拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置的製作方法
2023-09-22 19:11:25
專利名稱：拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種拓寬壓氣機穩定運行區域的裝置，尤其是指一種拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置。
圍繞上述壓氣機運行過程中的流動失穩現象(喘振和旋轉失速)，近十年來國際上開展了許多開拓性的研究工作。但目前的控制方式均採用被動的控制方式，即末級放氣、和機匣處理的方式，在航空發動機上採用降低噴油量，從而減少發動機運行負荷的方式。但這種方式一方面減少了機組的運行效率，另一方面也影響到系統的穩定運行，嚴重時將導致系統發生喘振，引起災難性事故。從目前旋轉失速主動控制技術的應用前景看，由於其控制機構的魯棒性、執行機構的高頻響性、和反饋控制模型的時變性的局限，阻礙了這一技術在壓氣機上的實際應用。
為實現上述目的，本實用新型提供一種拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置，包括多個高頻響動態壓力傳感器，一個位於多級、軸流壓氣機最後一級靜葉後緣的機匣處，其餘在每個動葉頂部機匣處安裝一個；一個前置信號放大器與這些高頻響動態壓力傳感器輸出端連接；一個低通濾波模塊與該前置信號放大器的輸出端連接；一個模數轉換器與該低通濾波模塊的輸出端連接；多個數值信號處理器DSP(Digital Signal Processor)分別以並聯的方式與該模數轉換器的輸出端連接，數值信號處理器的數目與高頻響動態壓力傳感器數目相同；一個數模轉換器與上述這些數值信號處理器的輸出端共同連接；一個高頻響氣力輸送控制閥，電性連接該數模轉換器，用以控制氣管中氣體的流量；一根材質為不鏽鋼管的氣管與多級、軸流壓氣機連通，安裝有該高頻響氣力輸送控制閥，氣管入口處位於多級、軸流壓氣機的最後一排靜葉的下遊；一個穩壓罐與該氣管的出口處相連，引出多個材質為不鏽鋼管的支氣管，支氣管數目與高頻響動態壓力傳感器數目相同；多個微噴量電磁控制閥電性連接該數模轉換器，分別安裝在這些支氣管上，每個支氣管安裝一個；多個微噴嘴，分別安裝在這些支氣管的出口處，位於多級、軸流壓氣機第一級動葉前緣處。
上述拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置，其中所述的數模轉換器是16位數模轉換器。
上述拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置，其中所述的數值信號處理器DSP是FFT運算處理晶片。
由上述的拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置可以看出，本實用新型有如下優點利用在多級、軸流壓氣機動葉進口前緣布置可控氣流噴射裝置，噴射微流量高壓氣流來拓寬系統穩定性運行區域。通過微噴量氣流的動態效應改變動葉通道內部的非定常流動特徵(動葉頂部洩漏渦的流動規律、動葉吸力面邊界層的分離趨勢、動葉頂部附近動力載荷的分布規律)，抑制系統和局部流動失穩擾動因素的遞增趨勢，拓寬系統穩定區域和提高壓氣機壓比。簡而言之就是在不改變系統穩態特性、壓氣機運行效率、壓氣機主要結構部件的基礎上，拓寬了多級、軸流壓氣機的穩定運行區域。
如
圖1、2所示，由電動機20提供動力，四級軸流壓氣機5吸入氣體，流經動葉6和靜葉6a氣體被壓縮，經出口調節閥7控制噴出的氣體流量和壓力。
四個高頻響動態壓力傳感器8、9、10、11，傳感器是美國KULITE傳感器公司生產的XCS-190系列的差壓式、高頻響壓力傳感器，傳感器動態頻響為150KHz。傳感器8、9、10均安裝在各級動葉頂部機匣處，軸向位置在動葉的前緣處，傳感器11安裝在最後一級的靜葉後緣的機匣上。這些高頻響動態壓力傳感器採集壓氣機運行時的動態壓力信號；這些高頻響動態壓力傳感器共同連接到一個前置信號放大器12，將採集到的信號輸入並模擬放大，前置信號放大器的增益選擇以壓氣機穩定運行時的最高壓力值為上限，且上限值選擇在4.5伏的量級上；該前置信號放大器12的另一端連接到一個低通濾波模塊13，將高頻信號、白噪聲信號、和控制電路自激振蕩信號截斷和隔離，獲得採集信號中低頻脈動特徵；該低通濾波模塊13的另一端連接到一個16位模數轉換器14，將模擬信號轉變成數值信號；該16位模數轉換器的另一端有四路並聯分支，連接到四個數值信號處理器DSP15、16、17、18，該數值信號處理器選用FFT運算處理晶片，同步分析模數轉換器14