度和稳定性。
应用场景：温度参数在舰船燃气轮机的气路测量中具有重要意义，对于发动机的性能评估和故障 诊断具有关键作用。
燃气轮机透平叶片参数化设计及优化
析和方差分析。直观分析就是根据试验的结果分析试验
值随着因素水平的变化而变化的趋势，直观的找出使得
试验目标最优的因素水平的组合
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透平叶片优化设计
响应面方法（RSM）
RSM就是寻求响应和因子集合之间的真实函数关系的一个合适的逼近式。 如果响应适合于因子的线性函数模型，则近似函数是一阶模型: 如果响应非线性，则必须用更高阶的多项式，例如二阶模型:
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透平叶片优化设计
案例
参与正交试验设计的变量为: 其余参数L，a1，和a2取值与原始叶型相同。
和叶片数z，它们的水平设置如表所示，
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透平叶片优化设计
案例
①任一列的所有水平的重复数 相同;②任两列的所有可能的水 平组合的重复数相同。凡满足 这两个条件的表就可以称为正 交表。
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透平叶片参数化表达
二维叶形
控制厚度分布的各参数意义如下: —前缘厚度，定义为中弧线前缘
点圆半径尺与L的比值; —尾缘厚度，定义为中弧线尾缘
点圆半径凡与L的比值; —最大厚度，定义为中弧线上最
大圆的半径凡与L的比值; —最大厚度位置，定义为前缘点
到最大圆圆心的轴向距离瓜与轴向弦 长L的比值;
叶片设计及优化
正问题法
己知叶栅的几何参数，要求解出流场，求得叶片表面的速度、压力等分布。 正问题方法设计叶片，就是利用正问题的计算结果修改几何参数，反复进 行正问题计算直到获得满意的气动参数分布为止。
反问题法
给定叶片表面的压力分布，通过数值方法反求得叶片的几何形状。
数值优化设计 通常需要在某种叶片参数化表达基础之上，通过流场模拟及优化算法，确
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轮机导论-第3讲-船舶动力装置- 舰船燃气轮机装置
轻巧，在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。
而柴油机由于转子运动源于活塞的往复，加速较慢，蒸
汽轮机更是“反应迟钝”，整个系统达到最高功率输出
可能需要长达一小时的时间。而启动速度，对于军舰的
气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。由于燃
图2-10 燃气轮机装置简单热力循环示意图
2、循环参数关系
理想压气机所消耗的功在P-V图上用面积12651来代表，即 lC=面积12651=i2 - i1 在进行绝热等熵膨胀过程中，工质所作功在P-V图上可用面积 34563来代表，即 lT=面积34563=i3 - i4
装置的循环有用功，即膨胀和压缩功之差，在P-V图上可用封 闭过程线所围面积12341来代表，即： T4 T2 lO lT lC 面积 12341 C P T3 (1 ) C P T1 ( 1) T3 T1
6 ）舰船燃气轮机的运行可靠性较好，其翻修寿命 有的已能达到 10000 小时以上。由于机组本身的重量尺 寸比较小，容易实现快速更换。这样就大大提高了舰船 的实际服役率。同时，也大大简化了舰上的维修保养工 作，有利于减少在舰人员； 7 ）与蒸汽轮机和柴油机动力装置相比，燃气轮机 的滑油消耗量比较低。目前已达1~5kg/h，故滑油储存舱 较小； 8 ）正由于燃气轮机轻巧，又容易实现全自动化监 控和远距离集中控制，故一般均将机组置于密闭机罩内 ，以利隔音、隔热、防化、防原，从而改善了机舱工作 条件。
i 4 i1 T4 T1 t 1 1 1 i3 i 2 T3 T2 q1 q2
由于1-2和3-4是绝热过程
T2 P2 ( ) T1 P1
K 1 K
及
燃气轮机与联合循环(第13课 燃气轮机的控制)
+ (Pgt )c 燃气轮机
+
Pgto
agt
+ Po
+-
+
Kst
(Pst )c
汽轮机
Psto
（a）
（b）
Kgt
+ (Pgt ) c + +-
燃气轮机
Pgto
Pc
agt ast
+ Po
+
+-
Kst
+
汽轮机
Psto
+ (Pst )c
（c）
功率测量元件
位置测量元件
燃料阀位 控制子回路
功率控制主回路
（1）暂态漂移过程
——暂态一次调频
（2）自动校正过程
——解除一次调频
3．功率与频率联合扰动下的自动调节
——基本等同于两个过程的简单叠加
4．内扰作用下的自动调节
如燃料压力、热值变化
Vcm VcT
n
Vw
功
(Pgt )c
(Pgt )
率 调
nc
(Pgt )h
a0 -
ncor ncor Kn
组
位置测量元件
IGV角度 控制子回路
n 转速测量元件 IGV防喘振控制主回路
温度测量元件
IGV辅助温控主回路
五、燃气轮机的DLN燃烧控制
➢任务：分配燃料→燃烧效率、稳定性，抑制 N O x
ASV
pf SRV
GCV1
至D5
至PM1 GCV2
GCV3 （a）
至PM4
PM4
防喘振调节器 （P）
a0 -
ncor ncor Kn