0 引　言

随着环境保护意识的提高以及对可持续能源的需求，燃气轮机作为一种清洁、高效的动力装置逐渐被应用于大型船舶领域。大型三轴燃气轮机涵盖了热能与控制工程等多个学科，在大型船舶领域广泛应用^[1]。大型三轴燃气轮机具备高效率、大功率与寿命长等优势，能够满足不同船舶的动力需求^[2]。燃气轮机在船舶动力系统中的应用具有更高的热效率和更低的排放，燃气轮机采用新型燃气燃烧技术，使得其在高温高压环境下能够稳定运行。此外，燃气轮机具备较高的动态性能和快速启动的能力，使得船舶在需要加速和转向等操作时能够迅速响应，提高了船舶的机动性和操控性。

为确保大型三轴燃气轮机在船舶运行过程中，具备较优的动态性能，需仿真分析其动态性能，及时发现不足之处，并加以改进，改善其动态性能。谢心喻等^[3]通过Matlab仿真软件，结合模块化思想，搭建三轴燃气轮机动态性能仿真分析平台，同时在该平台内嵌入三次样条插值法，用于预测三轴燃气轮机的动态性能。该方法具备较高的三轴燃气轮机动态性能预测精度。李薇等^[4]通过结合BP神经网络与逐步聚类法，得到智能融合模型，仿真分析三轴燃气轮机的动态性能。该方法具备较优的动态性能仿真分析效果。但上述方法的建模功能较差、通用性差，同时不具备友好的人机界面，三轴燃气轮机动态性能仿真分析的可视化效果较差。Matlab仿真软件利用Simulink集成环境，能够以图像界面的方式，为用户提供三轴燃气轮机的建模方式，提升仿真分析的可视化效果，且通用性较强^[5]。在大型船舶动力系统中，燃气轮机的动态性能是一个关键的研究方向。为此，以Matlab仿真软件，Simulink集成环境为核心，研究大型船舶发电用三轴燃气轮机动态性能仿真方法，通过对燃气轮机的动态性能进行仿真分析，深入理解燃气轮机的动态性能，为三轴燃气轮机在鲁棒性与安全性等领域的发展提供参考。

1 大型船舶发电用三轴燃气轮机动态性能仿真 1.1 三轴燃气轮机涡轮动态特性计算

令大型船舶发电用三轴燃气轮机的压气机C的效率为$ {\eta _C} $，空气定压比热容为$ c $；压气机的耗功如下：

$ {Q_C} = {U_{\rm in}} \times c \times {T_{\rm in}} \times \frac{{k \times {\beta _C}}}{{{\eta _C}}} 。$

(1)

式中：$ {U_{\rm in}} $为压气机C的进气流量；$ {\beta _C} $为压比；$ {T_{\rm in}} $为进口温度；$ k $为空气比热比^[6]。

压气机出口空气温度如下：

$ {T_{\rm out}} = {T_{\rm in}}\left( {1 + \frac{{k \times {\beta _C}}}{{{\eta _C}}}} \right) \times {Q_C}。$

(2)

令$ c' $为燃气定压比热容；$ {\eta _b} $为燃烧效率；燃烧室出口温度如下：

$ {T'_{\rm out}} = \frac{{{{U'}_{\rm in}}c{{T'}_{\rm in}} + U'{\eta _b}H}}{{{{U'}_{\rm in}}c' + U'c'}} 。$

(3)

式中：$ o\left( t \right) $为燃油流量；$ {T'_{\rm in}} $为进口温度；$ {U'_{\rm in}} $为进气流量；$ H $为燃料低发热值。

通过总压保持系数$ \sigma $，衡量燃烧室的压力损失，$ \sigma $的计算公式如下：

$ \sigma = \frac{{{P_{out}}}}{{{P_{in}}}} 。$

(4)

