Газовый компрессор в термодинамическом цикле
Simscape/Жидкости/Газ/Турбомашина
Блок Компрессор (G) моделирует динамический компрессор, такой как центробежный или осевой компрессор, в газовой сети. Можно параметризовать блок аналитически или с помощью табличной карты компрессора. Жидкость, вытекающая из порта A в порт B, генерирует крутящий момент. Порт R сообщает о крутящем моменте вала и скорости вращения относительно порта C, который связан с корпусом компрессора.
В табличных данных параметризация, запас по помпажу, отношение между отношением давления помпажа в заданном массовом расходе жидкости и отношением давления рабочей точки минус 1
, выход в порте SM.
Расчетная точка компрессора является предполагаемым коэффициентом рабочего давления над и массовым расходом жидкости через компрессор во время симуляции. Рабочая точка компрессора и точка максимальной эффективности не должны совпадать.
Карта компрессора изображает эффективность компрессора как функцию отношения давления, давления на выходе компрессора к давлению на входе и скорректированные массовые расходы жидкости. Карта строит график изентропной эффективности компрессора между двумя крайностями дроссельного потока и потока помпажа. Карты компрессора используют β линии для оценки эффективности с интервалом между скоростями вала. Дроссельный поток соответствует β = 0, и дроссельный поток соответствует β = 1. β-линии перпендикулярны линиям постоянной скорости вала компрессора, N, которые также корректируются на изменение давления и температуры в компрессоре.
Из-за больших изменений давления и температуры внутри компрессора карта компрессора строит графики эффективности с точки зрения скорректированного массовым расходом жидкости. Скорректированный массовый расход жидкости регулируется из массового расхода входного отверстия с скорректированным давлением и скорректированной температурой:
где:
A - массовый расход жидкости в порту A.
TA - температура в порте A.
Tcorr является Reference temperature for corrected flow. При использовании табличной карты компрессора поставщик данных задает это значение. Используя аналитическую параметризацию, это - температура, при которой отношения массового расхода жидкости отношения давления по области значений температур сходятся к единственной линии тренда.
corr - скорректированный массовый расход жидкости.
Когда Parameterization установлено на Analytical
, это Corrected mass flow rate at design point.
Когда Parameterization установлено на Tabulated
, это происходит от Corrected mass flow rate table, mdot(N,beta).
pA - давление в порте A.
pcorr является Reference pressure for corrected flow. При использовании табличной карты компрессора поставщик данных задает это значение. Используя аналитическую параметризацию, это - давление, в котором отношения массового расхода жидкости отношения давления по области значений давлений сходятся к единственной линии тренда.
Крутящий момент на валу, τ, вычисляется как:
где:
Δhtotal - общее изменение специфической энтальпии жидкости.
ηm является Mechanical efficiency компрессора.
ω - относительная угловая скорость вала, ωR - ωC.
Обратный поток, от B до A, находится вне типового режима работы компрессора, и точных результатов ожидать не следует. Область порога, когда поток приближается к нулю, гарантирует, что никакой крутящий момент не генерируется, когда скорость потока жидкости близка к нулю или противоположна.
Если у вас нет доступных табличных данных о компрессоре, можно смоделировать коэффициент давления компрессора, скорректированный массовый расход жидкости и изентропную эффективность аналитически. Аналитический метод не использует β линии и блок не сообщает о запасе помпажа.
Отношение давления при заданных скорости и массовом расходе жидкости вала вычисляется как:
где:
πD является Pressure ratio at design point.
- нормированная скорректированная скорость вала,
где ND - Corrected speed at design point.
- нормированный скорректированный массовый расход жидкости,
где D является Corrected mass flow rate at design point.
a является Spine shape, a.
b является Speed line spread, b.
k является Speed line roundness, k.
