專利名稱：擴穩(wěn)增效的等離子體流動控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流體輸送技術領域，是一種葉片式流體機械節(jié)能增效的新方法，用于航空、化工、發(fā)電、冶金、電力、交通、紡織等行業(yè)。
背景技術：
眾所周知，在我國基礎性工業(yè)領域(化工、發(fā)電、冶金、電力、交通、紡織等)運行著大量以葉片形式(軸流、離心，及兩者混合)為氣動結構基元的流體輸送機械，主要包括氣體壓縮機、通風機、鼓風機和壓氣機。這類氣體輸送裝置的功率、壓比、流量覆蓋范圍基本上囊括了整個工業(yè)應用領域，從計算機芯片風扇到大型煉鋼企業(yè)的多級壓氣機群就是一個有力的佐證，而且大部分是直接依靠電力拖動的。因此在完成流體輸送的同時，消
耗了巨額的電力，據統(tǒng)計表明消耗著全國工業(yè)用電量的30-40%的比例。另一方面，從能源高效利用的角度出發(fā)，我國目前在工業(yè)界廣泛運行葉片式流體壓縮機械和現(xiàn)有的結構設計體系還存在很大的空間可以挖掘。
此外在航空領域，風扇、壓氣機是航空渦扇發(fā)動機的核心部件之一，提高航空渦扇發(fā)動機的推重比和穩(wěn)定性必須提高風扇、壓氣機的級增壓比、氣動穩(wěn)定裕度和效率。比如提高級增壓比，就可以減少風扇、壓氣機的級數，從而增加發(fā)動機的推重比，但是隨著壓氣機增壓比的升高，壓氣機出口面積急劇減小，葉尖間隙與葉片高度之比相對增加，邊界層影響、級間干擾和氣流泄漏相對增強，使得壓氣機流動損失大大增加，嚴重地降低效率，并難以保證壓氣機的正常穩(wěn)定工作，帶來穩(wěn)定性降低的問題。因此，提高發(fā)動機的推重比和使用穩(wěn)定性，迫切需要采用新型的流動控制手段，來擴大風扇/壓氣機的穩(wěn)定性，并提高其效率。
目前在工業(yè)界運行的葉片式通用流體壓縮機械在實際運行中，依據流體輸送系統(tǒng)的實際要求，壓縮機機械經常在非設計狀況下工作，在這種運行情況下，在滿足壓比不變的情況下，運行效率和運行穩(wěn)定性均會大幅度的降低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于一種擴穩(wěn)增效的等離子體流動控制方法，在壓縮機械流動控制方面提供了一種有效的方法，采用本發(fā)明的方法一方面可以起到拓寬壓氣機的穩(wěn)定運行區(qū)域的作用，另一方面可以改善葉尖區(qū)域的流動狀態(tài)，起到減小流動損失的作用。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的擴穩(wěn)增效的等離子體流動控制方法，用于葉片式通用流體壓縮機械系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括
壓氣機機匣，為壓氣機導葉和靜葉提供支撐，并將壓縮氣體封閉在通
道內；
壓氣機動葉，起到壓縮空氣的作用；
等離子體激勵器，接通高壓電后產生等離子體，加速附近空氣；高壓交流電源，為等離子體激勵器提供電源；
壁面測溫裝置，測量壁面溫度，保證不超溫，防止激勵器被擊穿；進口流量測量裝置，與壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)(8)中的數據采集系統(tǒng)聯(lián)結在一起，對壓氣機的流量進行在線動態(tài)采集，并與壓氣機的轉速信號連鎖在一起，為系統(tǒng)整體控制提供非設計狀態(tài)的準確輸入信號。
壓氣機出口壓力測量裝置，與壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)中的數據采集系統(tǒng)聯(lián)結在一起，對壓氣機運行的出口壓力進行動態(tài)監(jiān)測，并與等離子體激勵數據采集和控制系統(tǒng)中失速先兆分析模塊聯(lián)系起來， 一旦在動態(tài)壓力信號中出現(xiàn)失速先兆信號，則發(fā)出控制輸出信號，開啟等離子體激勵器；