式中：$ {P_{\rm in}} $为燃烧室的进口压力；$ {P_{\rm out}} $为燃烧室的出口压力。

令涡轮进、出口压力为$ {P''_{\rm in}} $、$ {P''_{\rm out}} $；涡轮效率为$ \eta '' $；涡轮的特性计算方程如下：

$ \left\{ \begin{gathered} \bar n = \frac{n}{{\sqrt {{{T''}_{\rm in}}} }} ，\\ \beta '' = \frac{{{{P''}_{\rm out}}}}{{{{P''}_{\rm in}}}}，\\ {{U''}_{\rm in}} = \frac{{f\left( {\beta '',\bar n} \right){{P''}_{\rm in}}}}{{\sqrt {{{T''}_{\rm in}}} }} \times \frac{{{{F''}_{\rm in}}}}{R}，\\ \eta '' = f\left( {\beta '',\bar n} \right) 。\\ \end{gathered} \right. $

(5)

式中：$ \bar n $、$ T'' $分别为涡轮折合转速、进口温度；$ n $为转子转速；$ \beta '' $为膨胀比；$ {F''_{\rm in}} $为进口横截面积；$ R $为空气气体常数；$ f $为燃空比；$ {U''_{\rm in}} $为实际进口流量。

大型船舶发电用三轴燃气轮机涡轮动态特性计算方程如下：

$ {D_F} = \frac{{{s_{\rm in}} - {s_{\rm out}}}}{{{f_{\rm in}} \times {{T''}_{d, {\rm out}}}}} \times {U''_{\rm in}} \times \frac{{{g_{\rm in}} - {g_{\rm out}}}}{{{{g'}_{\rm out}}}} \times {Q_A}。$

(6)

式中：$ {s_{\rm in}} $为进口掺混后的比熵；$ {s_{\rm out}} $为出口掺混前比熵；$ {f_{\rm in}} $为进口等效燃空比；$ {T''_{d, {\rm out}}} $为出口流量掺混前的温度；$ {g_{\rm in}} $、$ {g_{\rm out}} $分别为掺混前进出口比焓；$ {g'_{\rm out}} $为掺混前等熵下的出口流量比焓；$ {Q_A} $为涡轮发出功率。

1.2 三轴燃气轮机动态性能仿真模型构建

以Matlab仿真软件为支撑，以Simulink为开发工具，将三轴燃气轮机动态性能的数学模型变成能在计算机内运行的仿真模型^{[7 − 8]}，对三轴燃气轮机动态性能进行仿真分析，为提升三轴燃气轮机动态性能提供参考。

三轴燃气轮机动态性能仿真模型建立的具体步骤如下：

步骤1　依据三轴燃气轮机系统实际性能，分解三轴燃气轮机系统，得到数个子系统^[9]。通过面向对象的建模方法，提升仿真模型与实际三轴燃气轮机的贴近度，确保仿真模型和实际三轴燃气轮机内每个实体彼此相应。

步骤2　针对各子系统，为其建立相应的基本模型，单独调整，以符合仿真分析需求为止，并通过Simulink的组合命令，变更基本模型，获取子系统方框。

步骤3　当某个子系统，无法采用Simulink建立仿真模型时，通过Matlab语言编写M文件，建立其仿真模型。

通过上述建模策略，可降低三轴燃气轮机动态性能仿真模型构建的复杂度。

2 实验分析

以某大型船舶用三轴燃气轮机为实验对象，其进气压力为100214 Pa，可转导叶角度为0°，负载为23154 kW，燃烧室效率为0.99。在进行大型船舶发电用三轴燃气轮机动态性能仿真的实验前，确保具备适当的实验环境，利用CAD计算机辅助设计和CFD计算流体力学仿真软件，以及运行仿真软件的高性能计算机。此外，在进行动态性能仿真实验时，设置使用的燃气轮机实验参数，具体如表1所示。

