轴流式压气机特性线自适应方法

轴流式压气机特性线自适应方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种能源与动力工程技术，特别涉及一种轴流式压气机特性线自适应方法。

　　背景技术

　　在当前的燃气轮机热力建模技术条件下，热力模型的准确性主要依赖于其部件(压气机和透平)的特性线和工质热物性计算程序的准确程度，尤其是压气机特性线的精度。这些部件特性线实际上需由发动机试车台在不同操作条件下严格的试验获得，或者通过计算流体力学(CFD)数值模拟获取。由于试车台试验费时且昂贵，发动机制造商不可能会获取每一台燃气轮机的部件特性线。因此，制造商通常只会提供给用户一套同一型号燃气轮机的部件特性线。然而对于同一型号的燃气轮机而言，由于制造和组装偏差的原因，其部件特性也会发生一定差别。此外，由于维护、改造、大修等原因，其部件特性也会发生较大的改变。因此，使用同一型号燃气轮机的同一套部件特性线来热力建模时，通常会产生一定程度的计算误差。对于用户，有时因制造商各种原因，甚至无法获得相关型号燃气轮机的部件特性线，只能通过已有的其他类型燃气轮机的部件特性线进行比例缩放后来使用，致使热力计算误差有时会难以接受。此时，逐级叠加计算法成为了一种用于生成压气机特性线的可靠而有效的手段，其计算过程主要基于一维平均半径处的连续性流动方程和一组通用的级特性曲线。对于用户来说，实际机组压气机各叶片级的几何参数通常也是未知的，因此，逐级叠加计算法通常只能采用一套从大量已有叶片级试验数据中拟合得到的通用的级特性曲线(如图1所示压气机通用级特性曲线分别阐述了压气机级相对压力系数ψ*(ψ*＝ψ/ψ0)和相对流量系数φ*(φ*＝φ/φ0＝(Ca/u)/(Ca/u)0)以及相对等熵效率η*(η*＝η/η0)和相对流量系数φ*的关系)来表征实际压气机各级的级特性,其中ψ为压力系数；φ为流量系数；Ca为气流轴向速度；u为叶片平均半径出的圆周速度；下标0为设计工况点。由于上述压气机特性线生成过程的简化条件，通过逐级叠加计算法建立的燃气轮机热力模型一定程度上存在不可避免的误差，导致部件特性线精度不够。

　　发明内容

　　本发明是针对现有技术生成压气机特性线精度不够的问题，提出了一种轴流式压气机特性线自适应方法，以实际燃气轮机的气路测量数据与热力模型计算的气路参数之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到压气机各个级的级特性曲线的一组形状系数向量，生成与实际燃气轮机的压气机特性相匹配的轴流式压气机通用特性线，从而消除部件特性线生成时逐级叠加计算假设条件所导致的误差。

　　本发明的技术方案为：一种轴流式压气机特性线自适应方法，首先在[-0.5,1]的数值范围内随机产生一组各级通用级特性曲线的形状系数向量[SF1,SF2,...,SFm]，m表示压气机的级数；再根据轴流式压气机各个级的通用级特性曲线计算公式，通过逐级叠加计算法建立多级轴流式压气机的热力模型；采集实际对象燃气轮机的气路测量参数，以热力模型计算得到的气路参数与实际对象燃气轮机的采集得到气路测量数据之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代优化热力模型中各级通用级特性曲线的形状系数向量[SF1,SF2,...,SFm]，最终通过最优的形状系数向量生成与实际对象燃气轮机的压气机特性相匹配的轴流式压气机通用特性线。

　　所述各级通用级特性曲线指各叶片级的通用级特性曲线，包括亚音速级、跨音速级和超音速级。

　　本发明的有益效果在于：本发明轴流式压气机特性线自适应方法，消除部件特性线生成时逐级叠加计算假设条件所导致的误差，来提高压气机部件特性线的准确性，从而提高所建燃气轮机热力模型的准确性。

