燃气轮机在线状态建模与仿真研究

不同供油规律下的燃气轮机加速过程仿真

Ｋｅｏｄｓｇｓｔｒｎｙｗｒ：ａｕｂｉｅ；ｓｍｕａｉｎ；ｒｇｌｒｔｆｏｌｓｐｌｉｌｔｏｅｕａｉｙｏｉｕｐｙ
０引言
燃气轮机是一种新型动力机械，目前广泛应用于航空、舰船以及电站系统中。燃气轮机是一种非线性
第３２卷第３期２１源自０年３月舰船
科
学
技
术
Ｖｏ．２，Ｎｏ３１３．
Ｍａ．，２０ｒ０１
ＳＩＨＰＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ
不同供油规律下的燃气轮机加速过程仿真
石恒。龚建政，潘艳东
（．１海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉４０３；．９５５部队，宁大连１６４）３０３２１５辽１０１
２Ｕｉ９５５Ｄｌｎ１６４，ｈｎ）．ｎｔ１５，ａｉ０１Ｃｉａａ１
Ａｂｓｒｃ：ＴｈｅｉｉｉｆｇｓｔｂｎｓｄｔｒｉｄｂｈｅｕａｉｆｏｌｓｐｙａｄｄｆｒｎｔａｔｅｆｘｂｌｙｏａｕｒｉｅｗａｅｅｍｎｅｙｔｅｒｇｌｒｔｏｉｕｐｌｎｉｅｅｔｌｔｙｆｒｇｌｒｔａｏｆｅｔｏｈｅｆｒｎｃｆｇｓｔｒｉｅＩｒｅｏｓｕｙｔｅｅｆｃｉｈｄｆｒｎｅｕａｉｈｓａｌｔｅｆｃｎｔｅｐｒｏｍａｅｏａｕｂｎ．ｎｏｄｒｔｔｄｈｆｅｔｗｈｃｉｅｅｔｙｆ

燃气轮机的动态响应特性研究

燃气轮机的动态响应特性研究燃气轮机作为一种先进的动力装置，在能源、航空、工业等领域发挥着重要作用。

其动态响应特性直接关系到系统的稳定性、可靠性和性能优化。

本文将对燃气轮机的动态响应特性进行深入探讨。

一、燃气轮机的工作原理与基本结构要理解燃气轮机的动态响应特性，首先需要了解其工作原理和基本结构。

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成。

压气机负责吸入并压缩空气，增加空气的压力和温度。

燃烧室中，高压高温的空气与燃料混合燃烧，产生高温高压的燃气。

涡轮则利用燃气的膨胀做功，带动压气机和外部负载旋转。

这三个部件相互配合，形成一个连续的能量转换过程。

然而，在实际运行中，由于各种因素的影响，燃气轮机的工作状态会不断变化，其动态响应特性也就显得尤为重要。

二、影响燃气轮机动态响应的因素（一）燃料供应燃料的供应速度和供应量的变化会直接影响燃烧室内的燃烧过程，从而影响燃气轮机的输出功率和响应速度。

如果燃料供应不稳定或响应不及时，可能导致功率波动甚至停机。

（二）负载变化外部负载的突然增加或减少会对燃气轮机的运行产生巨大冲击。

例如，在电网中，当用电量突然增大时，燃气轮机需要迅速增加功率输出以满足需求；反之，用电量减少时则需要快速降低功率。

（三）部件性能压气机、燃烧室和涡轮等部件的性能变化也会影响燃气轮机的动态响应。

例如，压气机的喘振、涡轮叶片的磨损等，都可能导致整个系统的响应变慢或不稳定。

（四）控制系统一个高效、精确的控制系统对于燃气轮机的动态响应至关重要。

控制系统能够根据各种参数的变化，及时调整燃料供应、进气量等，以保证燃气轮机的稳定运行和快速响应。

三、燃气轮机动态响应的建模与分析方法为了深入研究燃气轮机的动态响应特性，需要建立相应的数学模型。

常见的建模方法包括机理建模和实验建模。

机理建模基于燃气轮机的工作原理和物理规律，通过建立一系列的微分方程和代数方程来描述系统的动态特性。

这种方法能够从本质上揭示系统的内在规律，但建模过程较为复杂，需要对燃气轮机的结构和工作过程有深入的了解。

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真1. 引言1.1 燃气燃烧仿真概述燃气燃烧仿真是一种利用计算机模拟软件对燃气燃烧过程进行模拟和分析的技术。