等離子體激勵數據采集和控制系統(tǒng)集成，是整個系統(tǒng)的信號分析、控制指令發(fā)出、數據采集的中央處理器；該方法包括下述步驟
1) 依據入口流量測量裝置和壓氣機出口壓力測量裝置采集得到的流量和壓力信號，經過壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)的數據在線處理，獲取壓氣機目前運行狀況；-
2) 依靠壓氣機數據采集和控制系統(tǒng)中計算機設定的控制規(guī)律，判斷壓氣機是否發(fā)生失速并執(zhí)行在線調節(jié)步驟。
所述的方法，其中步驟B中，若在線采集的數據分析表明未發(fā)生失速，則不施加等離子體激勵。
所述的方法，其中步驟B中，若在線采集的數據分析表明己發(fā)生失速，則施加等離子體激勵，施加等離子體激勵的步驟為
A、 施加等離子體激勵時，監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保激勵器不會被擊穿；
B、 如果激勵器附近溫度過高，則降低激勵電壓，繼續(xù)監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保激勵器不會被擊穿；
C、 如果激勵器附近溫度正常，則增大激勵電壓，繼續(xù)監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保激勵器不會被擊穿。
本發(fā)明在提高流體壓縮機械效率和拓寬穩(wěn)定性方面與現(xiàn)在運行的技術有很大的區(qū)別等離子體流動控制是一種基于等離子體氣動激勵的新概念流動控制技術，等離子體激勵以等離子體為載體，對流場施加一種可控的擾動。而本發(fā)明的幾個創(chuàng)新點體現(xiàn)在
1) 等離子體激勵是電激勵，沒有運動部件；
2) 結構簡單、功耗低、激勵參數容易調節(jié)；
3) 激勵作用頻帶寬和、響應迅速。 -


圖1是公知的流壓氣機特性曲線；
圖2是公知的變轉速，恒定壓比系統(tǒng)進入喘振的示意圖；圖3是公知的壓氣機單排葉片速度三角形變化趨勢示意圖；圖4是本發(fā)明采用等離子體激勵減小進氣功角示意圖；圖5是本發(fā)明的在機匣上布置等離子體激勵器的單轉子軸流壓氣機示意圖6是本發(fā)明施加等離子體機理前后的實驗結果；圖7是本發(fā)明采用的等離子體激勵器的結構示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明從流體機械氣動熱力學、等離子體物理學和控制理論學科交叉 的角度出發(fā)，采用適用于壓氣機葉尖泄露流控制的等離子體激勵及控制系 統(tǒng)，使葉尖泄露流損失和摻混損失一直處在較低水平。
本發(fā)明的擴穩(wěn)增效的等離子體流動控制方法，是用于葉片式通用流體 壓縮機械系統(tǒng)，其整個系統(tǒng)的運行是在計算機控制下進行的，通過在壓氣 機機匣固定位置施加適當強度的等離子體激勵， 一方面可以起到拓寬壓氣 機的穩(wěn)定運行區(qū)域的作用，另一方面可以改善葉尖區(qū)域的流動狀態(tài)，起到 減小流動損失的作用。
本發(fā)明的整個過程是在自適應和反饋模式的框架下執(zhí)行的；
A、 依據入口流量測量裝置和壓氣機出口壓力測量裝置采集得到的流
量和壓力信號，經過壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)的數據在線處理，獲
取壓氣機目前運行狀況；
B、 依靠壓氣機數據采集和控制系統(tǒng)中計算機設定的控制規(guī)律，判斷 壓氣機是否發(fā)生失速并執(zhí)行在線調節(jié)步驟。
步驟B中，若對在線采集的數據分析表明未發(fā)生失速，則不施加等離 子體激勵。
步驟B中，若對在線采集的數據分析表明已發(fā)生失速，則施加等離子 體激勵
1) 施加適當強度(激勵電壓-10kV)的等離子體激勵；
2) 監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保 激勵器不會被擊穿。
