CN104088815A - 一种压气机叶顶等离子体扩稳系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压气机叶顶等离子体扩稳系统，该系统包括：压气机叶片；设置于该压气机叶片上方机匣内的高压电极，该高压电极与该压气机叶片对向布置，且该高压电极上下两侧均包覆有绝缘材料；压力传感器，该压力传感器通过采集板卡连接于电脑；等离子体激励器，该等离子体激励器通过调幅调频电路同时连接于该高压电极和该压气机叶片，且该调幅调频电路还连接于电脑。利用本发明，由于整个系统可以由电脑自动控制，并利用压力传感器检测压气机内壁面压力信号，所示一能够在压气机近失速工况时自动检测失速先兆并且利用叶片顶部和机匣放电产生的等离子体阻挡泄漏流，从而减小流动损失，拓宽稳定裕度，达到推迟失速的目的。

Description

一种压气机叶顶等离子体扩稳系统

技术领域

本发明主要涉及流体机械主动控制技术领域，尤其是一种压气机叶顶等离子体扩稳系统，用于对燃气轮机和航空发动机中压气机的主动流动控制，同时也可以应用于泵与风机等民用叶轮机械中。

背景技术

叶轮机械在国民经济发展中起着重要的作用，泵、风机等在工业中使用极为广泛；而燃气轮机和航空发动机的研制和制造则是一个国家综合科研实力的重要标志。轴流压气机作为燃气轮机和航空发动机的三大部件之一，稳定性是其重要的指标。压气机的工作范围受到失速边界线的限制，为了防止压气机在变工况运行中进入失速状态而出现严重的事故，必须设定足够宽的失速裕度，这样压气机就无法在高压比的工况运行。因此拓展压气机的稳定裕度一直是叶轮机械内部流动失稳控制研究的热点。

叶轮机械内部流动控制作为流体力学的重要分支和研究前沿，实现方法有很多，目前主要有壁面开槽、加肋、喷气等等；介质阻挡放电(DBD)等离子体流动控制作为一种新概念的流动控制技术，可以利用微量的、局部的气流扰动来控制大流量、全局性的特性。DBD等离子体流动控制技术有多种优势：等离子体气动激励是电场作用，没有运动部件、结构简单紧凑、制作方便、运行频带宽以及良好的动态响应特性等。

目前传统的等离子体流动控制电极布置结构如图1所示。在绝缘材料两侧非对称地布置两块金属电极，一块电极(阳极)裸露在周围的空气中，另一块电极(阴极)嵌在绝缘材料中，在高压高频交流电的作用下，可在嵌入绝缘材料内的电极上方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输送能量，使周围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。然而这种布置方式也存在一些缺点，如布线相对复杂，加电电压控制不当容易引起爬电现象等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种压气机叶顶等离子体扩稳系统，以拓展压气机的稳定裕度，实现对压气机的主动流动控制。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种压气机叶顶等离子体扩稳系统，该系统包括：压气机叶片307；设置于该压气机叶片上方机匣内的高压电极308，该高压电极308与该压气机叶片307对向布置，且该高压电极308上下两侧均包覆有绝缘材料；压力传感器304，该压力传感器304通过采集板卡311连接于电脑310；等离子体激励器301，该等离子体激励器301通过调幅调频电路309同时连接于该高压电极308和该压气机叶片307，且该调幅调频电路309还连接于电脑310。

上述方案中，所述压气机叶片307为金属材质，用以作为电极；所述高压电极308与所述压气机叶片307构成对向布置的介质阻挡放电结构。

上述方案中，所述高压电极308设置于该压气机叶片上方机匣内壁面的凹槽中，该凹槽中依次设置第一绝缘材料、所述高压电极308和第二绝缘材料的三层结构，其中第一绝缘材料用以隔离所述高压电极308与机匣，防止机匣带电；第二绝缘材料设置于所述高压电极308与所述压气机叶片307之间，第二绝缘材料的表面与机匣表面平齐。

上述方案中，所述由第一绝缘材料、高压电极308和第二绝缘材料构成的三层结构布置在叶轮机械的多个级中。

上述方案中，其特征在于，所述高压电极308采用的材料为金属铜，所述第一绝缘材料和第二绝缘材料采用的材料为聚四氟乙烯或石英。

上述方案中，所述压力传感器304布置于叶轮机械的级间或该压气机叶片上方机匣壁面上，用以测量级前后的总压和静压以及机匣的壁面压力信号；所述采集板卡311采集该压力传感器304测量的压力信号，然后由所述电脑310对该压力信号进行处理和存储。

上述方案中，所述等离子体激励器301通过所述调幅调频电路309为所述高压电极308和所述压气机叶片307提供等离子体激励信号，所述高压电极308与所述压气机叶片307构成的介质阻挡放电结构在该等离子体激励信号的作用下产生等离子体，该等离子体诱导叶顶流体产生沿叶片沿展向的流动来对叶顶泄漏流产生阻挡作用，从而达到扩稳的目的。