通过对燃烧理论和模型的研究，结合ANSYS等仿真软件的应用，可以实现对燃气燃烧过程的精确模拟，帮助工程师们更好地设计和优化燃气燃烧系统。

燃气燃烧仿真概述涉及到流体力学、传热学、化学反应动力学等多个领域的知识，通过建立合适的数学模型和边界条件，可以模拟燃气的流动、混合和燃烧过程，预测温度、压力、速度等参数的变化。

燃气燃烧仿真的应用领域涵盖了燃气轮机、内燃机、燃烧器等领域，对提高燃烧效率、降低排放和优化系统性能具有重要意义。

1.2 ANSYS在燃气燃烧仿真中的应用ANSYS在燃气燃烧仿真中的应用十分广泛。

由于其强大的计算能力和丰富的仿真功能，ANSYS能够有效地模拟燃气燃烧系统中涉及的复杂物理过程。

ANSYS可以用于分析燃气燃烧系统中的流体流动和热传导情况。

通过建立流体力学模型，结合燃烧反应的热释放情况，可以准确预测燃气在燃烧室中的流动状态和温度分布，为燃烧效率的提高提供重要参考。

ANSYS还可以模拟燃气燃烧过程中的化学反应。

通过建立化学反应动力学模型，可以分析燃料和氧气在燃烧过程中的反应路径和物质转化规律，进而优化燃烧系统的设计和操作参数。

ANSYS还可以用于燃气燃烧系统的参数优化。

通过多次仿真运算，可以寻找最优的燃烧参数组合，提高燃烧系统的稳定性和能效，减少排放物的产生。

ANSYS在燃气燃烧仿真中的应用为燃气燃烧技术的发展提供了强大的工具和支持，有助于提高燃烧系统的性能和环保性能，推动燃气燃烧技术的进步。

2. 正文2.1 燃烧理论与模型燃烧理论与模型是燃气燃烧仿真中的基础和核心部分。

燃烧是指可燃物质与氧气在一定条件下发生的化学反应，释放出热能和光能。

在燃烧过程中，燃料与氧气通过各种反应生成燃烧产物，包括二氧化碳、水蒸气、氮氧化物等。

各种燃烧反应的速率和方式受到许多因素的影响，如温度、压力、混合比等。

燃气轮机的产热数学模型

燃气轮机的产热数学模型
燃气轮机的产热数学模型可以建立在以下几个方面：
1. 燃气轮机热力循环模型：
燃气轮机热力循环模型考虑燃气轮机内部的热力过程,分析燃烧室的燃烧与废气的排放,以及燃气轮机的内部温度、压力等参数的变化和它们之间的相互作用,得出燃气轮机的产热模型。

2. 燃烧与燃气特性模型：
燃气轮机的产热模型还考虑燃料燃烧的特性,以及燃气组分和燃气特性,燃气轮机内部的燃烧过程通过热力循环模拟燃气的变化,得出燃气轮机内部的热流量、功率、效率等参数。

3. 涡轮机特性模型：
涡轮机的特性也是影响燃气轮机产热的重要因素之一,可以通过分析涡轮机叶片的流态和空气动力学特性来推导和建立相关的热力学模型。

总之,燃气轮机的产热数学模型是一个综合性很强的系统,需要考虑多种因素的影响,包括燃料的品质、燃气轮机内部燃烧的特性、涡轮机的工作特性等等。

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真燃气燃烧仿真是一种通过计算机模拟燃气燃烧过程的方法，它可以帮助工程师们更好地理解和优化燃气燃烧过程。

目前，基于ANSYS的燃气燃烧仿真技术已经成为研究和工程实践中的重要工具之一。

本文将介绍基于ANSYS下的燃气燃烧仿真的原理、方法和应用。

燃气燃烧仿真的原理是基于燃烧流体力学原理和数值模拟方法。

燃烧流体力学原理是描述燃烧过程中流体、热量和化学反应之间相互作用的物理学原理。

数值模拟方法是将燃烧流体力学原理转化为数学模型，并通过计算机进行求解。

在基于ANSYS下的燃气燃烧仿真中，通常采用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和有限差分法。

有限元法通常用于模拟燃气燃烧过程中的结构变形和热应力分析；有限体积法通常用于模拟燃气燃烧过程中的热传导和流动；有限差分法通常用于模拟燃气燃烧过程中的化学反应和燃烧热释放。

