CN101666344B - 扩稳增效的等离子体流动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种扩稳增效的等离子体流动控制方法，整个系统的运行是在计算机控制下进行的，通过在压气机机匣固定位置施加适当强度的等离子体激励，一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失的作用。

Description

扩稳增效的等离子体流动控制方法

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增效的新方法，用于航空、化工、发电、冶金、电力、交通、纺织等行业。

技术背景

众所周知，在我国基础性工业领域(化工、发电、冶金、电力、交通、纺织等)运行着大量以叶片形式(轴流、离心，及两者混合)为气动结构基元的流体输送机械，主要包括气体压缩机、通风机、鼓风机和压气机。这类气体输送装置的功率、压比、流量覆盖范围基本上囊括了整个工业应用领域，从计算机芯片风扇到大型炼钢企业的多级压气机群就是一个有力的佐证，而且大部分是直接依靠电力拖动的。因此在完成流体输送的同时，消耗了巨额的电力，据统计表明消耗着全国工业用电量的30-40％的比例。另一方面，从能源高效利用的角度出发，我国目前在工业界广泛运行叶片式流体压缩机械和现有的结构设计体系还存在很大的空间可以挖掘。

此外在航空领域，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、气动稳定裕度和效率。比如提高级增压比，就可以减少风扇、压气机的级数，从而增加发动机的推重比，但是随着压气机增压比的升高，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，并难以保证压气机的正常稳定工作，带来稳定性降低的问题。因此，提高发动机的推重比和使用稳定性，迫切需要采用新型的流动控制手段，来扩大风扇/压气机的稳定性，并提高其效率。

目前在工业界运行的叶片式通用流体压缩机械在实际运行中，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

本发明的目的在于一种扩稳增效的等离子体流动控制方法，在压缩机械流动控制方面提供了一种有效的方法，采用本发明的方法一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失的作用。

为实现上述目的，本发明提供的扩稳增效的等离子体流动控制方法，用于叶片式通用流体压缩机械系统，该系统包括：

压气机机匣，为压气机导叶和静叶提供支撑，并将压缩气体封闭在通道内；

压气机动叶，起到压缩空气的作用；

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；

高压交流电源，为等离子体激励器提供电源；

壁面测温装置，测量壁面温度，保证不超温，防止等离子体激励器被击穿；

进口流量测量装置，与压气机运行数据采集和控制系统(8)中的数据采集系统联结在一起，对压气机的流量进行在线动态采集，并与压气机的转速信号连锁在一起，为系统整体控制提供非设计状态的准确输入信号。

压气机出口压力测量装置，与压气机运行数据采集和控制系统中的数据采集系统联结在一起，对压气机运行的出口压力进行动态监测，并与等离子体激励数据采集和控制系统中失速先兆分析模块联系起来，一旦在动态压力信号中出现失速先兆信号，则发出控制输出信号，开启等离子体激励器；

等离子体激励数据采集和控制系统，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；

该方法包括下述步骤：

1)依据进口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集得到的流量和压力信号，经过压气机运行数据采集和控制系统的数据在线处理，获取压气机目前运行状况；

2)依靠压气机数据采集和控制系统中计算机设定的控制规律，判断压气机是否发生失速并执行在线调节步骤。

所述的方法，其中步骤2中，若在线采集的数据分析表明未发生失速，则不施加等离子体激励。

所述的方法，其中步骤2中，若在线采集的数据分析表明已发生失速，则施加等离子体激励，施加等离子体激励的步骤为：

A、施加等离子体激励时，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；

B、如果激励器附近温度过高，则降低激励电压，继续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；

C、如果激励器附近温度正常，则增大激励电压，继续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。

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。

附图说明

图1是公知的流压气机特性曲线；

图2是公知的变转速，恒定压比系统进入喘振的示意图；

图3是公知的压气机单排叶片速度三角形变化趋势示意图；

图4是本发明采用等离子体激励减小进气功角示意图；

图5是本发明的在机匣上布置等离子体激励器的单转子轴流压气机示意图；

图6是本发明施加等离子体机理前后的实验结果；

图7是本发明采用的等离子体激励器的结构示意图。

具体实施方式

本发明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，采用适用于压气机叶尖泄露流控制的等离子体激励及控制系统，使叶尖泄露流损失和掺混损失一直处在较低水平。

本发明的扩稳增效的等离子体流动控制方法，是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，通过在压气机机匣固定位置施加适当强度的等离子体激励，一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失的作用。

本发明的整个过程是在自适应和反馈模式的框架下执行的；

A、依据入口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集得到的流量和压力信号，经过压气机运行数据采集和控制系统的数据在线处理，获取压气机目前运行状况；