在上述实验环境和实验参数的基础上，利用本文方法对该三轴燃气轮机进行仿真计算，获取不同工况下的稳态仿真结果，分析本文方法构建三轴燃气轮机动态性能仿真模型的准确性，当仿真结果与实验数据误差在5%以内时，说明三轴燃气轮机动态性能仿真模型的准确性较高。其中，工况0.3、工况0.8指三轴燃气轮机主要参数的最大误差在稳态状态下分别设置为0.3、0.8。不同工况下，三轴燃气轮机稳定仿真结果如表2所示。

可知，在不同工况下，本文方法均可有效获取三轴燃气轮机不同参数的仿真数据。对比不同参数的实验数据可知，各参数的仿真数据与实验数据间的误差均低于5%，说明本文方法构建的三轴燃气轮机动态性能仿真模型，具备较高的准确性，适合进行动态性能仿真分析。通过对比仿真数据和实验数据的差异，可得出结论，本文方法所构建的三轴燃气轮机动态性能仿真模型具备较高的准确性，能够为动态性能仿真分析提供可靠数据基础。

利用本文方法仿真分析负载连续突卸时，该三轴燃气轮机的动态性能，仿真分析结果如图1所示。

由图1（a）可知，负载连续突卸时，该三轴燃气轮机的高、低压压气机流量的整体变化趋势完全相同，均呈梯度下降趋势，且高、低压压气机流量的动态变化量差距非常小。因为负载减少导致燃烧室中的燃料供应减少，进而影响了压气机的工作效率。高、低压压气机流量的动态变化量差距非常小，这表明在负载连续突卸的情况下，2个压气机之间仍然保持着较好的协调关系。

由图1（b）可知，负载连续突卸时，该三轴燃气轮机的高、低压转子转速也呈现相似的整体变化趋势，两者都呈现出梯度下降的趋势，即转子转速逐渐降低。其中，负载下降时，低压转子转速的下降幅度较小，下降趋势较为缓慢；负载下降时，高压转子转速的下降幅度较大，下降速度较快。说明在负载连续突卸的情况下，低压转子相对于高压转子更具有惯性，需更长的时间来适应负载变化。

由图1（c）可知，负载下降时，燃油流量迅速减少，因负载减少导致燃烧室中所需燃料量减少，燃油控制器相应地减少了燃油供给量。当负载稳定时，经过燃油控制器处理后，燃油流量略有上升，因为系统对于负载突然变化作出了调整，以保持稳定的工作状态。

综上所述，负载连续突卸时，三轴燃气轮机的高、低压压气机流量和转子转速的整体变化趋势相似，都呈梯度下降的趋势。同时，低压部分相对于高压部分的动态响应较为缓慢。此外，在燃油流量方面，随着负载的下降，燃油流量也相应减少，但在负载稳定后略有上升。

3 结　语

三轴燃气轮机在大型船舶中具备较优的应用效果，为进一步优化三轴燃气轮机的使用性能，研究大型船舶发电用三轴燃气轮机动态性能仿真方法，仿真分析三轴燃气轮机的动态性能，为三轴燃气轮机的优化控制提供参考。本文对大型船舶发电用三轴燃气轮机的动态性能进行了仿真分析，并通过实验数据的对比验证了仿真模型的准确性和可靠性。通过实验得到如下结论：

1）本文方法具备较高准确性，通过与实验数据的对比，在不同工况下，本文方法所获得的仿真数据与实际实验数据的误差均低于5%，表明仿真模型能够有效地模拟和预测真实系统的性能特点和响应，为实际运行提供可靠数据参考。

2）在不同工况下，燃气轮机的动态性能表现出一致的趋势，当负载连续突卸时，观察到高、低压压气机流量整体呈梯度下降趋势，且两者的动态变化量差距非常小。同时，高、低压转子转速也呈现类似的下降趋势，但低压转子的下降幅度相对较小，下降速度相对较慢。说明本文方法能够准确地反映燃气轮机在负载变化时的动态性能表现。

未来的研究可进一步扩展仿真模型，考虑更多的因素对燃气轮机动态性能进行全面分析和评估，以实现更加精确和可靠的结果。