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真通常包括以下几个步骤：1. 几何建模：首先需要对燃气燃烧装置的几何形状进行建模，包括燃烧室、燃烧器、进口和出口等。

在ANSYS软件中，可以使用CAD软件进行三维几何建模，然后将几何模型导入到ANSYS软件中进行后续仿真分析。

2. 网格划分：在几何建模之后，需要对几何模型进行网格划分。

网格划分是将整个几何模型分割成小的单元，以便于后续的数值计算。

在ANSYS软件中，可以使用网格划分工具对几何模型进行网格划分，通常会根据需要进行精细或粗略的网格划分。

3. 物理模型设定：在网格划分之后，需要设定燃气燃烧仿真的物理模型，包括流体模型、热传导模型和化学反应模型等。

在ANSYS软件中，可以通过设置不同的物理模型参数来描述燃气燃烧过程中的流体流动、热传导和化学反应。

4. 条件设定：在物理模型设定之后，需要设定燃气燃烧仿真的边界条件和初值条件，包括燃气燃烧过程中的进口条件、出口条件、壁面条件和初始条件等。

5. 求解计算：在条件设定之后，可以通过ANSYS软件进行数值计算求解。

航空发动机及燃气轮机整机性能仿真综述

收稿日期：2023-06-15基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：董威（1970），男，教授。

引用格式：董威，尹家录，郑培英，等.航空发动机及燃气轮机整机性能仿真综述[J].航空发动机，2023，49（5）：8-21.DONG Wei ，YIN Jialu ，ZHENG Peiying ，et al.Review:engine-level performance simulation of aeroengine and gas turbines[J].Aeroengine ，2023，49（5）：8-21.航空发动机Aeroengine航空发动机及燃气轮机整机性能仿真综述董威1，尹家录2，郑培英2，程显达1（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）摘要：整机总体性能仿真是航空发动机及燃气轮机仿真的重要组成部分，在航空发动机及燃气轮机的设计制造和使用全寿命周期内发挥着重要作用。

综合70多年来航空发动机及燃气轮机总体性能仿真的发展成果，梳理了各时期总体性能仿真的发展历程。

从基本方法、模型精细化、求解算法和修正方法等角度，分析了国内外以部件级模型为代表的基于物理机理的总体性能仿真方法研究现状；探讨了以人工神经网络、支持向量机和深度学习为代表的人工智能算法在总体性能仿真中的应用现状；介绍了机载模型、机理-数据混合模型和多维度模型基本方法和主要成果。

基于目前的研究成果和技术发展趋势，认为航空发动机及燃气轮机总体性能仿真应向物理机理模型更精细化、人工智能技术更深入和应用模型构建更为规范化的方向发展。

关键词：航空发动机；燃气轮机；总体性能；仿真；物理机理模型；人工智能；应用模型中图分类号：V231.1文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2023.05.002Review:Engine-level Performance Simulation of Aeroengine and Gas TurbinesDONG Wei 1，YIN Jia-lu 2，ZHENG Pei-ying 2，CHENG Xian-da 1（1.School of Mechanical Engineering ，Shanghai Jiao Tong University ，Shanghai 200240，China;2.AECC Shenyang Engine Research Institute ，Shenyang 110015，China ）Abstract ：Engine-level performance simulation is an integral aspect of aeroengine and gas turbine simulation,and plays a crucial role throughout the entire life cycle of design,manufacturing,and operation.This paper presents a comprehensive analysis of the development process of aeroengine and gas turbine performance simulation in each historical stage,building upon the accomplishments made over thepast 70years.The research status of physical mechanism performance simulation,primarily represented by the component-level model,was examined from various perspectives including basic methods,model refinement,solution algorithms,and correction methods.Further⁃more,the application of artificial intelligence algorithms,such as the artificial neural network,support vector machines,and deep learning,in engine-level performance simulation,was discussed.The paper also provided an overview of the fundamental methods and key achieve⁃ments of on-board models,mechanism-data hybrid models,and multi-dimensional models.Finally,based on current research findings andtechnological development trends,it is believed that the engine-level performance simulation of aircraft engines and gas turbines should de⁃velop towards a more refined physical mechanism model,deeper artificial intelligence technology,and more standardized application model construction.Key words ：aeroengine ；gas turbine ；engine-level performance ；simulation ；physical mechanism model ；artificial intelligence ；applica⁃tion model第49卷第5期2023年10月Vol.49No.5Oct.20230引言随着仿真技术的进步，航空发动机及燃气轮机的设计正逐渐从“试验设计”向“预测设计”转变。

