燃-燃聯(lián)合動力裝置工作特性仿真研究

李鐵磊, 王志濤, 李淑英

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

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燃-燃聯(lián)合動力裝置工作特性仿真研究

李鐵磊1, 2, 王志濤1, 李淑英1

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了全面掌握燃-燃聯(lián)合動力(COGAG)裝置的工作特性，選擇ADAMS環(huán)境和SIMULINK環(huán)境開發(fā)裝置系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了并車、負(fù)荷分配、突增/突減負(fù)荷、負(fù)荷轉(zhuǎn)移以及解列等工作過程的系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明：在并車和負(fù)荷分配過程中，兩臺自動同步(SSS)離合器中間件傳遞扭矩的變化規(guī)律剛好相反，與輕載機(jī)連接的SSS離合器的中間件傳遞扭矩逐漸增加，當(dāng)油阻尼起作用或者中間件與主動件發(fā)生碰撞時(shí)，中間件傳遞扭矩突增后回落；在并車過程中，輕載機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速始終略高于重載機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)與輕載機(jī)連接的SSS離合器的油阻尼起作用或者中間件與主動件發(fā)生碰撞時(shí)，輕載機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速突減后緩慢降低，重載機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速突增后也緩慢降低；在解列過程中，與輕載機(jī)連接的SSS離合器的中間件傳遞扭矩為負(fù)值，重載機(jī)為輕載機(jī)分擔(dān)了部分阻力功率。基于SIMULINK/ADAMS協(xié)同的系統(tǒng)仿真方法可以為COGAG裝置研制提供有效的參考數(shù)據(jù)。

燃-燃聯(lián)合動力裝置；系統(tǒng)仿真；多軟件協(xié)同；工作特性

燃-燃聯(lián)合動力(combined gas turbine and gas turbine, COGAG)裝置廣泛應(yīng)用于船舶機(jī)械或電力推進(jìn)，將系統(tǒng)仿真技術(shù)引入裝置研制流程，全面掌握其工作特性，可以有效地減少物理樣機(jī)試驗(yàn)量、降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約研制成本、縮短研制周期。

針對COGAG裝置建立系統(tǒng)仿真模型的難點(diǎn)在于傳動裝置部分，組成傳動裝置的自動同步(synchro-self-shifting, SSS)離合器和并車齒輪箱在工作過程中存在著一系列由代數(shù)方程組表示的運(yùn)動約束關(guān)系，對其建模和仿真的核心就在于描述并求解上述代數(shù)方程組。現(xiàn)有的針對COGAG裝置進(jìn)行的仿真研究較少，文獻(xiàn)[1-2]雖然實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)仿真，但為了保證仿真的實(shí)時(shí)性，將傳動裝置部分簡化為“開關(guān)量”，即不考慮傳動裝置內(nèi)部的實(shí)際運(yùn)動過程，只根據(jù)燃機(jī)輸出功率和輸出軸轉(zhuǎn)速判斷COGAG裝置是否完成并車、負(fù)荷分配、解列等工作過程；文獻(xiàn)[3-4]雖然用迭代法詳細(xì)求解并分析了SSS離合器工作過程中的運(yùn)動約束關(guān)系，但沒有考慮并車齒輪箱，更沒有實(shí)現(xiàn)COGAG裝置的系統(tǒng)仿真。

本文以同側(cè)布置且應(yīng)用于船舶機(jī)械推進(jìn)的COGAG裝置作為物理模型，它通常包括燃?xì)廨啓C(jī)、傳動裝置、并車控制器、螺旋槳負(fù)載等主要部件。為了提高系統(tǒng)仿真的質(zhì)量，本文對傳動裝置部分進(jìn)行精細(xì)化建模，并基于多軟件協(xié)同的方式開發(fā)系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)COGAG裝置工作特性分析。

1 COGAG裝置的數(shù)學(xué)模型

1.1 SSS離合器

圖1顯示了非中繼式SSS離合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理。SSS離合器由主動件E、中間件C和從動件F組成[5-6]，主動件和中間件之間以螺旋齒花鍵D連接，在其作用下中間件沿著主動件可以同時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向運(yùn)動，中間件和從動件上分別設(shè)計(jì)有棘輪G、主動驅(qū)動齒(外齒)B和棘爪A、從動驅(qū)動齒(內(nèi)齒)H。

注：A為棘爪，B為外齒，C為中間件，D為螺旋齒花鍵，E為主動件，F(xiàn)為從動件，G為棘輪，H為內(nèi)齒圖1 非中繼式SSS離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理Fig.1 The internal structure and working principle of non trunking SSS clutch