B、依靠压气机数据采集和控制系统中计算机设定的控制规律，判断压气机是否发生失速并执行在线调节步骤。

步骤B中，若对在线采集的数据分析表明未发生失速，则不施加等离子体激励。

步骤B中，若对在线采集的数据分析表明已发生失速，则施加等离子体激励：

1)施加适当强度(激励电压＝10kV)的等离子体激励；

2)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。

3)如果激励器附近温度过高(超过200℃)，则降低激励电压(降低1kV)，继续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)如果激励器附近温度未超过200℃，则增大激励电压(增大1kV)，继续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。

现以某轴流压气机的特性曲线(见图1)进行说明。

喘振线左端为原机组不能工作的区域，系统一旦进入这一区域会发生强烈的流体振荡，严重时会发生机毁人亡的灾难性事故，实际运行时均匹配喘振预报和防喘振措施。点划线为效率相等的工作点，而且随着椭圆封闭区域的减少，效率会增加。图1中的n1、n2、n3、n4、n5、n6曲线，为压气机在不同等转速下运行的特性线，以n5为设计转速，特性线表示了机组压比与流量的对应关系。在导叶和静叶固定安装角不变的情况下，在等转速线的条件下，压比随流量的降低而增加，实际运行时为了避免喘振，都留有一定的喘振裕度，一般为10-15％的范围，也就是运行工作点远离喘振边界线。这就是目前工业界实际运行流体压缩机普遍遵循的设计准则。

当转速降低，也就是运行工况离开设计转速n5时，要保证相同的压比，就会出现图2的现象。例如当转速在n4时，要保证与n5运行的相同压比，则机组必定要进入不可运行的区域，这就是工作点必须出现在喘振边界线的左端。以轴流压气机单排动叶的速度三角形(图3)变化为切入点，可以在机理上解释这一流动失稳现象。

图3中的Va是进气的轴向速度，V1是进气的相对速度，U是叶片旋转在R半径处的切向速度，α1是进气角，β1是叶片的安装角，一般情况下气体的入口攻角δ＝α1-β1＝2°-5°时，叶片通道内部的流动损失为最小。因此，在设计状态下，攻角都设置在2°-5°。依据吴仲华转焓恒定的原理，假使马赫数小于0.28，近似认为是不可压缩流动，则压比与相对转速的关系为：

$\mathrm{\Δp}=p_2-p_1=1/2\mathrm{\ρ}(V_1^2-V_2^2)-\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{losss}}$

可见，压比、流量和叶片通道流动损失是有严格的关系的。如果在恒定转速的条件下，要提高压比，流量必须降低，则Va与V1的夹角α1必须加大，则δ＝α1-β1＞5°，叶片吸力面的分离必定加大，通道内部的流动分离就会加大，流动损失就会加大，另一方面，通道内部的分离团就会形成不稳定分离团，相对于叶片旋转的方向反向旋转，压气机进入喘振和旋转失速。这是在转速不变的情况下，压气机进入喘振左端区域的物理解释。

图2是当压气机偏离设计转速n5时，如果要保持压比恒定，在n4转速下，压气机要进入喘振区域的示意图，因为转速下降，给压气机提供的功必然下降，而要维持压比恒定，则两个相对速度的平方差不变，或者说相对速度的大小不能有大的改变，为保持这一关系，这时流量必须下降。必然导致Va与V1的夹角α1加大，吸力面分离加剧，压气机进入如图2所示的左端区域。可见，在现有固定的进口导叶和固定的静叶安装角的前提下，机组要维持相同压比下，维持系统高效稳定运行是不可能的。

本发明是在满足压比恒定不变的条件下，改善和提高非设计工况的运行效率和稳定性的背景下提出的。

等离子体激励通过在压气机叶尖端壁区诱导沿进口气流方向流动，减小了气流进气功角，抑制叶片吸力面的流动分离，图4是采用等离子体激励减小进气功角示意图，等离子体诱导流动(ΔC)，使进气角增大(β)。

图5是适用于叶栅内流控制的等离子体激励及控制系统示意图，本发明系统的控制装置由：1-压气机机匣，2-动叶，3-等离子体激励器，4-高压电源，5-壁面测温装置，6-进口流量测量装置，7-出口压力测量装置，8-等离子体激励数据采集和控制系统集成。本发明控制装置中个部件、及各部件的连接组装都是已有技术，在此不作赘述。

图7是本发明的等离子体激励器的结构示意图，在绝缘材料11两侧非对称地布置两块金属电极12和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11A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4的作用下，可在嵌入绝缘材料内的金属电极13上方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(如图7中的箭头B所示)。