3) 如果激勵器附近溫度過高(超過200°C)，則降低激勵電壓(降低 lkV)，繼續(xù)監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確
保激勵器不會被擊穿。
4) 如果激勵器附近溫度未超過200。C，則增大激勵電壓(增大lkV)，
繼續(xù)監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保激勵
器不會被擊穿。
現(xiàn)以某軸流壓氣機的特性曲線(見圖1)進行說明。 喘振線左端為原機組不能工作的區(qū)域，系統(tǒng)一旦進入這一區(qū)域會發(fā)生
7強烈的流體振蕩，嚴重時會發(fā)生機毀人亡的災難性事故，實際運行時均匹 配喘振預報和防喘振措施。點劃線為效率相等的工作點，而且隨著橢圓封
閉區(qū)域的減少，效率會增加。圖1中的nl、 n2、 n3、 n4、 n5、 n6曲線，
為壓氣機在不同等轉速下運行的特性線，以n5為設計轉速，特性線表示 了機組壓比與流量的對應關系。在導葉和靜葉固定安裝角不變的情況下， 在等轉速線的條件下，壓比隨流量的降低而增加，實際運行時為了避免喘 振，都留有一定的喘振裕度， 一般為10 — 15%的范圍，也就是運行工作點 遠離喘振邊界線。這就是目前工業(yè)界實際運行流體壓縮機普遍遵循的設計 準則。
當轉速降低，也就是運行工況離開設計轉速n5時，要保證相同的壓 比，就會出現(xiàn)圖2的現(xiàn)象。例如當轉速在n4時，要保證與n5運行的相同 壓比，則機組必定要進入不可運行的區(qū)域，這就是工作點必須出現(xiàn)在喘振 邊界線的左端。以軸流壓氣機單排動葉的速度三角形(圖3)變化為切入 點，可以在機理上解釋這一流動失穩(wěn)現(xiàn)象。
圖3中的Va是進氣的軸向速度，Vl是進氣的相對速度，U是葉片旋 轉在R半徑處的切向速度，al是進氣角，(31是葉片的安裝角， 一般情況 下氣體的入口攻角S=al-pl=2Q-5Q時，葉片通道內部的流動損失為最小。 因此，在設計狀態(tài)下，攻角都設置在2、5、依據吳仲華轉焓恒定的原理， 假使馬赫數小于0.28，近似認為是不可壓縮流動，則壓比與相對轉速的關 系為
Ap"廠巧,p〔C2〕-A巧顯
可見，壓比、流量和葉片通道流動損失是有嚴格的關系的。如果在恒 定轉速的條件下，要提高壓比，流量必須降低，則Va與Vl的夾角al必 須加大，則S=al-(31〉5Q，葉片吸力面的分離必定加大，通道內部的流動分 離就會加大，流動損失就會加大，另一方面，通道內部的分離團就會形成 不穩(wěn)定分離團，相對于葉片旋轉的方向反向旋轉，壓氣機進入喘振和旋轉 失速。這是在轉速不變的情況下，壓氣機進入喘振左端區(qū)域的物理解釋。
圖2是當壓氣機偏離設計轉速n5時，如果要保持壓比恒定，在n4轉 速下，壓氣機要進入喘振區(qū)域的示意圖，因為轉速下降，給壓氣機提供的功必然下降，而要維持壓比恒定，則兩個相對速度的平方差不變，或者說 相對速度的大小不能有大的改變，為保持這一關系，這時流量必須下降。
必然導致Va與VI的夾角oil加大，吸力面分離加劇，壓氣機進入如圖2 所示的左端區(qū)域?？梢?，在現(xiàn)有固定的進口導葉和固定的靜葉安裝角的前 提下，機組要維持相同壓比下，維持系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行是不可能的。
本發(fā)明是在滿足壓比恒定不變的條件下，改善和提高非設計工況的運 行效率和穩(wěn)定性的背景下提出的。
等離子體激勵通過在壓氣機葉尖端壁區(qū)誘導沿進口氣流方向流動，減 小了氣流進氣功角，抑制葉片吸力面的流動分離，圖4是釆用等離子體激 勵減小進氣功角示意圖，等離子體誘導流動(AC)，使進氣角增大(")。
圖5是適用于葉柵內流控制的等離子體激勵及控制系統(tǒng)示意圖，本發(fā) 明系統(tǒng)的控制裝置由l一壓氣機機匣，2 —動葉，3 —等離子體激勵器，4 一高壓電源，5 —壁面測溫裝置，6 —進口流量測量裝置，7-出口壓力測量 裝置，8 —等離子體激勵數據采集和控制系統(tǒng)集成。本發(fā)明控制裝置中個 部件、及各部件的連接組裝都是已有技術，在此不作贅述。
