CN1291161C - 拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用反馈控制原理拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，采集多级、轴流压气机运行时的动态压力信号；信号经模拟放大、低通滤波、模数转换器，输入数值信号处理器DSP同步分析流动失稳先兆信号一阶谐波的变化特征，然后根据预先设定的阀值，捕捉系统内部流动失稳的先兆信号，并发出控制输出信号；再通过数模转换器，传送给多个微喷量电磁控制阀和一个高频响气力输送控制阀；再控制微喷嘴，使之喷射出微流量的高压气流，从而改变动叶通道内部气体流动的非定常特征，推迟旋转失速现象发生所对应的临界流量，实现本发明的目的。本发明还涉及实现该拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法的装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种拓宽压气机稳定运行区域的方法，尤其是指一种拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法。
背景技术
轴流压气机大量运用在航空发动机和工业生产中。
在1)N.A.Cumpsty，“Compressor Aerodynamics(压气机空气动力学)”，Longman Group UK，1989，ISBN 0-470-21334-5(Wiley).2)Ronald，C.Pampreen，“Compressor Surge and Stall(轴流压气机内部旋转失速和喘振)”，Concepts ETI，Inc.，ISBN 0-933283-05-9.3)Day，I.J.，1993，“ActiveSuppression of Rotating Stall and Surge in Axial Compressors(轴流压气机内部旋转失速和喘振的主动抑制)”，ASME Journal of Turbomachinery，Vol.115，pp.400-47.4)Chaoqun NIE，Gang Xu，Xiaobin Cheng，and Jingyi Chen，2002，“Micro Air Injection and Its Unsteady Response in a Low-Speed AxialCompressor(低速轴流压气机微喷气和它的非定常响应)”，ASME Journalof Turbomachinery，Vol.124，pp.572-579中记载有如下内容：当多级、轴流压气机临近失速边界时，叶片通道内部吸力面边界层流动分离现象和各级稳定性匹配的非线性耦合机制发生了变化，在系统或局部流动失稳因素的诱导下，导致压气机发生旋转失速现象，也就是，在叶片通道内部出现失速团，这类旋转失速团以转子旋转频率的百分之四十至百分之六十的量级逆向旋转，引起叶片通道内部正常流动规律的破坏。所产生的破坏性主要体现在压比急剧下降，压气机低频振动现象严重。
围绕上述压气机运行过程中的流动失稳现象(喘振和旋转失速)，近十年来国际上开展了许多开拓性的研究工作。但目前的控制方法均采用被动的控制方式，即末级放气和机匣处理的方式，在航空发动机上采用降低喷油量，从而减少发动机运行负荷的方式。但这种方式一方面减少了机组的运行效率，另一方面也影响到系统的稳定运行，严重时将导致系统发生喘振，引起灾难性事故。从目前旋转失速主动控制技术的应用前景看，由于其控制机构的鲁棒性、执行机构的高频响性、和反馈控制模型的时变性的局限，阻碍了这一技术在压气机上的实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种在不影响多级、轴流压气机机运行效率的情况下拓宽其稳定运行的流量范围，拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法。本发明的另一个目的是提供一种用于实现该拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法的装置。
为实现上述目的，本发明提供一种拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，包括以下步骤：
首先，通过分别位于多级、轴流压气机各级动叶顶部机匣处和最后一级静叶后缘的机匣处的高频响动态压力传感器采集压气机运行时的动态压力信号，每个机匣处安装一个高频响动态压力传感器；
然后将上述信号分别传送到一个前置信号放大器，进行模拟放大，放大器的增益选择以压气机稳定运行时的最高压力值为上限；
然后前置信号放大器输出的信号通过低通滤波模块，将高频信号、白噪声信号和控制电路自激振荡信号截断和隔离，获得采集信号中的低频脉动特征；
然后低通滤波模块输出的信号再经过模数转换器，将模拟信号转变成数值信号；
上述的数值信号输入与高频响动态压力传感器同等数目的数值信号处理器DSP(Digital Signal Processor)同步分析压气机运行工况流动失稳先兆信号一阶谐波的变化特征，并完成采集信号的功率谱搜索，如果未发现符合预先设定一阶谐波频率幅值的要求，则不发出控制信号，继续进行压气机动态信号的采集；如果功率谱搜索完毕后，发现符合预先设定一阶谐波频率幅值的要求，则根据预先设定的阀值，发出控制输出信号；
