【摘要】：動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉可調(diào)的三軸式燃?xì)廨啓C(jī)具有高功重比、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、易于起動(dòng)等優(yōu)勢(shì),通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度,改變動(dòng)力渦輪以及上游的燃?xì)獍l(fā)生器工作狀態(tài),使燃?xì)廨啓C(jī)適應(yīng)不同工況,從而具有優(yōu)異的加減速以及部分工況性能。然而,該型燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜的三軸式結(jié)構(gòu)以及可調(diào)的動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉給燃?xì)廨啓C(jī)總體建模和控制規(guī)律設(shè)計(jì)等帶來以下挑戰(zhàn):首先,由于該型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的多變量強(qiáng)非線性問題更為突出,傳統(tǒng)模型難以同時(shí)獲得優(yōu)異的實(shí)時(shí)性和仿真精度;其次,動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉角度同時(shí)影響動(dòng)力渦輪本身以及雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器的性能,如何優(yōu)化控制規(guī)律,保證燃?xì)廨啓C(jī)在任意工況、大氣環(huán)境和負(fù)載條件下的性能最優(yōu)具有重要意義;最后,在動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉角度調(diào)整過程中,多因素耦合作用下的雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器背壓特性有待更深入的探索。但是,目前國內(nèi)外關(guān)于該型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)仿真以及控制規(guī)律方面的研究所見不多。本文首先建立動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉可調(diào)的三軸式燃?xì)廨啓C(jī)部件級(jí)仿真模型,在此基礎(chǔ)上提出徑向基函數(shù)(Radial Basis Function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與部件法的混合建模方法(Hybrid Method of RBF neural net algorithm and Component modeling method,HMRC),建立實(shí)時(shí)仿真模型,經(jīng)驗(yàn)證該模型可滿足控制系統(tǒng)硬件在回路仿真實(shí)驗(yàn)的要求;然后基于仿真模型和燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展詳細(xì)的燃?xì)廨啓C(jī)總體性能研究,在此基礎(chǔ)上,一方面從優(yōu)化控制角度,提出燃油流量和導(dǎo)葉角度耦合控制策略,以保證燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵參數(shù)不超限的前提下提高熱效率和最大輸出功率;另一方面從指導(dǎo)部件設(shè)計(jì)角度,研究雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器背壓特性與部件特性間的關(guān)系,并與燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。上述研究為動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉可調(diào)的三軸式燃?xì)廨啓C(jī)仿真建模、控制策略制定以及部件設(shè)計(jì)等提供重要參考。主要研究內(nèi)容如下:(1)基于已有的部件特性以及燃?xì)鉄崃π再|(zhì)計(jì)算方法,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)各部件分別建模,利用Newton-Raphson法求解非線性方程組確定共同工作點(diǎn),在MATLAB/SIMULINK中針對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)建立部件級(jí)仿真模型,包括:設(shè)計(jì)點(diǎn)模型、穩(wěn)態(tài)模型以及過渡態(tài)模型。(2)針對(duì)傳統(tǒng)仿真模型難以同時(shí)滿足硬件在回路仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)模型精度和實(shí)時(shí)性要求的問題,本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和部件法二者的優(yōu)勢(shì),提出徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與部件法的混合建模方法(HMRC),傳統(tǒng)部件級(jí)仿真模型和硬件在回路仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該混合模型的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。(3)利用建好的仿真模型分析該型燃?xì)廨啓C(jī)性能隨大氣環(huán)境的變化、動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉角度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響規(guī)律,以及不同大氣環(huán)境下限制燃?xì)廨啓C(jī)最大輸出功率的因素等,為后文的控制策略研究做鋪墊。(4)提出高效率模式(High Efficiency Mode,HEM)和高功率模式(High Power Mode,HPM)兩套控制策略,通過優(yōu)化燃油和導(dǎo)葉控制規(guī)律分別提高燃?xì)廨啓C(jī)非設(shè)計(jì)點(diǎn)效率和不同環(huán)境下的最大輸出功率。通過SIMULINK中建立的控制器模型驗(yàn)證其增益效果,特定工況下HEM和HPM可分別提高2%熱效率和5%最大輸出功率。(5)利用推導(dǎo)出的線性模型研究雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器出口背壓變化時(shí)高、低壓轉(zhuǎn)子的部件匹配問題,建立各部件特性與雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器背壓特性的數(shù)學(xué)關(guān)系,為部件特性的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。仿真表明,根據(jù)該線性模型指導(dǎo)部件設(shè)計(jì)可避免高壓軸轉(zhuǎn)速隨燃?xì)獍l(fā)生器背壓升高而增大。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK472
【圖文】：