圖7是本發(fā)明的等離子體激勵器的結構示意圖，在絕緣材料11兩側 非對稱地布置兩塊金屬電極12和13， 一塊金屬電極12裸露在周圍的空氣 中，另一塊金屬電極13嵌在絕緣材料11A里(本發(fā)明可以采用但不限于 比如銅材料制成的長方形的金屬電極，絕緣材料可以采用但不限于比如聚 四氟乙烯或石英玻璃等)。在高壓高頻交流電4的作用下，可在嵌入絕緣 材料內的金屬電極13上方生成弱電離的低溫等離子體A，通過離子與中 性氣體分子的碰撞向邊界層輸送能量，使周圍空氣形成靜流量為零 (ZNMF)的水平方向射流，加速附面層內的氣流流動(如圖7中的箭頭 B所示)。
本發(fā)明方法的控制裝置中各部件的功能如下
l一壓氣機機匣，為壓氣機導葉和靜葉提供支撐，并將壓縮氣體封閉 在通道內；
2 —壓氣機動葉，起到壓縮空氣的作用；
3—等離子體激勵器，接通高壓電后產生等離子體，加速附近空氣； 4一高壓交流電源，為等離子體激勵器提供電源；5 —壁面測溫裝置，測量壁面溫度，保證不超溫，防止激勵器被擊穿；
6 —進口流量測量裝置，與壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)(8)中的數 據采集系統(tǒng)聯(lián)結在一起，對壓氣機的流量進行在線動態(tài)采集，并與壓氣機 的轉速信號連鎖在一起，為系統(tǒng)整體控制提供非設計狀態(tài)的準確輸入信 號。
7 —壓氣機出口壓力測量裝置，與壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)(8)
中的數據采集系統(tǒng)聯(lián)結在一起，對壓氣機運行的出口壓力進行動態(tài)監(jiān)測，
并與等離子體激勵數據采集和控制系統(tǒng)(8)中失速先兆分析模塊聯(lián)系起來，
一旦在動態(tài)壓力信號中出現(xiàn)失速先兆信號，則發(fā)出控制輸出信號，開啟等
離子體激勵器；
8 —等離子體激勵數據采集和控制系統(tǒng)集成，是整個系統(tǒng)的信號分析、 控制指令發(fā)出、數據采集的中央處理器。
本發(fā)明系統(tǒng)的具體執(zhí)行步驟如下
O依據壓氣機出口壓力測量裝置7獲得動態(tài)壓力信號，通過等離子 體激勵數據采集和控制系統(tǒng)集成8判斷是否出現(xiàn)失速先兆信號；
2) 如果未出現(xiàn)失速先兆信號則不動作；
3) 如果出現(xiàn)失速先兆信號則等離子體激勵數據采集和控制系統(tǒng)集成8 啟動高壓電源4，為等離子體激勵器3供電，施加適當強度等離子體激勵 (10kV);
4) 通過壁面測溫裝置5監(jiān)測壁面溫度，如果壁面溫度超溫(超過200。C) 則降低激勵電壓(降低lkV)，繼續(xù)監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于 絕緣材料擊穿溫度，確保激勵器不會被擊穿；
5) 如果激勵器附近溫度未超過200。C，則增大激勵電壓(增大lkV)，
繼續(xù)監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保激勵 器不會被擊穿；
6) 重復步驟4和5的操作。
本發(fā)明系統(tǒng)在壓氣機實驗臺上進行了實驗驗證，該實驗臺的基本參數 如表1所示。實驗中通過逐步調整壓氣機出口的節(jié)流閥，降低壓氣機流量 直至壓氣機失速，采集壓氣機進出口的壁面靜壓，計算壓氣機的壓升系數 ^和流量系數^，比較未施加等離子體氣動激勵和施加激勵時的壓氣機性能和穩(wěn)定性。實驗結果如圖6所示。其驗證結果與本發(fā)明提出的設想一致。 表l壓氣機實驗臺的設計參數
轉子設計轉速/ (r/min)2400
通道夕卜徑/mm500
輪轂比0.75
轉子葉片數量58
級反動度/%68
動葉展弦比1.86
動葉頂部安裝角/。39
