CN101666343A - 用于叶栅内流的等离子体激励控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于叶栅内流的等离子体激励控制系统及控制方法，是在计算机控制下进行的，通过在叶栅吸力面不同位置施加适当强度的等离子体激励，一方面可以起到抑制叶栅吸力面流动分离的作用，另一方面可以改善叶栅尾迹区的流动状态，起到减小流动损失的作用。

Description

用于叶栅内流的等离子体激励控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及流体输送技术领域，是一种叶片式流体机械节能、扩稳的新方法和装置，主要在航空航天、燃气轮机发电、及其他工业增压装置中有应用前景。

背景技术

在航空领域，风扇/压气机是航空涡扇发动机的核心部件之一，提高航空涡扇发动机的推重比和稳定性必须提高风扇、压气机的级增压比、失速裕度和整机效率。尤其是在发动机变工况运行状态和抵御进口畸变方面，更加需要采用新的技术和方法来拓宽发动机运行的稳定边界。随着压气机级增压比的提高，压气机出口面积急剧减小，叶尖间隙与叶片高度之比相对增加，边界层影响、级间干扰和气流泄漏相对增强，使得压气机流动损失大大增加，严重地降低效率，并且由于这一分离现象将直接与发动机的失速裕度有关

在目前地面燃气轮机发电中，由于必须在以煤为主的能源结构和政策的指导下，解决中/低热值燃烧系统改造后带来的压气机运行靠近喘振边界的问题，也就是必须采用新技术解决压气机-燃烧室-透平的通流匹配问题，及机组随功率要求、燃料气变化、及运行气候条件变化过程中出现的稳定性欠缺的问题。

在其他工业增压装置中运行过程中，由于用气量的变换与产品的市场需求有密切关系，叶轮机械经常处在变工况条件下运行。目前采用的是变频技术来实现节能增效的目的，但这一技术在现有大型工业叶片式流体压缩机械的改造面临的一个主要瓶颈是：大的交流电动机的功率要求与变频技术的配套无论在技术上还是在经济上都是一个棘手的问题，急需发明新的技术来解决目前面临的问题。

目前在工业界运行的叶片式通用流体压缩机械的运行方式面临如下几个方面的问题：

在实际运行中，依据流体输送系统的实际要求，压缩机机械经常在非设计状况下工作，在这种运行情况下，在满足压比不变的情况下，运行效率和运行稳定性均会大幅度的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于叶栅内流的等离子体激励控制系统。

本发明的又一目的在于提供一种利用等离子体激励控制系统进行控制的方法。

为实现上述目的，本发明提供的等离子体激励控制系统，其包括：

多个等离子体激励器，每一个等离子体激励器均是在一绝缘材料的两侧面非对称地各设置一金属电极；其中一金属电极嵌在绝缘材料中，另一金属电极裸露在空气中；

各等离子体激励器分散地设置在叶栅的吸力面上，且各等离子体激励器嵌在绝缘材料中的金属电极一面朝向叶栅的吸力面；各等离子体激励器的两个电极分别连接一高压高频电源；在该高压高频电源的作用下，各等离子体激励器嵌在绝缘材料中的金属电极上方生成等离子体，并通过等离子体与中性气体分子的碰撞向叶栅边界层输送能量，使叶栅周围空气形成静流量为零的水平方向射流，加速叶栅附面层内的气流流动；

叶栅支撑固定在叶栅端壁内，该叶栅端壁将压缩气体封闭在通道内；

叶栅的吸力面上安置有壁面静压测量装置，以测量叶栅不同位置处的吸力面表面静压，进而判断是否发生流动分离；

叶栅的吸力面上设置有壁面测温装置，以测量壁面温度；

高压高频电源、壁面静压测量装置以及壁面测温装置均由一中央处理器控制。

所述的等离子体激励控制系统，其中，所述绝缘材料为聚四氟乙烯或石英玻璃。

所述的等离子体激励控制系统，其中，所述金属电极为铜电极。

所述的等离子体激励控制系统，其中，所述金属电极形状为长方形。

本发明提供的利用上述等离子体激励控制系统进行控制的方法，包括下述步骤：

1)通过叶栅叶片吸力面上设置的壁面静压测量装置获取叶栅叶片内的流动状态，判断叶栅吸力面是否发生流动分离；

2)若未发生吸力面流动分离，则不施加等离子体激励；

3)若已发生吸力面流动分离，则施加等离子体激励，施加等离子体激励的强度由弱至强，直至抑制吸力面流动分离，并保持叶栅的吸力面温度低于嵌有电极的绝缘材料的击穿温度。

采用本发明系统可减小叶栅的流动损失，提高流体压缩机械效率，增强压缩机械的运行稳定性。

本发明在提高流体压缩机械效率和拓宽稳定性方面与现在运行的技术有很大的区别：等离子体流动控制是一种基于等离子体气动激励的新概念流动控制技术，等离子体激励以等离子体为载体，对流场施加一种可控的扰动。而本发明的几个创新点体现在：