當(dāng)離合器處于脫開狀態(tài)時(shí)，主動件的轉(zhuǎn)速低于從動件，棘輪與棘爪處于活輪狀態(tài)。若主動件加速，且角加速度大于從動件，則兩者轉(zhuǎn)速逐漸接近，當(dāng)棘爪與棘輪齒棘合時(shí)，中間件的角速度、角加速度與從動件一致(圖1(b))。此后，主動件繼續(xù)加速，在棘輪與棘爪的作用下，中間件會相對主動件沿著螺旋齒花鍵做螺旋運(yùn)動，從而使內(nèi)、外齒進(jìn)入嚙合狀態(tài)(圖1(c))。嚙合的最后階段，在阻尼孔中油阻尼的作用下，中間件最終與主動件碰撞，使得主動件、中間件和從動件三者的角速度、角加速度保持一致，離合器嚙合完成，此時(shí)棘輪與棘爪在軸向已經(jīng)分開(圖1(d))。反之，當(dāng)離合器處于嚙合狀態(tài)時(shí)，若主動件減速或從動件加速，且驅(qū)動齒上由速度差引起的圓周力大于油阻尼的阻力，則中間件就會在圓周力的作用下沿著螺旋齒花鍵向相反方向作螺旋運(yùn)動，導(dǎo)致中間件和從動件分開，離合器回到最初的脫開狀態(tài)。

本文以嚙合過程為例，通過對主動件、中間件和從動件的受力分析，建立SSS離合器的運(yùn)動學(xué)模型[3]。至于脫開過程，計(jì)算時(shí)只需改變模型中一些參數(shù)矢量的方向[7-8]。圖2顯示了離合器主動件上的受力情況。其運(yùn)動學(xué)方程為

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式中：Md為燃機(jī)輸入動力矩，Mz1為螺旋齒上阻力矩，Mz2為齒面摩擦力矩，Mz3為結(jié)合面(A、B、C、D、E)處總摩擦力矩，J1為主動件轉(zhuǎn)動慣量，ω1為主動件角速度，t為時(shí)間，F(xiàn)z2為與Mz2對應(yīng)的摩擦力，F(xiàn)z3為與Mz3對應(yīng)的摩擦力，F(xiàn)z2a為Fz2的軸向分力，F(xiàn)z1a為與Mz1對應(yīng)的軸向力，β為螺旋齒螺旋角，α為螺旋齒法面壓力角，Dt為螺旋齒分度圓直徑，f為選定的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)。

圖3顯示了離合器中間件上的受力情況，其運(yùn)動學(xué)方程為

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(9)

(10)

(11)

(12)

式中：Mz4為從動件施加給中間件的阻力矩，Mz5為驅(qū)動齒嚙合產(chǎn)生的摩擦力矩，F(xiàn)R為駐退阻尼力，F(xiàn)z5為與Mz5對應(yīng)的摩擦力，J2為中間件轉(zhuǎn)動慣量，ω2為中間件相對角速度，a2為中間件軸向加速度，m2為中間件質(zhì)量，Ds為驅(qū)動齒分度圓直徑，k為駐退阻尼系數(shù)。需要指出的是，駐退阻尼力可以起到雙向阻尼的作用，一方面它防止中間件與主動件因劇烈碰撞而損壞；另一方面它防止中間件與主動件因負(fù)荷波動而瞬間脫開。通常駐退阻尼力只在中間件嚙合運(yùn)動行程的后1/3段產(chǎn)生，如果產(chǎn)生太早，很可能造成棘輪與棘爪因受力過大而損壞。

中間件相對主動件做螺旋運(yùn)動，則中間件在運(yùn)動過程中滿足如下關(guān)系：

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(14)

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(16)

(17)

式中：φ2為某時(shí)間段內(nèi)(時(shí)間始點(diǎn)為a，時(shí)間終點(diǎn)為b)中間件相對主動件轉(zhuǎn)過的角度，L2為同一時(shí)間段內(nèi)中間件軸向位移，v2為中間件軸向速度，ω3為從動件角速度。

從動件滿足的運(yùn)動學(xué)方程為

(18)

式中：Ml為負(fù)載力矩，J3為從動件轉(zhuǎn)動慣量。

圖2 主動件受力分析Fig.2 The active part stress analysis

圖3 中間件受力分析Fig.3 The middleware part stress analysis

1.2 并車齒輪箱

對于同側(cè)布置的COGAG裝置，并車齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)簡化后如圖4所示。