動葉頂部弦長/mm36.3
設計流量/ (kg/s)2.6
壓氣機轉速為900r/min時，未施加等離子體氣動激勵和施加激勵時， 壓氣機的壓升系數-流量系數曲線如圖6所示。
由圖6可見，施加等離子體氣動激勵后，壓氣機近失速流量系數《、降 低了5.2%，最大壓升系數^,增加了 1.08%,等離子體氣動激勵有效擴大
了壓氣機穩(wěn)定性，同時使壓氣機的增壓能力略有提升。
ii
權利要求
1、一種擴穩(wěn)增效的等離子體流動控制方法，用于葉片式通用流體壓縮機械系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括壓氣機機匣，為壓氣機導葉和靜葉提供支撐，并將壓縮氣體封閉在通道內；壓氣機動葉，起到壓縮空氣的作用；等離子體激勵器，接通高壓電后產生等離子體，加速附近空氣；高壓交流電源，為等離子體激勵器提供電源；壁面測溫裝置，測量壁面溫度，保證不超溫，防止激勵器被擊穿；進口流量測量裝置，與壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)(8)中的數據采集系統(tǒng)聯(lián)結在一起，對壓氣機的流量進行在線動態(tài)采集，并與壓氣機的轉速信號連鎖在一起，為系統(tǒng)整體控制提供非設計狀態(tài)的準確輸入信號。壓氣機出口壓力測量裝置，與壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)中的數據采集系統(tǒng)聯(lián)結在一起，對壓氣機運行的出口壓力進行動態(tài)監(jiān)測，并與等離子體激勵數據采集和控制系統(tǒng)中失速先兆分析模塊聯(lián)系起來，一旦在動態(tài)壓力信號中出現(xiàn)失速先兆信號，則發(fā)出控制輸出信號，開啟等離子體激勵器；等離子體激勵數據采集和控制系統(tǒng)集成，是整個系統(tǒng)的信號分析、控制指令發(fā)出、數據采集的中央處理器；該方法包括下述步驟1)依據入口流量測量裝置和壓氣機出口壓力測量裝置采集得到的流量和壓力信號，經過壓氣機運行數據采集和控制系統(tǒng)的數據在線處理，獲取壓氣機目前運行狀況；2)依靠壓氣機數據采集和控制系統(tǒng)中計算機設定的控制規(guī)律，判斷壓氣機是否發(fā)生失速并執(zhí)行在線調節(jié)步驟。
2、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟B中，若在線 采集的數據分析表明未發(fā)生失速，則不施加等離子體激勵。
3、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟B中，若在線 采集的數據分析表明已發(fā)生失速，則施加等離子體激勵，施加等離子體激勵的步驟為A、 施加等離子體激勵時，監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保激勵器不會被擊穿；B、 如果激勵器附近溫度過高，則降低激勵電壓，繼續(xù)監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保激勵器不會被擊穿；c、如果激勵器附近溫度正常，則增大激勵電壓，繼續(xù)監(jiān)測激勵器附近的溫度，保證溫度低于絕緣材料擊穿溫度，確保激勵器不會被擊穿。
全文摘要
一種擴穩(wěn)增效的等離子體流動控制方法，整個系統(tǒng)的運行是在計算機控制下進行的，通過在壓氣機機匣固定位置施加適當強度的等離子體激勵，一方面可以起到拓寬壓氣機的穩(wěn)定運行區(qū)域的作用，另一方面可以改善葉尖區(qū)域的流動狀態(tài)，起到減小流動損失的作用。
文檔編號F15D1/00GK101666344SQ200810119579
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月3日 優(yōu)先權日2008年9月3日
發(fā)明者徐燕驥, 朱俊強, 鋼 李, 聶超群 申請人:中國科學院工程熱物理研究所