1)等离子体激励是电激励，没有运动部件；

2)结构简单、功耗低、激励参数容易调节；

3)激励作用频带宽和、响应迅速；

4)不使用时不会带来负面的影响。

附图说明

图1是公知的高负荷叶栅流动分离数值模拟结果(Re＝3.2×10⁴)；其中图1a是速度分布支图，图1b是图1a中分离区附近速度矢量图。

图2是本发明等离子体激励器的结构示意图。

图3是本发明等离子体激励器在叶栅上的布置。

图4是本发明的用于叶栅内流的等离子体激励控制系统示意图。

图5a是施加等离子体激励前后稳态测量结果，图5b是施加等离子体激励前后动态测量结果。

具体实施方式

本发明的目的是要从流体机械气动热力学、等离子体物理学和控制理论学科交叉的角度出发，采用适用于叶栅内流控制的等离子体激励及控制系统，使叶栅内部流动分离损失和掺混损失一直处在较低水平。

本发明的等离子体激励及控制系统适用于叶片式通用流体压缩机械系统，其整个系统的运行是在计算机控制下进行的，通过在叶栅吸力面不同位置施加适当强度的等离子体激励，一方面可以起到抑制叶栅吸力面流动分离的作用，另一方面可以改善叶栅尾迹区的流动状态，起到减小流动损失的作用。

本发明的控制方法包括下述步骤：

A)整个过程是在自适应和反馈模式的框架下执行的；

B)通过叶栅吸力面压力测量装置和控制系统的数据在线处理，获取叶栅内的流动状态；

C)依靠叶栅数据采集和控制系统中计算机设定的控制规律，判断叶栅吸力面是否发生流动分离并执行在线调节步骤。

步骤C中，若对在线采集的数据分析表明未发生吸力面流动分离，则不施加等离子体激励；若对在线采集的数据分析表明已发生吸力面流动分离，则施加等离子体激励，该施加等离子体激励分几步骤进行：

1)施加低强度(激励电压＜10kV)的等离子体激励；

2)在线监测吸力面流动分离状况是否改善；

3)如果低强度等离子体激励成功抑制了吸力面流动分离，则保持该激励电压，同时监测激励器附近的温度，保证温度低于绝缘材料击穿温度，确保激励器不会被击穿。

4)如果低强度等离子体激励无法抑制了吸力面流动分离，则增大激励电压，施加中等强度的等离子体激励(10kV-15kV)，同时监测激励器附近的温度，保证温度低于绝缘材料击穿温度，确保激励器不会被击穿。

5)如果中等强度等离子体激励无法抑制了吸力面流动分离，则增大激励电压，施加高强度的等离子体激励(15kV-20kV)，同时监测激励器附近的温度，保证温度低于绝缘材料击穿温度，确保激励器不会被击穿。

为了更清楚地了解本发明的内容，现以某叶栅发生吸力面流动分离的速度云图和速度矢量图(见图1)，进行说明。

高负荷压气机叶栅由于折转角比较大，附面层内的动量不足以克服沿流向的压力增加时，会发生吸力面流动分离，造成大的分离损失，图1a和图1b给出了数值模拟的结果。

图1a速度云图中的蓝色区域为速度分离区，图1b为分离区附近速度矢量图，由此可明显看出速度回流以及分离涡。流动分离会造成较大的流动损失，同时会引发压气机发生失速。

请结合图2和图3所示。本发明的等离子体激励器2的结构示意图参见图2，在绝缘材料11两侧非对称地布置两块金属电极12、13，一块金属电极12裸露在周围的空气中，另一块金属电极13嵌在绝缘材料11里(本发明可以采用但不限于比如铜材料制成的长方形的金属电极，绝缘材料可以采用但不限于比如聚四氟乙烯或石英玻璃等)。在高压高频交流电6的作用下，可在裸露的金属电极12的一侧生成弱电离的低温等离子体A，通过离子与中性气体分子的碰撞向边界层输送能量，使周围空气形成静流量为零(ZNMF)的水平方向射流，加速附面层内的气流流动。

图3是本发明的等离子体激励器10在叶栅5吸力面上的布置，由图3可见在叶栅5吸力面上布置了多对等离子体激励器2。由高压高频交流电6向两个金属电极12、13提供工作电源，在高频高压交流电的作用下，嵌入绝缘材料内的金属电极13上方即裸露的金属电极12一侧生成弱电离的低温等离子体，通过离子与中性气体分子的碰撞向边界层(即与叶栅吸力面的壁面距离约为5mm的区域)输送能量，使金属电极13的周围(即电极上游2mm至电极下游10mm的边界层区域)空气形成静流量为零的水平方向射流，加速附面层内的气流流动(如图3中箭头B所示)。通过向边界层输入能量，等离子体激励可以起到抑制流动分离的作用，进而获得减小流动损失的效果。

