Газовый компрессор в термодинамическом цикле
Simscape/Жидкости/Газ/Турбомашина
Блок компрессора (G) моделирует динамический компрессор, такой как центробежный или осевой компрессор, в газовой сети. Блок можно параметризовать аналитически или с помощью табулированной карты сжатия. Текучая среда, протекающая из порта А в порт В, создает крутящий момент. Порт R сообщает крутящий момент вала и угловую скорость относительно порта C, который связан с корпусом компрессора.
В таблице параметризация данных, запас помпажа, отношение между коэффициентом помпажного давления при заданном массовом расходе и коэффициентом давления в рабочей точке минус 1, выводится на порт SM.
Расчетной точкой компрессора является предполагаемое отношение рабочего давления к массовому расходу через компрессор во время моделирования. Рабочая точка компрессора и точка максимального КПД не обязательно должны совпадать.
Карта компрессора изображает рабочие характеристики компрессора как функцию отношения давления, давления на выходе компрессора к давлению на входе и скорректированного массового расхода. На карте показан изэнтропический КПД компрессора между двумя крайними значениями подавленного потока и помпажного потока. Карты компрессора используют линии β для оценки производительности с интервалом между скоростями вала. Дросселированный поток соответствует β = 0, а помпажный поток соответствует β = 1. линии β перпендикулярны линиям постоянной скорости вала компрессора N, которые также корректируются на изменения давления и температуры в компрессоре.
Из-за больших изменений давления и температуры внутри компрессора карта компрессора отображает рабочие характеристики с точки зрения скорректированного массового расхода. Скорректированный массовый расход корректируется по массовому расходу на входе с помощью скорректированного давления и скорректированной температуры:
где:
m˙A - массовый расход в порту A.
TA - температура в порту A.
Tcorr - эталонная температура для скорректированного потока. При использовании таблицы компрессоров поставщик данных определяет это значение. При использовании аналитической параметризации это температура, при которой отношение отношения давления к массовому расходу в диапазоне температур сходится к одной линии тренда.
m˙corr - скорректированный массовый расход.
Если параметризация имеет значение Analytical, это скорректированный массовый расход в расчетной точке.
Если параметризация имеет значение Tabulated, это получено из таблицы Скорректированный массовый расход, mdot (N, бета ).
pA - давление в порту A.
pcorr - опорное давление для скорректированного потока. При использовании таблицы компрессоров поставщик данных определяет это значение. При использовании аналитической параметризации это давление, при котором отношение отношения давления к массовому расходу в диапазоне давлений сходится к одной линии тренда.
Крутящий момент на валу, λ, вычисляется как:
где:
Δhtotal - общее изменение специфической энтальпии жидкости.
m - механический КПД компрессора.
λ - относительная угловая скорость вала, λ R - startC.
Обратный поток из B в A выходит за рамки обычного режима работы компрессора, и точных результатов ожидать не следует. Пороговая область, когда поток приближается к нулю, гарантирует, что крутящий момент не генерируется, когда расход близок к нулю или изменяется на противоположный.
Если табличные данные компрессора отсутствуют, можно моделировать коэффициент давления компрессора, скорректированный массовый расход и изэнтропическую эффективность аналитически. Аналитический метод не использует линии β, и блок не сообщает о запасе перенапряжения.
Отношение давления при заданной скорости вала и массовом расходе рассчитывают как:
1−m˜−N˜bk)],
где:
δD - отношение давления в расчетной точке.
- нормированная скорректированная скорость вала,
где ND - скорректированная скорость в расчетной точке.
- нормированный скорректированный массовый расход,
где m˙D - скорректированный массовый расход в расчетной точке.
a - форма позвоночника, a.
b - разброс линии скорости, b.
k - округлость линии скорости, k.
Линия карты относится к аналитической линии, обозначающей номинальную производительность компрессора. Линии скорости карты - это линии постоянной скорости вала, которые пересекают позвоночник перпендикулярно. Переменные позвоночника и линии скорости являются настраиваемыми параметрами, которые могут быть скорректированы для различных эксплуатационных характеристик.