上述方案中，所述电脑310通过所述采集板卡311采集叶轮机械级前后的总压和静压以及机匣的壁面压力信号，对叶轮机械的运行状态进行动态监测，在捕捉到叶轮机械失速信号后，所述电脑310根据失速信号控制所述调幅调频电路309来调节提供给所述高压电极308的等离子体激励信号的频率和大小。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于整个系统可以由电脑自动控制，并利用压力传感器检测压气机内壁面压力信号，所示一能够在压气机近失速工况时自动检测失速先兆并且利用叶片顶部和机匣放电产生的等离子体阻挡泄漏流，从而减小流动损失，拓宽稳定裕度，达到推迟失速的目的。

2、利用本发明，由于没有运动部件，结构简单，所以电线的接入相对比较容易，便于安装和使用。

3、利用本发明，由于本身就是利用叶片与机匣电极之间放电，所以不必像原有的电极错向布置一样会有爬电的问题。

4、利用本发明，由于直接布置在叶顶区域，所以相比原有的布置方式更能够接近泄漏流区域，能够取得更好的控制效果。

附图说明

图1为传统的等离子体流动控制电极布置方式的示意图。

图2为本发明提供的压气机叶顶等离子体扩稳系统的示意图。

图3为本发明提供的等离子体流动控制电极在叶顶和机匣的布置方式。

图4为多级轴流压气机中电极的布置方式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的压气机叶顶等离子体扩稳系统，将传统的电极错向布置改为对向布置，能够在压气机变工况时阻挡泄漏流，推迟失速的发生。如图2所示，图2为本发明提供的压气机叶顶等离子体扩稳系统的示意图，该系统包括等离子体激励器301、零线302、高压线303、压力传感器304和叶轮机械的机匣305、绝缘材料306、压气机叶片307、高压电极308、调幅调频电路309、电脑310和采集板卡311。

其中，压气机叶片307为金属材质，用以作为电极。高压电极308设置于该压气机叶片上方的机匣305内；该高压电极308与该压气机叶片307对向布置，且该高压电极308上下两侧均包覆有绝缘材料306。高压电极308与压气机叶片307构成对向布置的介质阻挡放电结构。

压力传感器304布置于叶轮机械的级间或该压气机叶片上方机匣壁面上，用以测量级前后的总压和静压以及机匣的壁面压力信号。压力传感器304通过采集板卡311连接于电脑310，采集板卡311采集该压力传感器304测量的压力信号，然后由所述电脑310对该压力信号进行处理和存储。

等离子体激励器301通过调幅调频电路309同时连接于该高压电极308和该压气机叶片307，且该调幅调频电路309还连接于电脑310。等离子体激励器301通过调幅调频电路309为高压电极308和压气机叶片307提供等离子体激励信号，高压电极308与压气机叶片307构成的介质阻挡放电结构在该等离子体激励信号的作用下产生等离子体，该等离子体诱导叶顶流体产生沿叶片沿展向的流动来对叶顶泄漏流产生阻挡作用，从而达到扩稳的目的。

等离子体激励器301一般采用高频交流电源，输出频率为10-20kHz，幅值为5-20kV，通过调幅调频电路309为高压电极308和压气机叶片307供电，产生等离子体诱导叶顶流体产生沿叶片沿展向的流动来对叶顶泄漏流产生阻挡作用。等离子体激励器301的高压端通过高压线303连接高压电极308，零线302分为两路，一路接地，另一路连接叶片。

电脑310通过采集板卡311采集叶轮机械级前后的总压和静压以及机匣的壁面压力信号，并通过对采集板卡311采集到压力信号进行分析，对叶轮机械的运行状态进行动态监测，在捕捉到叶轮机械失速信号后，电脑310根据失速信号控制调幅调频电路309来调节提供给高压电极308的等离子体激励信号的频率和大小。

高压电极308和绝缘材料306可以布置在压气机的多个级中，通过电脑可以单独控制每一级叶片叶顶和机匣之间是否需要施加等离子体激励以及所对应的电压的幅值和频率。

等离子体扩稳的电极布置方式如图3所示，由于压气机叶片本身为金属材质，所以可以作为电极；机匣内壁面需要开凹槽，高压电极308设置于该压气机叶片上方机匣内壁面的凹槽中，该凹槽中依次设置第一绝缘材料、高压电极308和第二绝缘材料的三层结构，其中第一绝缘材料用以隔离高压电极308与机匣，防止机匣带电；第二绝缘材料设置于高压电极308与压气机叶片307之间，且第二绝缘材料的表面与机匣表面平齐。高压电极308与压气机叶片成为对向布置的介质阻挡放电结构。高压电极的材料为金属，可以选用铜，绝缘材料306可以采用聚四氟乙烯或石英。

进一步地，由第一绝缘材料、高压电极308和第二绝缘材料构成的三层结构布置在压气机的多个级中，具体如图4所示。在每一级的动叶叶顶的机匣上，根据动叶的轴向弦长，分别布置绝缘材料和电极；级与级之间也需要布置多路压力传感器。调幅调频电路要求有多路输出，每一路输出的电压大小和频率都可以单独控制。叶顶的高压电极线路分别接到调幅调频电路的不同输出中，因此每一级放电与否和放电强度都可以实现单独控制。届时根据压气机的运行工况，可以灵活控制不同级的放电强度，从而达到更好的调控效果。