图4是本发明的等离子体激励控制系统示意图，本发明的控制装置中各部件的功能如下：

1-叶栅端壁，为叶栅叶片提供支撑，并将压缩气体封闭在通道内；

2-等离子体激励器，接通高压电后产生等离子体，加速附近空气；

3-壁面静压测量装置，测量不同位置处的吸力面表面静压，进而判断是否发生流动分离；

4-壁面测温装置，测量壁面温度，保证不超温，防止激励器被击穿；

5-叶栅叶片，起到压缩空气的作用；

6-高压交流电源，为等离子体激励器提供电源；

7-等离子体激励数据采集和控制系统集成，是整个系统的信号分析、控制指令发出、数据采集的中央处理器。

本发明控制装置中各部件及各部件的连接组装都是已有技术，在此不作赘述

本发明系统的具体执行步骤如下：

一、依据壁面静压测量装置3获得的吸力面静压沿叶栅弦向的分布，通过等离子体激励数据采集和控制系统集成7判断是否发生吸力面流动分离；

二、如果未发生流动分离则不动作；

三、如果发生吸力面流动分离则等离子体激励数据采集和控制系统集成7启动高压电源6，为等离子体激励器2供电，施加低强度等离子体激励；

四、通过壁面测温装置4监测壁面温度，如果壁面温度超温则降低激励电压，直至壁面温度低于激励器的击穿温度；

五、通过等离子体激励数据采集和控制系统集成7判断是否发生吸力面流动分离，如果低强度等离子体激励无法抑制流动分离，则进一步增大激励电压；

六、如果低强度等离子体激励能够抑制流动分离，则保持激励电压不变，同时通过壁面测温装置4监测壁面温度，如果壁面温度超温则降低激励电压，直至壁面温度低于激励器的击穿温度。

本发明在压气机叶栅实验台上进行了实验验证，该叶栅的基本参数如表1所示。实验中利用热线研究了等离子体激励对栅后总压、速度以及流动分离的影响，实验结果如图5所示。其验证结果与本发明提出的设想一致。

表1  高负荷压气机叶栅参数

由图5可见，发生吸力面流动分离后尾迹宽度明显增大，速度和湍流度的波动也加大(图5a、b)，说明流动很不稳定；施加18kV等离子体激励后，尾迹宽度略有减小、速度增大、湍流度减小，但湍流度的波动还比较明显(图5b)；激励强度增加到20kV时，尾迹宽度进一步减小，同时湍流度的波动基本消除，说明流动比较稳定；激励强度增大至22kV，对流动有所改善，但并不明显。

Claims (5)

1、一种用于叶栅内流的等离子体激励控制系统，其包括：

多个等离子体激励器，每一个等离子体激励器均是在一绝缘材料的两侧面非对称地各设置一金属电极；其中一金属电极嵌在绝缘材料中，另一金属电极裸露在空气中；

各等离子体激励器分散地设置在叶栅的吸力面上，且各等离子体激励器嵌在绝缘材料中的金属电极一面朝向叶栅的吸力面；各等离子体激励器的两个电极分别连接一高压高频电源；在该高压高频电源的作用下，各等离子体激励器嵌在绝缘材料中的金属电极上方生成等离子体，并通过等离子体与中性气体分子的碰撞向叶栅边界层输送能量，使叶栅周围空气形成静流量为零的水平方向射流，加速叶栅附面层内的气流流动；

叶栅支撑固定在叶栅端壁内，该叶栅端壁将压缩气体封闭在通道内；

叶栅的吸力面上安置有壁面静压测量装置，以测量叶栅不同位置处的吸力面表面静压，进而判断是否发生流动分离；

叶栅的吸力面上设置有壁面测温装置，以测量壁面温度；

高压高频电源、壁面静压测量装置以及壁面测温装置均由一中央处理器控制。

2、如权利要求1所述的等离子体激励控制系统，其中，所述绝缘材料为聚四氟乙烯或石英玻璃。

3、如权利要求1所述的等离子体激励控制系统，其中，所述金属电极为铜电极。

4、如权利要求1所述的等离子体激励控制系统，其中，所述金属电极形状为长方形。

5、一种利用权利要求1所述等离子体激励控制系统进行控制的方法，包括下述步骤：

1)通过叶栅叶片吸力面上设置的壁面静压测量装置获取叶栅叶片内的流动状态，判断叶栅吸力面是否发生流动分离；

2)若未发生吸力面流动分离，则不施加等离子体激励；

3)若已发生吸力面流动分离，则施加等离子体激励，施加等离子体激励的强度由弱至强，直至抑制吸力面流动分离，并保持叶栅的吸力面温度低于嵌有电极的绝缘材料的击穿温度。

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