本发明方法的控制装置中各部件的功能如下：

1-压气机机匣，为压气机导叶和静叶提供支撑，并将压缩气体封闭在通道内；

2-压气机动叶，起到压缩空气的作用；

3-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；

4-高压交流电源，为等离子体激励器提供电源；

5-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；

6-进口流量测量装置，与压气机运行数据采集和控制系统(8)中的数据采集系统联结在一起，对压气机的流量进行在线动态采集，并与压气机的转速信号连锁在一起，为系统整体控制提供非设计状态的准确输入信号。

7-压气机出口压力测量装置，与压气机运行数据采集和控制系统(8)中的数据采集系统联结在一起，对压气机运行的出口压力进行动态监测，并与等离子体激励数据采集和控制系统(8)中失速先兆分析模块联系起来，一旦在动态压力信号中出现失速先兆信号，则发出控制输出信号，开启等离子体激励器；

8-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。

本发明系统的具体执行步骤如下：

1)依据压气机出口压力测量装置7获得动态压力信号，通过等离子体激励数据采集和控制系统集成8判断是否出现失速先兆信号；

2)如果未出现失速先兆信号则不动作；

3)如果出现失速先兆信号则等离子体激励数据采集和控制系统集成8启动高压电源4，为等离子体激励器3供电，施加适当强度等离子体激励(10kV)；

4)通过壁面测温装置5监测壁面温度，如果壁面温度超温(超过200℃)则降低激励电压(降低1kV)，继续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)如果激励器附近温度未超过200℃，则增大激励电压(增大1kV)，继续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；

6)重复步骤4和5的操作。

本发明系统在压气机实验台上进行了实验验证，该实验台的基本参数如表1所示。实验中通过逐步调整压气机出口的节流阀，降低压气机流量直至压气机失速，采集压气机进出口的壁面静压，计算压气机的压升系数ψ和流量系数φ，比较未施加等离子体气动激励和施加激励时的压气机性能和稳定性。实验结果如图6所示。其验证结果与本发明提出的设想一致。

表1压气机实验台的设计参数

转子设计转速/(r/min)	2400
		通道外径/mm	500
轮毂比	0.75
		转子叶片数量	58
级反动度/％	68
		动叶展弦比	1.86
动叶顶部安装角/°	39

动叶顶部弦长/mm	36.3
		设计流量/(kg/s)	2.6

压气机转速为900r/min时，未施加等离子体气动激励和施加激励时，压气机的压升系数-流量系数曲线如图6所示。

由图6可见，施加等离子体气动激励后，压气机近失速流量系数φ_ns降低了5.2％，最大压升系数ψ_max增加了1.08％，等离子体气动激励有效扩大了压气机稳定性，同时使压气机的增压能力略有提升。

Claims (3)

1.一种扩稳增效的等离子体流动控制方法，用于叶片式通用流体压缩机械系统，该系统包括：

压气机机匣，为压气机导叶和静叶提供支撑，并将压缩气体封闭在通道内；

压气机动叶，起到压缩空气的作用；

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；

高压交流电源，为等离子体激励器提供电源；

壁面测温装置，测量壁面温度，保证不超温，防止等离子体激励器被击穿；

进口流量测量装置，与压气机运行数据采集和控制系统中的数据采集系统联结在一起，对压气机的流量进行在线动态采集，并与压气机的转速信号连锁在一起，为叶片式通用流体压缩机械系统整体控制提供非设计状态的准确输入信号；

压气机出口压力测量装置，与压气机运行数据采集和控制系统中的数据采集系统联结在一起，对压气机运行的出口压力进行动态监测，并与等离子体激励数据采集和控制系统中失速先兆分析模块联系起来，一旦在动态压力信号中出现失速先兆信号，则发出控制输出信号，开启等离子体激励器；

等离子体激励数据采集和控制系统，是整个叶片式通用流体压缩机械系统的信号分析、控制指令发出、数据采集的中央处理器；

该方法包括下述步骤：

1)依据进口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集得到的流量和压力信号，经过压气机运行数据采集和控制系统的数据在线处理，获取压气机目前运行状况；

2)依靠压气机数据采集和控制系统中计算机设定的控制规律，判断压气机是否发生失速并执行在线调节步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，若在线采集的数据分析表明未发生失速，则不施加等离子体激励。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，若在线采集的数据分析表明已发生失速，则施加等离子体激励，施加等离子体激励的步骤为：

A、施加等离子体激励时，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；

B、如果激励器附近温度过高，则降低激励电压，继续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；

C、如果激励器附近温度正常，则增大激励电压，继续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。

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