船舶燃气轮机间冷循环

构成间冷循环燃气轮机系统仿真模块库的前提和基础
船舶间冷循环燃气轮机系统、子系统及各部件
任何动力学问题主要都是研究惯性系统在外力和外力矩作用下的运动。
间冷循环燃气轮机装置也是一个惯性系统，决定其热力系统动态特性的主要有各转动惯性、容积惯性和中间冷却器的热惯性。各个惯性环节的微分方程构成了间冷循环燃气轮机系统的动态和稳态计算的数学模型，而各部件的特性方程组和各部件之间的参数联系方程组构成了解此数学模型时所必备的必要的辅助方程组。
间冷循环燃气轮机总体性能仿真研究
指导教师：李淑英教授专业：动力机械及工程
硕士研究生：应雨龙
• 大功率先进燃气轮机是未来船舶动力的主要研究发展方向
• 我国在燃气轮机事业上起步较晚的实际情况，利用母型机改造大功率IC循环燃气轮机是目前可行且符合实际的发展方向
• 总体性能的设计、优化与控制策略是其改造所解决的关键技术之一
船舶燃气轮机间冷系统
用集总参数法建立的计算模型具有算法简单、实时性好的特点，所以被广泛应用在换热器性能的仿真计算中，但由于这种方法极大地忽略了在换热器中工质温度沿着流动方向的分布情况，因此在初始动态差异较大的情况下，单纯使用集总参数法对换热器进行动态仿真时容易会出现“畸” 点错误，导致偏离甚至违背真实的换热情形[91]。
本文综合了上述参考文献的建议，并在换热器中考虑了气体工质侧的容积效应，为建立更为准确的换热器仿真模型，并降低模型的复杂度，在理论分析中假定[82]：（1）冷侧和热侧流体的温度只考虑沿着流路方向变化，即类似于一维管流的情况。（2）在动态仿真过程中，换热器芯体金属壁面的储热系数不变。（3）液体工质通过换热器时质量流量保持不变，即可忽略换热器中液体侧工质的容积效应。

基于SIMULINK的气垫船三轴燃气轮机的动态仿真

燃气轮机中容积惯性远小于转动惯性，所以在仿真过程中可以忽略不计。轻型燃气轮机中一般也不设回热装置以及间冷设备，所以热惯性也可以忽略不计。根据以上假设建立推进系统数学模型为：
３０Ｌ，一ｒｃ：Ｌ一Ｌ
而出现。早在上世纪６年代，ｏ英国第一代实用型全垫升气垫船ＳＮ就采用一台“ Ｒ５地神” 燃气轮机为主
Байду номын сангаас
３ｄｒ —ＭＨ０ｔ一Ｍｕ一ＨＣｃ
：
、，（）１
￣ｅｅＭ —ｅＭ０＝ｐＭ—ｒ１ｎｒｄ
其中：为各个转子的扭矩；燃气发生器的高
低压轴扭矩Ｍ、Ｈ、Ｌ和ＭｃｒｕＭｃＭｒｔ由高低压轴转速装置主机，这是我国高性能船舶动力装置研究的一ｎ及燃油量决定，动力涡轮扭矩Ｍｒｐ决定于项重大突破。但是目前我国船用燃气轮机的研究还转速，ｔＴ及燃油量；ｎ，ｐ、ｔ螺旋桨扭矩决处于起步阶段。本文借鉴了国内一些燃气轮机动态定于转速ｎ螺矩角ａ；扇扭矩Ｍｒ决定于转速Ｐ和风性能研究的方法，应用ＳＵＩＫ仿真软件进行气ＩＬＮＭｎ及风扇调矩角。因此，，各扭矩的状态方程为：垫船三轴燃气轮机推进系统的动态特性仿真，为进Ｍｒ＝（，，）ｒＡｒ珊；步进行气垫船推进系统的控制以及气垫船本体的
ＭＨＭ一ＭＨＣ
警：Ｍｏ＋Ｍ。Ｈｎ（（Ｄ）ＬＤ，Ａ、Ｈａ￣ △ ３）警＝吼）ＬＤｒ（ｅＡ＋Ｍ）Ｄｒｎｅ△ Ｍｏ。
ｃ）ＯＭｅ＋‘ Ｍｅ）ｒＤ。．． △ （。（＋