注：A為輸入齒輪，B為輸出齒輪圖4 簡化的并車齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 The simplified internal structure of merging gearbox

其運(yùn)動學(xué)方程為

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式中：M1、M2為兩臺離合器從動件輸入力矩；M3為齒輪箱輸出力矩；n1、n2為兩臺離合器從動件轉(zhuǎn)速；n3為齒輪箱輸出軸轉(zhuǎn)速；η為齒輪箱工作效率，其值與輸出軸轉(zhuǎn)速和輸入功率有關(guān)，通?？扇《ㄖ?；i為齒輪箱減速比。

1.3 其他部件

以某型三軸燃?xì)廨啓C(jī)為物理模型，根據(jù)容積慣性法[9-14]對其建立了數(shù)學(xué)模型；針對理想情況的雙機(jī)并車開展研究，COGAG裝置中兩臺同容量、同型號的燃機(jī)均為有差調(diào)速，且調(diào)速特性相同[2]，在此基礎(chǔ)上對平行功率反饋式并車控制器建立了數(shù)學(xué)模型[15]；以變距螺旋槳為物理模型，對其建立了數(shù)學(xué)模型[16-17]。

2 COGAG裝置的仿真模型

2.1 傳動裝置整體仿真模型

從前文所述的數(shù)學(xué)模型可知，為了詳細(xì)分析傳動裝置的物理工作特性，必須利用迭代算法求解描述SSS離合器和并車齒輪箱運(yùn)動約束關(guān)系的代數(shù)方程組，為此本文選擇ADAMS環(huán)境開發(fā)傳動裝置整體仿真模型，如圖5所示。

具體建模過程如下：

1) 建立實(shí)體模型。在ADAMS/VIEW中導(dǎo)入SolidWorks繪制的傳動裝置整體3維實(shí)體模型，圖5中白色、灰色部分為SSS離合器的主動件、中間件；亮白色部分為簡化的并車齒輪箱輸出齒輪；為便于模型調(diào)試，將簡化的并車齒輪箱輸入齒輪和SSS離合器從動件合為一體，顯示為深灰色。

2) 設(shè)置部件屬性。對仿真模型中的所有部件都需要設(shè)置質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等屬性。根據(jù)物理模型

的實(shí)際情況，本文將燃機(jī)動力渦輪的屬性折算到SSS離合器主動件上；將SSS離合器從動件的屬性折算到并車齒輪箱輸入齒輪上；將螺旋槳及軸的屬性折算到并車齒輪箱輸出齒輪上。

3) 添加約束。根據(jù)SSS離合器和并車齒輪箱的實(shí)際工作過程，在實(shí)體模型上添加如下約束：在主動件與地面之間、從動件與地面之間添加旋轉(zhuǎn)副，對應(yīng)于軸承的作用，使主動件、從動件只能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；在中間件與從動件之間添加移動副，使中間件相對從動件只能軸向移動，不能轉(zhuǎn)動；在中間件與主動件之間添加螺旋副，對應(yīng)于斜齒輪的作用，使中間件相對主動件做螺旋運(yùn)動；在輸入齒輪與輸出齒輪之間添加齒輪副，使輸入齒輪與輸出齒輪間可以傳遞力矩和功率。

除了上述約束，在中間件上需要添加一個(gè)阻尼力來模擬油阻尼的作用；在中間件與主動件的接觸面上需要添加兩個(gè)點(diǎn)，并利用這兩個(gè)點(diǎn)添加一個(gè)接觸力來模擬嚙合過程最后階段中間件與主動件的碰撞；在兩個(gè)主動件和并車齒輪箱輸出軸上需要分別添加方向相反的力矩，來模擬燃?xì)廨啓C(jī)輸入動力矩和負(fù)載力矩；前述運(yùn)動學(xué)模型中的各種摩擦力可以在相應(yīng)的運(yùn)動副中添加。

在ADAMS/Controls模塊中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，可以生成SIMULINK/ADAMS協(xié)同運(yùn)行接口。

2.2 系統(tǒng)建模

利用SIMULINK環(huán)境開發(fā)的壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、容積、轉(zhuǎn)子、燃機(jī)控制器等子部件模型搭建了某型三軸燃?xì)廨啓C(jī)0維變比熱系統(tǒng)仿真模型，最終在SIMULINK環(huán)境下搭建的COGAG裝置系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。