Аналитическая схема параметризации компрессора по умолчанию
Если для спецификации эффективности установлено значение Analytical, блок моделирует переменную эффективность компрессора как:
1−C'p˜m˜a+Δa−1−m˜|c−D'm˜m˜0−1|d),
где:
λ 0 - максимальная изэнтропическая эффективность.
C - градиент контура эффективности, ортогональный к позвоночнику, C.
D - градиент контура эффективности вдоль позвоночника, D.
c - пик плоскостности эффективности, ортогональный к позвоночнику, c.
d - пиковая плоскостность эффективности вдоль позвоночника, d.
- нормированный скорректированный коэффициент давления,
− 1,
где αD - Скорректированный коэффициент давления в расчетной точке.
m˜0 - нормированный скорректированный массовый расход, при котором компрессор достигает максимального изэнтропического КПД.
Переменные эффективности являются настраиваемыми параметрами, которые можно настроить для различных характеристик производительности. a измеряет взаимосвязь между рабочей точкой и точкой максимальной эффективности. При Δa = 0 компрессор работает в точке максимального КПД.
Можно также моделировать постоянную эффективность, назначив значение Постоянная эффективность (Constant efficiency).
Если параметризация имеет значение Tabulated, изэнтропная эффективность компрессора, отношение давлений и скорректированный массовый расход являются функцией скорректированной скорости N и индекса карты β. Блок использует линейную интерполяцию между точками данных для эффективности, отношения давлений и скорректированных параметров массового расхода.
При превышении условий моделирования β = 1 моделируют помпажный поток: соотношение давлений остается на его значении при β = 1, при этом массовый расход продолжает меняться. При падении условий моделирования ниже β = 0 моделируют подавленный поток: массовый расход остается на его значении при β = 0, при этом соотношение давлений продолжает меняться. Чтобы ограничить производительность компрессора в пределах границ карты, блок экстраполирует изентропическую эффективность в ближайшую точку.
Вы можете получать уведомления о превышении коэффициента давления в рабочей точке. Задать отчет, если статическое поле имеет отрицательное значение Warning для получения предупреждения или Error для остановки моделирования при возникновении этой ситуации.
Чтобы визуализировать карту блоков, щелкните правой кнопкой мыши блок и выберите «Fluids» > «Plot Compressor Map Characteristics».
При каждом изменении параметров блока нажмите кнопку «Применить» в нижней части диалогового окна, затем нажмите кнопку «Перезагрузить данные» в окне рисунка.
Таблица параметров Карта сжатия по умолчанию
Масса сохраняется над блоком:
где m˙B - массовый расход в порту B.
Энергетический баланс в блоке рассчитывается как:
Пфлюид = 0,
где:
ФА - расход энергии в порту А.
Dwf B - расход энергии в порту B.
Pfluid - гидравлическая мощность, подаваемая в жидкость, которая определяется по изменению общей удельной энтальпии жидкости:
Вал не вращается в условиях обратного потока. Результаты при реверсированных потоках могут быть неточными.
Блок моделирует только динамические компрессоры.
Успешная инициализация моделирования требует умеренно точного ввода давления.
[1] Грейцер, Е. М. и др. "N + 3 Концептуальные проекты самолетов и торговые исследования. Том 2: Приложения - Методологии проектирования для аэродинамических, конструкционных, весовых и термодинамических циклов. " Технический отчет НАСА, 2010.
[2] Курцке, Иоахим. «Как получить карты компонентов для расчетов производительности газовой турбины самолета». Том 5: Производство материалов и металлургия; Керамика; Структуры и динамика; Органы управления, диагностики и КИПиА; образование; Генерал, Американское общество инженеров-механиков, 1996, с. V005T16A001.
[3] Пленцнер, Роберт М. «Составление карт компонентов в программе ВМС/NASA Engine Program (NNEP): метод и его использование». Технический меморандум НАСА, 1989 год.