ｉｎｎｅｒ邋ｓｋｉｎ逡逑圖１．１可調(diào)渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)邐圖１．２邋ＡＧＴ１５００燃?xì)廨啓C(jī)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｖａｒｉａｂｌｅ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｉｎｌｅｔ邋ｇｕｉｄｅ邐Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋ＡＧＴ１５００邋ｇａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅ逡逑ｖａｎｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑綜上，變幾何渦輪技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本逡逑文研宄的動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉可調(diào)的三軸式燃?xì)廨啓C(jī)由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在建模仿真、逡逑控制規(guī)律優(yōu)化以及總體特性研宄方面還存在一定挑戰(zhàn)。從建模仿真的角度，該型逡逑燃?xì)廨啓C(jī)多變量強(qiáng)非線性問題更為突出，使得傳統(tǒng)的部件級(jí)仿真模型實(shí)時(shí)性和收逡逑斂性相對(duì)較差。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法又需要大量的燃?xì)廨啓C(jī)工況樣本數(shù)據(jù)，如何逡逑在一定范圍內(nèi)選取合適的樣本點(diǎn)、在保證仿真精度和合理樣本范圍的同時(shí)減小樣逡逑本規(guī)模是一個(gè)關(guān)鍵性問題。因此，對(duì)于動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉可調(diào)的三軸式燃?xì)廨啓C(jī)，建逡逑立高精度、高實(shí)時(shí)性的仿真模型需要深入研宄。逡逑從控制規(guī)律優(yōu)化和總體特性研究的角度，動(dòng)力渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉開度直接影響動(dòng)逡逑力渦輪本身的效率和流量特性

設(shè)計(jì)節(jié)約３０％到４０％的時(shí)間和成本。ＮＰＳＳ是一種多維度的綜合模型，它涵蓋計(jì)逡逑算流體力學(xué)、燃燒學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)械制造工藝學(xué)等多學(xué)科多領(lǐng)域的研宄內(nèi)容，逡逑可以對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行綜合分析，圖１．３［５２］為ＮＰＳＳ的工作示意圖。不同于傳統(tǒng)的逡逑多學(xué)科綜合仿真松散的分析方法，ＮＰＳＳ采用的是更符合實(shí)際物理過程的單流程逡逑仿真分析，既簡化了模型又使仿真更加準(zhǔn)確［５３］。ＮＰＳＳ通過可變復(fù)雜度分析將燃逡逑氣輪機(jī)各個(gè)部件的零維到三維模型無縫連接，從而對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壽命、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)逡逑態(tài)工況等多方面進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的模擬仿真。ＮＰＳＳ代表當(dāng)時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)仿真技術(shù)逡逑的最高水平，并為未來燃?xì)廨啓C(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展指明方向。逡逑６逡逑

特性以及燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。逡逑１．３主要研究內(nèi)容與技術(shù)路線逡逑圖１．４為本文的技術(shù)路線，主要的研究思路為：逡逑首先，基于三維計(jì)算的部件特性圖和燃?xì)鉄崃π再|(zhì)計(jì)算方法建立燃?xì)廨啓C(jī)部逡逑件級(jí)仿真模型（ＣＭＭ），該模型經(jīng)過商業(yè)軟件Ｇａｓｔｕｒｂ以及燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)逡逑證，證明其可靠性和仿真精度。然后，為滿足控制系統(tǒng)硬件在回路仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)模逡逑型實(shí)時(shí)性要求，提出徑向基函數(shù)（ＲＢＦ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和部件法的混合建模方法逡逑（ＨＭＲＣ），建立實(shí)時(shí)仿真模型，通過硬件在回路仿真實(shí)驗(yàn)完成模型的驗(yàn)證。之逡逑后利用建好的仿真模型詳細(xì)分析動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉可調(diào)的三軸式燃?xì)廨啓C(jī)總體性能。逡逑根據(jù)分析出的燃?xì)廨啓C(jī)總體特性，一方面，從控制的角度出發(fā)，提出高效率和高逡逑功率兩套控制策略，在保證燃?xì)廨啓C(jī)不超限、安全運(yùn)行的前提下提高不同大氣環(huán)逡逑境、工作狀況、負(fù)載條件下的燃?xì)廨啓C(jī)熱效率和最大輸出功率；另一方面

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本文編號(hào)：2750998