轴流压气机叶顶喷气扩稳技术—机理及智能调控

发布时间：2020-07-25 21:31

【摘要】：轴流压气机旋转失速和喘振问题历来是叶轮机械气动热力学研究的难点和热点,其中旋转失速机理及其控制手段为研究所关注的焦点。国际上经过几十年的数值和实验研究,对压气机失稳机理的认识开始逐渐清晰起来,也得出了对压气机失速的两条基本认识：一是在叶片尺度上的复杂流动造成的流道堵塞,二是在顶部间隙尺度上的泄漏流与主流的相互作用。同时国际上对扩稳措施也开展了许多研究,叶顶喷气作为一种行之有效的扩稳方法,其扩稳效果受到了广泛的关注,学者们也对其扩稳机理进行了相应的研究：基于对失速机理的认识基础上,单一地从对流动分离、堵塞的定常影响,或者从对叶顶间隙泄漏流非定常影响的角度对其扩稳机理进行解释。因此,为了追求更好的扩稳效果,有必要在统一对失稳机理的认识的基础上对其扩稳机理进行深入系统的研究,从而才能有助于设计更加可靠和有效的顶部喷气扩稳系统,减小效率损失,降低顶部喷气机构的复杂程度。本文以实验研究为手段,针对低速和跨音轴流压气机叶顶喷气的不同扩稳机理进行了相关的研究。首先在一台低速压气机上验证了喷气量动量比分界点的存在性,澄清了叶顶微喷气到大喷气的不同扩稳机理。其次,本文提出了一整套将扩稳机理应用到实际压气机中的技术方案。沿用“前失速先兆”的概念,创新地提出了基于互相关分析的检测手段,设计了采用比例阀控制喷气量的控制激发器,以及相应的DSP (Digital Signal Processing)控制器进行叶顶喷气主动控制,实现了根据实际需要光滑地利用不同喷气机理进行扩稳,获得了显著且可靠的喷气扩稳效果。最后,为减小外部气源造成的喷气机构的复杂性,将同样的扩稳思路应用到从压气机后部引气至前缘喷气从而形成自循环的自引气—喷气技术中,设计了自引气—喷气机构并在不同的压气机实验台上对其扩稳效果进行了验证。主要开展了以下几个方面的工作： 1.轴流压气机叶顶喷气扩稳机理的研究。在低速单转子轴流压气机上采用微喷气到大喷气(喷气量从0.13%—3%)进行了叶顶喷气实验研究。在不同的叶顶间隙和喷气径向角度条件下,对随着失速裕度改善(SMI)变化的两个喷气动量比分界点的存在性进行了验证。并根据目前对失稳机理的两条认识对这三个阶段喷气量(微喷气、大喷气及超大喷气)对应的扩稳机理进行了详细的分析：微喷气仅能够减弱了叶顶间隙泄漏涡的强度以及泄漏流非定常性。大喷气既能增加叶顶区域进出口速度以及减小进口气流攻角,推迟叶片吸力面的分离；又能对叶顶间隙泄漏涡起到抑制作用,推迟泄漏流非定常性的产生。超大喷气同样能减小叶顶区域进口气流攻角和推迟叶顶间隙泄漏流非定常性的产生;但随喷气量的增加,喷气对叶高中部的影响更强,而且对压气机的整体性能造成很大的影响,此时压气机的扩稳机制可能已经发生改变。在此基础上为叶顶喷气在实际压气机应用中实现最佳的扩稳效果提供了指导性设计准则。 2.前失速先兆检测机理及检测方法研究。通过壁面动态测量分析了前失速先兆与叶顶间隙泄漏流非定常性的关联性。在此基础上提出了基于互相关分析的检测方法,分析了互相关分析检测方法的有效性,并通过叶顶喷气控制手段对互相关分析检测前失速先兆的可行性进行了验证。提出了基于互相关分析检测前失速先兆的控制策略,为压气机内部流动失稳主动控制中扰动反馈信号的检测提供了解决方案。 3.基于DSP控制器的叶顶喷气扩稳调控研究。充分结合对叶顶喷气扩稳机理以及前失速先兆检测机理的认识,自行设计DSP控制器,结合比例电磁阀和互相关分析检测方法,充分实现从微喷量到大喷量的连续过渡,从而使新的控制系统能够实现同一机构根据工况需要通过两种不同扩稳机理进行扩稳,将扩稳效果提高数倍。不仅在扩稳裕度提升上要远好于基于开关阀的叶顶主动喷气,而且和传统的定常喷气相比,基于比例电磁阀和DSP控制器的叶顶主动喷气在保证扩稳裕度相当的前提下能够节省大量喷气量,具有良好的经济性和实用性。 4.自引气—喷气实验研究。和外部引气进行喷气不同,充分利用压气机进出口的壁面静压差,考察了不同引气角度和喷气偏航角的扩稳效果,并对自引气—喷气的前端喷气机理进行了分析：扩稳效果好的引气方式,对叶顶间隙泄漏涡强度的抑制以及推迟泄漏流非定常性产生的作用要强。实验结果表明：在低速轴流压气机中自引气—喷气方式虽然引气量仅相当于外部引气的微喷量级别,但是扩稳效果要好于外部喷气。另外在跨音轴流压气机上自引气—喷气能够达到8%-15%的扩稳效果,而且合理的设计自引气—喷气机构能够同时到达到扩稳增效的目的,为自引气—喷气走向实际应用提供契机。其核心内容归纳成如下几点：一、研究了叶顶微喷气到大喷气时,流动失稳裕度与喷气动量比之间的关系,得出了两个喷气动量比分界点的存在性。并在机理上分析了喷气动量比分界点前后的喷气量对压气机进出口气动参数、叶顶间隙泄漏涡、叶顶间隙泄漏流非定常性影响的区别和联系。二、澄清了前失速先兆与叶顶间隙泄漏流非定常性之间的关联性,在此基础上提出了采用互相关分析检测前失速先兆的方法,并对其可行性进行了验证。三、通过自行设计DSP控制器,集成了相应控制算法、高速／低速采集通道,结合叶顶喷气扩稳机理和前失速先兆检测方法,完成了叶顶喷气扩稳调控的实验。四、分别在单级低速轴流压气机和单级跨音轴流压气机上考察了自引气—喷气的扩稳效果,研究了不同引气机构扩稳效果的区别,并在机理上对其扩稳的物理机制进行了解释。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH453

【参考文献】