在本发明中，压气机叶片与轮毂同为金属材质，电流是导通的，零线可以连接到轮毂中，然后由压气机进口或者出口引出连接到等离子体激励器上。零线也要接地，防止发生危险。高压线可以在机匣外壁面钻孔接入到高压电极，高压线要求有较厚的绝缘层，防止击穿现象的发生。

本发明提供的压气机叶顶等离子体扩稳系统，在压气机运行时开启系统，当压气机在设计工况下运行时，此时调幅调频电路不输出功率，叶顶与机匣之间不产生等离子体，压气机正常运行。

当压气机变工况运行时，压力信号会发生改变，电脑通过对压力信号的监控来判断是否需要施加等离子体激励进行扩稳，以及需要产生相应强度的等离子体所需要的电压大小。

若压比逐渐增加且接近失速边界时，电脑根据传感器采集到的压力信号，通过控制调幅调频电路，调节加载在高压电极和叶片之间的电压幅值和频率。此时在叶片的叶顶和机匣内壁面的阻挡介质之间产生介质阻挡放电，形成等离子体。越接近失速边界线，即通过压力信号捕捉到的失速先兆越明显，则放电的电压就越高，等离子体的强度越大，对叶顶泄漏流的阻挡作用越明显，能够推迟失速的发生，达到扩稳的目的。

当压气机压比逐渐降低时，压气机会逐渐远离失速状态，此时电脑根据相应的压力信号逐渐使调幅调频电路输出的电压降低，等离子体产生的强度减弱，直至停止产生等离子体。

另外，本发明中所需要的等离子体激励器301、压力传感器304、调幅调频电路309、电脑310和采集板卡311都可以根据参数需要直接在市面上购买，在此不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压气机叶顶等离子体扩稳系统，其特征在于，该系统包括：

压气机叶片(307)；

设置于该压气机叶片上方机匣内的高压电极(308)，该高压电极(308)与该压气机叶片(307)对向布置，且该高压电极(308)上下两侧均包覆有绝缘材料；

压力传感器(304)，该压力传感器(304)通过采集板卡(311)连接于电脑(310)；

等离子体激励器(301)，该等离子体激励器(301)通过调幅调频电路(309)同时连接于该高压电极(308)和该压气机叶片(307)，且该调幅调频电路(309)还连接于电脑(310)。

2.根据权利要求1所述的压气机叶顶等离子体扩稳系统，其特征在于，所述压气机叶片(307)为金属材质，用以作为电极；

所述高压电极(308)与所述压气机叶片(307)构成对向布置的介质阻挡放电结构。

3.根据权利要求2所述的压气机叶顶等离子体扩稳系统，其特征在于，所述高压电极(308)设置于该压气机叶片上方机匣内壁面的凹槽中，该凹槽中依次设置第一绝缘材料、所述高压电极(308)和第二绝缘材料的三层结构，其中第一绝缘材料用以隔离所述高压电极(308)与机匣，防止机匣带电；第二绝缘材料设置于所述高压电极(308)与所述压气机叶片(307)之间，第二绝缘材料的表面与机匣表面平齐。

4.根据权利要求3所述的压气机叶顶等离子体扩稳系统，其特征在于，所述由第一绝缘材料、高压电极(308)和第二绝缘材料构成的三层结构布置在叶轮机械的多个级中。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的压气机叶顶等离子体扩稳系统，其特征在于，所述高压电极(308)采用的材料为金属铜，所述第一绝缘材料和第二绝缘材料采用的材料为聚四氟乙烯或石英。

6.根据权利要求1所述的压气机叶顶等离子体扩稳系统，其特征在于，所述压力传感器(304)布置于叶轮机械的级间或该压气机叶片上方机匣壁面上，用以测量级前后的总压和静压以及机匣的壁面压力信号；所述采集板卡(311)采集该压力传感器(304)测量的压力信号，然后由所述电脑(310)对该压力信号进行处理和存储。

7.根据权利要求1所述的压气机叶顶等离子体扩稳系统，其特征在于，所述等离子体激励器(301)通过所述调幅调频电路(309)为所述高压电极(308)和所述压气机叶片(307)提供等离子体激励信号，所述高压电极(308)与所述压气机叶片(307)构成的介质阻挡放电结构在该等离子体激励信号的作用下产生等离子体，该等离子体诱导叶顶流体产生沿叶片沿展向的流动来对叶顶泄漏流产生阻挡作用，从而达到扩稳的目的。

8.根据权利要求1所述的压气机叶顶等离子体扩稳系统，其特征在于，所述电脑(310)通过所述采集板卡(311)采集叶轮机械级前后的总压和静压以及机匣的壁面压力信号，对叶轮机械的运行状态进行动态监测，在捕捉到叶轮机械失速信号后，所述电脑(310)根据失速信号控制所述调幅调频电路(309)来调节提供给所述高压电极(308)的等离子体激励信号的频率和大小。