　　附图说明

　　图1为压气机通用的级特性曲线图；

　　图2为本发明轴流式压气机特性线自适应方法示意图；

　　图3为本发明自适应后生成的压气机流量特性通用特性线图；

　　图4为本发明自适应后生成的压气机效率特性通用特性线图。

　　具体实施方式

　　逐级叠加计算法(Stage-stacking)是一种用于生成压气机特性线的可靠而有效的手段，其计算过程主要基于一维平均半径处的连续性流动方程和一组通用级特性曲线。对用户来说，实际机组压气机各叶片级的几何参数通常也是未知的，因此，逐级叠加计算法通常只能采用一套从大量已有叶片级试验数据中拟合得到的通用级特性曲线来表征实际压气机各级的级特性，而忽略了各个不同级类型叶片级(如亚音速级、跨音速级和超音速级)本身具有的不同级特性。本发明以实际燃气轮机的气路测量数据与热力模型计算的气路参数之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到压气机各个级的级特性曲线的形状系数向量SF＝[SF1,SF2,...,SFi,...,SFm](m表示压气机的级数)，生成与实际燃气轮机的压气机特性相匹配的轴流式压气机通用特性线，从而消除部件特性线生成时逐级叠加计算假设条件所导致的误差，来提高压气机部件特性线的准确性，从而提高所建燃气轮机热力模型的准确性。

　　具体的技术方案如下：

　　如图2所示，首先在[-0.5,1]的数值范围内随机产生一组各级通用级特性曲线的形状系数向量[SF1,SF2,...,SFm]，再根据轴流式压气机各个级的通用级特性曲线计算公式(1)与(2)通过逐级叠加计算法建立多级轴流式压气机的热力模型。采集实际对象燃气轮机的气路测量参数，以热力模型计算得到的气路参数与实际对象燃气轮机的采集得到气路测量数据之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代优化热力模型中各级通用级特性曲线的形状系数向量[SF1,SF2,...,SFm]，最终通过最优的形状系数向量生成与实际对象燃气轮机的压气机特性相匹配的轴流式压气机通用特性线(流量特性线与效率特性线)，可以消除3方面的不确定度：①消除同类型不同燃机之间由于制造、安装偏差而引入的不确定度；②消除不同干扰及未知初始条件而引入的不确定度；③部件特性线生成时逐级叠加计算假设条件所导致的误差。从而来提高压气机部件特性线的准确性，从而提高所建燃气轮机热力模型的准确性。

　　轴流式压气机各个级的通用级特性曲线可用如式(1)和(2)表示：

　　

　　

　　式中为压气机i级相对压力系数；为压气机i级相对流量系数。由级的压力系数的定义和级的流量系数的定义φ＝Ca/u，通过逐级叠加计算法可得某一级的相对压力系数为和该级的相对流量系数这里表示i级的入口比焓，表示i级的出口理想比焓，Rg表示空气的气体常数，表示i级的入口总温，表示i级的入口总压，Gi,in表示i级的入口空气质量流量；下角标0表示设计条件下。

　　SFi为i级的级特性曲线的形状系数，通过调整SFi的设定值可以表征各个不同级类型(如亚音速级、跨音速级和超音速级)，这里作为待优化的变量。

　　其中，式(1)的具体展开式为：

　　

　　式中，为压气机第i级相对压力系数的最大值；为取压气机第i级相对压力系数的最大值时对应的相对流量系数。

　　式(2)的具体展开式为：

　　当时，

　　当时，

　　式中，为取最小值时对应的相对等熵效率；为取最大值时对应的相对等熵效率。这里取为0.04，对应的取为0.20；取为1.46，对应的取为0.92。

　　基于上述方程(1)至(5)建立压气机热力模型，其中压气机热力模型的整机通用特性线可用如式(6)和(7)表示：

　　Gcor,rel＝f1(ncor,rel,πC,rel) (6)

　　ηC,rel＝f2(ncor,rel,πC,rel) (7)

　　式中：为压气机的相对折合转速；

　　为压气机的相对折合流量；为压气机的相对压比；ηC,rel＝ηC/ηC0为压气机的相对等熵效率；下角标0表示设计工况；n表示转速；为压气机入口总温；Rg为空气的气体常数；G为空气的质量流量；为压气机入口总压；πC为压气机压比。

　　再以实际燃气轮机的气路测量数据(包括对象压气机的进出口总温、总压、转速以及大气温度、压力及相对湿度)与所建压气机热力模型计算的相应气路参数之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到压气机各个级的级特性曲线的形状系数向量[SF1,SF2,...,SFi,...,SFm]，生成与实际燃气轮机的压气机特性相匹配的轴流式压气机通用特性线，从而消除部件特性线生成时逐级叠加计算假设条件所导致的误差，来提高压气机部件特性线的准确性，从而提高所建燃气轮机热力模型的准确性。

　　其中，粒子群优化算法的初始迭代的形状系数的取值范围为[-0.5,1]，m为轴流式压气机的总级数，最终通过迭代寻优，以某型燃气轮机为例，可以生成如图3和图4所示的自适应后的压气机通用特性曲线簇。