Позвоночник карты относится к аналитической линии, обозначающей номинальную эффективность компрессора. Линии скорости карты являются линиями постоянной скорости вала, которые пересекаются с позвоночником перпендикулярно. Переменные позвоночника и линии скорости являются настраиваемыми параметрами, которые могут быть скорректированы для различной эффективности.
Параметризация Analytical
Когда Efficiency specification установлено на Analytical
, блок моделирует переменную эффективность компрессора как:
где:
η0 является Maximum isentropic efficiency.
C является Efficiency contour gradient orthogonal to spine, C.
D является Efficiency contour gradient along spine, D.
c является Efficiency peak flatness orthogonal to spine, c.
d является Efficiency peak flatness along spine, d.
- нормированное скорректированное отношение давления,
где πD - Corrected pressure ratio at design point.
0 - нормированный скорректированный массовый расход жидкости, при котором компрессор достигает своего Maximum isentropic efficiency.
Переменная эффективность являются настраиваемыми параметрами, которые можно настроить для различных характеристик эффективности. a измеряет зависимость между рабочей точкой и точкой максимальной эффективности. При Δa = 0 компрессор работает в точке максимальной эффективности.
Кроме того, можно смоделировать постоянную эффективность путем присвоения Constant efficiency value.
Когда Parameterization установлено на Tabulated
изентропная эффективность компрессора, отношение давления и скорректированные массовые расходы жидкости являются функцией скорректированной скорости, N и картографического индекса, β. Блок использует линейную интерполяцию между точками данных для эффективности, отношения давления и скорректированных параметров массового расхода жидкости.
Если условия симуляции превышают β = 1, моделируется помпажный поток: отношение давления остается на своем значении в β = 1, в то время как массовый расход жидкости продолжает изменяться. Если условия симуляции падают ниже β = 0, моделируется дроссельный поток: массовый расход жидкости остается на своем значении в β = 0, в то время как отношение давления продолжает изменяться. Чтобы ограничить эффективность компрессора в контурах карты, блок экстраполирует изентропную эффективность до ближайшей точки.
Вы можете принять решение, чтобы быть уведомлены, когда коэффициент давления рабочей точки превышает коэффициент давления помпажа. Установите Report when static margin is negative значение Warning
получать предупреждение или Error
чтобы остановить симуляцию, когда это происходит.
Чтобы визуализировать карту блоков, щелкните правой кнопкой мыши блок и выберите Fluids > Plot Compressor Map Characteristics.
Каждый раз, когда вы изменяете настройки блоков, кликните Apply в нижней части диалогового окна, а затем нажмите Reload Data в окне рисунка.
Табличная карта компрессора по умолчанию параметризации
Масса сохраняется над блоком:
где B - массовый расход жидкости в порту B.
Энергетический баланс в блоке вычисляется как:
где:
ΦA - энергетическая скорость потока жидкости в порту A.
ΦB - энергетическая скорость потока жидкости в порту B.
Pfluid - гидравлическая степень, поданная в жидкость, которая определяется из изменения общей специфической энтальпии жидкости:
Вал не вращается в условиях противоположного потока. Результаты во время обратных потоков могут быть неточными.
Блок моделирует только динамические компрессоры.
Для успешной инициализации симуляции требуется умеренно точный вход давления.
[1] Greitzer, E. M. et al. "N + 3 Концептуальные проекты летательных аппаратов и торговые исследования. Том 2: Приложения - Методики проекта аэродинамики, конструкций, веса и термодинамических циклов ". Технический отчет НАСА, 2010 год.
[2] Курцке, Иоахим. «Как получить карты компонентов для вычислений эффективности газовой турбины самолета». Том 5: Обрабатывающие материалы и металлургия; Керамика; Структуры и динамика; Управление, диагностика и инструментирование; образование; Генерал, Американское общество инженеров-механиков, 1996, с. V005T16A001.
[3] Plencner, Robert M. «Компонент построения графиков maps in the Navy/NASA Engine Program (NNEP): A method and its usage». Технический меморандум НАСА, 1989 год.