该控制输出信号再通过数模转换器，将数值控制信号转变成模拟控制输出信号；
该模拟控制输出信号分别传送到与高频响动态压力传感器数目相同的微喷量电磁控制阀和一个高频响气力输送控制阀；该高频响气力输送控制阀接受信号后送出高压脉动气流到稳压罐；该稳压罐根据运行工况的要求，设定稳定的压力值，将高压气流输送到微喷量电磁控制阀；
最后由这些微喷量电磁控制阀控制安装在第一级动叶前缘处的微喷嘴，通过控制气流压力和速度，使之喷射出微流量的高压气流，从而改变动叶通道内部气体流动的非定常特征，拓宽压气机稳定运行区域。
上述的拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，其中所述的前置信号放大器增益的上限值选择在4.5伏的量级上。
上述的拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，其中所述的数模转换器是16位数模转换器。
上述的拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，其中所述的数值信号处理器DSP是FFT运算处理芯片。
上述的拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，其中所述的喷射出微流量的高压气流的流量小于压气机设计流量千分之一的范围。
一种用于实现本发明拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法的装置，包括：
多个高频响动态压力传感器，一个位于多级轴流压气机最后一级静叶后缘的机匣处，其余在每个动叶顶部机匣处安装一个；
一个前置信号放大器与这些高频响动态压力传感器输出端连接；
一个低通滤波模块与该前置信号放大器的输出端连接；
一个模数转换器与该低通滤波模块的输出端连接；
多个数值信号处理器DSP分别以并联的方式与该模数转换器的输出端连接，数值信号处理器的数目与高频响动态压力传感器数目相同；
一个数模转换器与上述这些数值信号处理器的输出端共同连接；
一个高频响气力输送控制阀，电性连接该数模转换器，用以控制气管中气体的流量；
一根材质为不锈钢的气管与多级、轴流压气机连通，安装有该高频响气力输送控制阀，气管入口处位于多级、轴流压气机的最后一排静叶的下游；
一个稳压罐与该气管的出口处相连，引出多个材质为不锈钢的支气管，支气管数目与高频响动态压力传感器数目相同；
多个微喷量电磁控制阀电性连接该数模转换器，分别安装在这些支气管上，每个支气管安装一个；
多个微喷嘴，分别安装在这些支气管的出口处，位于多级轴流压气机第一级动叶前缘处。
上述拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法的装置，其中所述的数模转换器是16位数模转换器。
上述拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法的装置，其中所述的数值信号处理器DSP是FFT运算处理芯片。
由上述的拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法和实现该拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法的装置可以看出，本发明有如下优点：利用在多级、轴流压气机动叶进口前缘布置可控气流喷射装置，喷射微流量高压气流来拓宽系统稳定性运行区域。通过微喷量气流的动态效应改变动叶通道内部的非定常流动特征(动叶顶部泄漏涡的流动规律、动叶吸力面边界层的分离趋势、动叶顶部附近动力载荷的分布规律)，抑制系统和局部流动失稳扰动因素的递增趋势，拓宽系统稳定区域和提高压气机压比。简而言之就是：在不改变系统稳态特性、压气机运行效率、压气机主要结构部件的基础上，拓宽了多级、轴流压气机的稳定运行区域。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明方法的控制流程图。
具体实施方式
为更清楚描述本发明，本实施例以四级轴流压气机为例。
如图1、2所示，由电动机20提供动力，四级轴流压气机5吸入气体，流经动叶6和静叶6a气体被压缩，经气流出口调节阀7控制喷出的流量和压力。
通过四个高频响动态压力传感器8、9、10、11采集压气机运行时的动态压力信号，高频响动态压力传感器8、9、10安装在各级动叶顶部机匣处，传感器11安装在最后一级的静叶后缘的机匣上；然后该信号分别传送到一个前置信号放大器12，将采集的动态信号进行模拟放大，放大器的增益选择以压气机稳定运行时的最高压力值为上限，且上限值选择在4.5伏的量级上；然后通过低通滤波模块13，将高频信号、白噪声信号、和控制电路自激振荡信号截断和隔离，获得采集信号中低频脉动特征；再经过16位模数转换器14，将模拟信号转变成数值信号，输入四个数值信号处理器DSP15、16、17、18，该数值信号处理器可采用FFT运算处理芯片，同步分析不同压气机运行工况流动失稳先兆信号一阶谐波的变化特征，并完成采集信号的功率谱搜索，如果未发现符合预先设定一阶谐波频率幅值的要求，则不发出控制信号，继续进行压气机动态信号的采集；如果功率谱搜索完毕后，发现符合预先设定一阶谐波频率幅值的要求，则根据预先设定的阀值，发出控制输出信号；再通过数模转换器19，将上述发出的数值控制信号转变成模拟控制输出信号；该信号分别传送到四个微喷量电磁控制阀2(图中用一个示意)和一个高频响气力输送控制阀4；该高频响气力输送控制阀接受信号后送出高压脉动气流到稳压罐3；该稳压罐3根据运行工况的要求，设定稳定的压力值，将高压气流输送到微喷量电磁控制阀2；最后由这些微喷量电磁控制阀控制四个微喷嘴1，微喷嘴1布置在第一级动叶前缘处，通过控制气流压力和速度，使之喷射出小于压气机设计流量千分之一的范围的微流量的高压气流，从而改变动叶通道内部气体流动的非定常特征，实现拓宽多级、轴流压气机稳定工作区域的目的。