輸入的數值信號，分析壓氣機運行工況流動失穩先兆信號一階諧波的變化特徵，並完成採集信號的功率譜搜索，如果未發現符合預先設定一階諧波頻率幅值的要求，則不發出控制信號，繼續進行壓氣機動態信號的採集；如果功率譜搜索完畢後，發現符合預先設定一階諧波頻率幅值的要求，則根據預先設定的閥值，發出控制輸出信號；這些數值信號處理器的另一端共同連接到一個數模轉換器19，將數值控制信號轉變成模擬控制輸出信號；該數模轉換器19的另一端有五個並聯分支，一個分支連接到高頻響氣力輸送控制閥4，其餘四個分支連接到四個微噴量電磁控制閥2(圖中用一個示意)；該高頻響氣力輸送控制閥4安裝在一根氣管21上，該氣管21材質為不鏽鋼管。高頻響氣力輸送控制閥4接受信號後控制氣管21內的氣流；氣管21與多級、軸流壓氣機連通，其入口處位於多級、軸流壓氣機的最後一排靜葉的下遊，以避免過高的流體擾動；氣管21出口處連接一個穩壓罐3，該穩壓罐引出四個支氣管22，該四個支氣管22材質為不鏽鋼管，該穩壓罐3根據運行工況的要求，設定穩定的壓力值，將高壓氣流通過支氣管輸送到微噴量電磁控制閥2，該微噴量電磁控制閥2就安裝在這些支氣管22上；支氣管出口處分別安裝四個微噴嘴1，微噴嘴1都布置在第一級動葉前緣處，軸向位置為在動葉前，通過控制氣流壓力和速度，使之噴射出小於壓氣機設計流量千分之一的範圍的微流量的高壓氣流，從而改變動葉通道內部氣體流動的非定常特徵，實現拓寬多級、軸流壓氣機穩定工作區域的目的。
上述所涉及到的微噴嘴1、微噴量電磁控制閥2、穩壓罐3以及高頻響應氣力輸送控制閥4均是機械和控制領域廣泛採用的元器件，普通的工程技術人員均能理解和匹配。其中微噴量電磁控制閥2是四個電磁控制閥，其運行原理是接受一個0-5伏的直流方波信號觸發電磁閥工作，使其按預先設定的開度打開微噴量電磁控制閥。高頻響應氣力輸送控制閥4運行原理與其相同。
當軸流壓氣機是其他級數時，相應的增加或減少高頻響動態壓力傳感器的數目，每級動葉頂部機匣處和最後一級靜葉後緣的機匣處安裝一個；數值信號處理器DSP、微噴量電磁控制閥2、支氣管22、微噴嘴1以及電性連接線路也相應的增加或減少數目。
權利要求1.一種拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置，其特徵是包括多個高頻響動態壓力傳感器，一個位於多級、軸流壓氣機最後一級靜葉後緣的機匣處，其餘在每個動葉頂部機匣處安裝一個；一個前置信號放大器與這些高頻響動態壓力傳感器輸出端連接；一個低通濾波模塊與該前置信號放大器的輸出端連接；一個模數轉換器與該低通濾波模塊的輸出端連接；多個數值信號處理器DSP分別以並聯的方式與該模數轉換器的輸出端連接，數值信號處理器的數目與高頻響動態壓力傳感器數目相同；一個數模轉換器與上述這些數值信號處理器的輸出端共同連接；一個高頻響氣力輸送控制閥，電性連接該數模轉換器；一根材質為不鏽鋼管的氣管與多級、軸流壓氣機連通，安裝有該高頻響氣力輸送控制閥，氣管入口處位於多級、軸流壓氣機的最後一排靜葉的下遊；一個穩壓罐與該氣管的出口處相連，引出多個材質為不鏽鋼管的支氣管，支氣管數目與高頻響動態壓力傳感器數目相同；多個微噴量電磁控制閥電性連接該數模轉換器，分別安裝在這些支氣管上，每個支氣管安裝一個；多個微噴嘴，分別安裝在這些支氣管的出口處，位於多級、軸流壓氣機第一級動葉前緣處。
2.根據權利要求1所述的拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置，其特徵在於其中所述的數模轉換器是16位數模轉換器。
3.根據權利要求1所述的拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置，其特徵在於其中所述的數值信號處理器DSP是FFT運算處理晶片。
專利摘要一種利用反饋控制原理拓寬多級、軸流壓氣機穩定運行區域的裝置，由多個高頻響動態壓力傳感器採集壓氣機運行時的動態壓力信號，串聯一個前置信號放大器、一個低通濾波模塊、一個模數轉換器、多個並聯的數值信號處理器DSP、另一個數模轉換器、一個高頻響氣力輸送控制閥、一個穩壓罐、多個微噴量電磁控制閥、多個微噴嘴。通過控制微噴嘴射出微流量的高壓氣流，從而改變動葉通道內部氣體流動的非定常特徵，推遲旋轉失速現象發生所對應的臨界流量。其優點在於在不改變系統穩態特性、壓氣機運行效率、壓氣機主要結構部件的基礎上，拓寬了多級、軸流壓氣機的穩定運行區域。
文檔編號F01D17/00GK2545370SQ0223870
公開日2003年4月16日 申請日期2002年6月13日 優先權日2002年6月13日
發明者聶超群, 徐綱, 陳靜宜, 黃偉光 申請人:中國科學院工程熱物理研究所