注：COGAG_controller、Propeller以及Gas_turbine_Cp_V分別為并車控制器、螺旋槳負(fù)載以及燃?xì)廨啓C(jī)的仿真模型，SSS_clutch_and_Gearbox為SIMULINK/ADAMS協(xié)同運(yùn)行接口圖6 COGAG裝置系統(tǒng)仿真模型Fig.6 The system simulation model of triaxial gas turbine

3 仿真實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

總仿真時(shí)間245 s，仿真步長0.02 s。具體仿真實(shí)驗(yàn)方案如下：

1) 初始狀態(tài)下，1#燃機(jī)為工作機(jī)，其輸出軸以2 800 r/min-1的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，輸出功率21 000 kW，其中400 kW用于克服阻力；2#燃機(jī)為并入機(jī)，其輸出軸也以2 800 r/min-1的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，輸出功率400 kW，全部用于克服阻力；1#SSS離合器處于嚙合狀態(tài)；2#SSS離合器處于脫開狀態(tài)；并車齒輪箱減速比為19，其輸出軸與螺旋槳直接連接。

2) 仿真10 s時(shí)開始并車，并車控制器的功率分配系數(shù)為0.5，功率積分系數(shù)為0.004，轉(zhuǎn)速積分系數(shù)為0.12；仿真30 s時(shí)突增負(fù)荷，仿真100 s時(shí)突減負(fù)荷；仿真185 s時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，仿真220 s時(shí)開始解列，解列過程中2#燃機(jī)控制器轉(zhuǎn)速設(shè)定值呈線性下降且下限值為2 700 r/min-1。

仿真結(jié)果具體分析如下：

1) 并車及負(fù)荷分配過程。如圖7(a)、7(b)所示，2#SSS離合器中間件傳遞力矩逐漸增加；當(dāng)油阻尼幾乎不起作用時(shí)，中間件傳遞力矩非常??；當(dāng)油阻尼起作用時(shí)，中間件傳遞力矩突增后回落，當(dāng)中間件與主動件發(fā)生碰撞時(shí)，中間件傳遞力矩再次突增后回落，前者突增的幅度約為后者的6.6倍；隨后在并車控制器及燃機(jī)控制器的作用下，中間件傳遞力矩持續(xù)增加，直至20 s左右負(fù)荷分配完畢。1#SSS離合器中間件傳遞力矩逐漸減小，其變化規(guī)律與2#SSS離合器剛好相反。如圖8(a)、8(b)所示，燃機(jī)輸出功率變化規(guī)律與上述過程基本一致，不再贅述。

如圖9(a)、9(b)所示，并車過程中2#燃機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速始終高于1#燃機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速；當(dāng)2#SSS離合器油阻尼起作用時(shí)，中間件傳遞力矩突增，而主動件(包括燃機(jī)輸出軸)轉(zhuǎn)速突減；力矩經(jīng)并車齒輪箱傳遞到1#SSS離合器從動件，在油阻尼的作用下，中間件和主動件(包括燃機(jī)輸出軸)轉(zhuǎn)速突增；雖然2#燃機(jī)輸出功率持續(xù)增加，但油阻尼的作用也越來越大，導(dǎo)致輸出軸轉(zhuǎn)速緩慢降低；同時(shí)1#燃機(jī)輸出功率持續(xù)減少，導(dǎo)致輸出軸轉(zhuǎn)速也緩慢降低；當(dāng)2#SSS離合器中間件與主動件發(fā)生碰撞時(shí)，兩臺燃機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速再次突變，但突變的幅度僅為前述的10%，突變的趨勢和原因與油阻尼起作用時(shí)相同；隨后在并車控制器及燃機(jī)控制器的作用下，兩臺燃機(jī)完成負(fù)荷分配，其輸出軸轉(zhuǎn)速也逐步穩(wěn)定在2 800 r/min-1。

2) 負(fù)荷轉(zhuǎn)移及解列過程。如圖7(c)所示，2#SSS離合器中間件傳遞力矩逐漸減小，解列開始后該力矩變?yōu)樨?fù)值，其原因在于：2#燃機(jī)輸出功率持續(xù)減少(如圖8(c)所示)，為了保持COGAG裝置系統(tǒng)穩(wěn)定，1#燃機(jī)必須增加功率輸出(如圖8(d)所示)，使得中間件傳遞扭矩增加(如圖7(d)所示)，該扭矩通過并車齒輪箱、兩臺SSS離合器從動件以及油阻尼的雙向作用，最終傳遞到2#SSS離合器中間件上。實(shí)際上在解列過程中，1#燃機(jī)為2#燃機(jī)最多分擔(dān)了60%的阻力功率，使得2#燃機(jī)輸出功率小于400 kW。