本实施例装置包括：四个高频响动态压力传感器8、9、10、11，传感器是美国KULITE传感器公司生产的XCS-190系列的差压式、高频响压力传感器，传感器动态频响为150KHz。传感器8、9、10均安装在各级动叶顶部机匣处，轴向位置在动叶的前缘处。传感器11安装在最后一级的静叶后缘的机匣上。这些高频响动态压力传感器共同连接到一个前置信号放大器12；该前置信号放大器的另一端连接到一个低通滤波模块13；该低通滤波模块的另一端连接到一个16位模数转换器14；该16位模数转换器的另一端到有四路并联分支，连接到四个数值信号处理器DSP15、16、17、18，该数值信号处理器选用FFT运算处理芯片；这些数值信号处理器的另一端共同连接到一个数模转换器19；该数模转换器的另一端有五个并联分支，一个分支连接到高频响气力输送控制阀4，其余四个分支连接到四个微喷量电磁控制阀2；该高频响气力输送控制阀4安装在一根气管21上，材质为不锈钢；该气管21与多级轴流压气机连通，其入口处位于多级轴流压气机的最后一排静叶的下游，以避免过高的流体扰动。气管21出口处连接一个稳压罐3；该稳压罐引出四个支气管22，支气管22采用不锈钢，该四个支气管22出口处分别安装四个微喷嘴1，微喷嘴1都布置在第一级动叶前缘处，轴向位置为在动叶前。这些支气管22上分别安装有前述的微喷量电磁控制阀2。
上述所涉及到的微喷嘴1、微喷量电磁控制阀2、高频响应气力输送控制阀4以及稳压罐3均是机械和控制领域广泛采用的元器件，普通的工程技术人员均能理解和匹配。其中微喷量电磁控制阀2是四个电磁控制阀，其运行原理是接受一个0-5伏的直流方波信号触发电磁阀工作，使其按预先设定的开度打开微喷量电磁控制阀。高频响应气力输送控制阀4运行原理与其相同。
当轴流压气机是其他级数时，相应的增加或减少高频响动态压力传感器的数目，每级动叶顶部机匣处和最后一级静叶后缘的机匣处安装一个；数值信号处理器DSP、微喷量电磁控制阀2、支气管22、微喷嘴1以及电性连接线路也相应的增加或减少数目。
Claims (5)
1、一种拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，通过分别位于多级轴流压气机各级动叶顶部机匣处和最后一级静叶后缘的机匣处的高频响动态压力传感器采集压气机运行时的动态压力信号，每个机匣处安装一个高频响动态压力传感器；
然后将上述信号分别传送到一个前置信号放大器，进行模拟放大，放大器的增益选择以压气机稳定运行时的最高压力值为上限；
然后前置信号放大器输出的信号通过低通滤波模块，将高频信号、白噪声信号和控制电路自激振荡信号截断和隔离，获得采集信号中的低频脉动特征；
然后低通滤波模块输出的信号再经过模数转换器，将模拟信号转变成数值信号；
上述的数值信号输入与高频响动态压力传感器同等数目的数值信号处理器DSP同步分析压气机运行工况流动失稳先兆信号一阶谐波的变化特征，并完成采集信号的功率谱搜索，如果未发现符合预先设定一阶谐波频率幅值的要求，则不发出控制信号，继续进行压气机动态信号的采集；如果功率谱搜索完毕后，发现符合预先设定一阶谐波频率幅值的要求，则根据预先设定的阀值，发出控制输出信号；
该控制输出信号再通过数模转换器，将数值控制信号转变成模拟控制输出信号；
该模拟控制输出信号分别传送到与高频响动态压力传感器数目相同的微喷量电磁控制阀和一个高频响气力输送控制阀；该高频响气力输送控制阀接受信号后送出高压脉动气流到稳压罐；该稳压罐根据运行工况的要求，设定稳定的压力值，将高压气流输送到微喷量电磁控制阀；
最后由这些微喷量电磁控制阀控制安装在第一级动叶前缘处的微喷嘴，通过控制气流压力和速度，使之喷射出微流量的高压气流，从而改变动叶通道内部气体流动的非定常特征，实现拓宽多级、轴流压气机稳定工作区域的目的。
2、根据权利要求1所述的拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，其特征在于：其中所述的前置信号放大器增益的上限值选择在4.5伏的量级上。
3、根据权利要求1所述的拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，其特征在于：其中所述的数模转换器是16位数模转换器。
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5、根据权利要求1所述的拓宽多级、轴流压气机稳定运行区域的方法，其特征在于：其中所述的喷射出微流量的高压气流小于压气机设计流量千分之一的范围。
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