如圖9(a)、9(c)所示，解列過程中1#燃機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速始終高于2#燃機(jī)；當(dāng)油阻尼幾乎不起作用時(shí)，2#燃機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速迅速下降，最終在并車控制器及燃機(jī)控制器的作用下，兩臺燃機(jī)分別穩(wěn)定在2 800 r/min-1和2 700 r/min-1。

圖7 SSS離合器中間件傳遞力矩Fig.7 The carry-over moment of sliding component of SSS clutch

圖8 燃機(jī)輸出功率Fig.8 The output power of gas turbine

圖9 燃機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速Fig.9 The rotating speed of output shaft of gas turbine

4 結(jié)論

1) 在COGAG裝置的并車和負(fù)荷分配過程中，兩臺SSS離合器中間件傳遞扭矩的變化規(guī)律剛好相反，與輕載機(jī)連接的SSS離合器的中間件傳遞扭矩逐漸增加，當(dāng)油阻尼起作用或者中間件與主動件發(fā)生碰撞時(shí)，中間件傳遞扭矩突增后回落，前者突增的幅度約為后者的6.6倍。

2) 在COGAG裝置的并車過程中，輕載機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速始終略高于重載機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)與輕載機(jī)連接的SSS離合器的油阻尼起作用或者中間件與主動件發(fā)生碰撞時(shí)，輕載機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速突減后緩慢降低，重載機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速突增后也緩慢降低，對比兩次突變過程，后者的幅度僅為前者的10%。

3) 在COGAG裝置的解列過程中，與輕載機(jī)連接的SSS離合器的中間件傳遞扭矩為負(fù)值，重載機(jī)為輕載機(jī)最多分擔(dān)了60%的阻力功率。

4) 基于SIMULINK/ADAMS協(xié)同的系統(tǒng)仿真方法可以將傳動裝置的迭代計(jì)算嵌入到系統(tǒng)微分方程組中統(tǒng)一求解，仿真結(jié)果可以為COGAG裝置研制提供有效的參考數(shù)據(jù)。

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Simulation of performance characteristics of a combined gas turbine and gas turbine device

LI Tielei1, 2，WANG Zhitao1，LI Shuying1

(1. College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Engineering Training Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

To understand the performance characteristics of a combined gas turbine and gas turbine(COGAG) device, this paper chooses ADAMS and SIMULINK to develop a system simulation model, which realizes the simulation analysis of the process of parallel operation, load distribution, sudden load increase, sudden load decrease, load transfer, and splitting. The simulation result shows that (i) in the process of parallel operation and load distribution, the change laws of the torque which is transferred by the middle part of two SSS clutches are just contrary, (ii) the transmitted torque of the SSS clutch′s middle part which connects with light load machine increases gradually when the oil damping works or the middle part and active part collide, (iii) the torque transmitted by the middle part decreases after sudden increase, (iv) in the process of parallel operation, the rotation speed of the output shaft of the light load machines is always higher than the speed of the heavy load machine when oil damping of the SSS clutch which connects with light load machine works or the middle part and active part collide, (v) the speed of the light load machine′s output shaft decreases slowly after sudden drop and the speed of the heavy load machine′s output shaft decreases slowly after sudden increase, and (vi) in the process of splitting, the torque transmitted by middle parts of the SSS clutch which connects with the light load machine is negative and the heavy load machine shares some resistance power for the light load machine. The way of system simulation which is based on the SIMULINK/ADAMS cooperation can provide useful data for the research on a COGAG device.

combined gas turbine and gas turbine device; system simulation; multi-software cooperation; performance characteristic

2015-08-15.

日期：2016-08-29.

船舶動力基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(GT0301)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(HEUCF160306).

李鐵磊(1981-), 男, 講師；

王志濤(1981-), 男, 講師.

王志濤，E-mail:wangzhitao@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201508033

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160829.1422.070.html

TK479

A

1006-7043(2016)10-1366-07

李鐵磊, 王志濤, 李淑英. 燃-燃聯(lián)合動力裝置工作特性仿真研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016, 37(10): 1366-1372.

LI Tielei，WANG Zhitao，LI Shuying， et al. Simulation of performance characteristics of a combined gas turbine and gas turbine device [J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(10): 1366-1372.