【摘要】： NF-6風(fēng)洞是我國(guó)第一座具有國(guó)際先進(jìn)水平的大型連續(xù)式高雷諾數(shù)跨聲速翼型風(fēng)洞，由于其軸流壓縮機(jī)工作在高壓低溫環(huán)境中，受風(fēng)洞結(jié)構(gòu)限制入口氣流脈動(dòng)很大，很容易導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，嚴(yán)重危及運(yùn)行人員的人身安全和設(shè)備的正常工作。當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，其流量、壓力、振動(dòng)和溫度等喘振表征信號(hào)會(huì)出現(xiàn)常規(guī)條件下難以想像的現(xiàn)象，目前在國(guó)際上能借鑒的資料不多，在國(guó)內(nèi)也是首次研究，因此對(duì)有關(guān)信號(hào)的檢測(cè)、分析與預(yù)測(cè)對(duì)于預(yù)防喘振現(xiàn)象的發(fā)生具有非常重要的科學(xué)意義和社會(huì)價(jià)值。然而，由于對(duì)風(fēng)洞壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象的研究屬于交叉學(xué)科，內(nèi)容涉及空氣動(dòng)力學(xué)、信號(hào)檢測(cè)與處理、旋轉(zhuǎn)機(jī)械和控制等多個(gè)領(lǐng)域，需要考慮的因素很多。本論文利用多學(xué)科的知識(shí)，特別從信號(hào)檢測(cè)與處理的角度，，主要通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，在考慮風(fēng)洞和壓縮機(jī)相互耦合、相互影響的基礎(chǔ)上，將風(fēng)洞和壓縮機(jī)作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)研究，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和結(jié)果如下： 1．經(jīng)過(guò)分析，得到了NF-6風(fēng)洞和軸流壓縮機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定工作條件，為喘振信號(hào)的檢測(cè)提供了理論依據(jù)。 提出用信號(hào)與系統(tǒng)的觀點(diǎn)研究連續(xù)式高速風(fēng)洞這個(gè)復(fù)雜的氣體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于風(fēng)洞與壓縮機(jī)二者形成閉環(huán)回路，整個(gè)系統(tǒng)的工作是一個(gè)相互耦合、相互作用的演化過(guò)程，這是風(fēng)洞中壓縮機(jī)與一般工業(yè)壓縮機(jī)最大的區(qū)別，因此討論風(fēng)洞中壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行與不穩(wěn)定工況時(shí)必須考慮這個(gè)耦合過(guò)程。通過(guò)理論分析結(jié)果可以看出，即使壓縮機(jī)本身工作在穩(wěn)定區(qū)，由于風(fēng)洞的耦合作用，工作點(diǎn)也會(huì)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有向壓縮機(jī)不穩(wěn)定工況點(diǎn)漂移的傾向，因此壓縮機(jī)的防喘振系統(tǒng)是NF-6風(fēng)洞安全運(yùn)行的必備條件。 2．通過(guò)對(duì)流量信號(hào)檢測(cè)方式的分析，提出了采用等圓環(huán)面積法可以準(zhǔn)確測(cè)量通過(guò)壓縮機(jī)的流量，但必須同時(shí)考慮風(fēng)洞總壓和總溫對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。 流量信號(hào)是NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵信號(hào)之一，論文通過(guò)計(jì)算給出了NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)工作的流量范圍包線。由于NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)入口氣流是典型的非充分發(fā)展管流，目前工業(yè)上已經(jīng)成熟應(yīng)用的流量測(cè)量方法無(wú)法直接應(yīng)用于NF-6風(fēng)洞，因此論文提出采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的風(fēng)速管在風(fēng)洞第一拐角后測(cè)量該截面的平均流速，同時(shí)測(cè)量風(fēng)洞穩(wěn)定段的總壓和總溫，進(jìn)而準(zhǔn)確得到進(jìn)入軸流壓縮機(jī)的質(zhì)量流量。論文還對(duì)傳感器位置的選擇、傳感器形式、傳感器量程和精度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和討論，這些結(jié)果指導(dǎo)了NF-6風(fēng)洞在壓縮機(jī)流量測(cè)量方面設(shè)備的建設(shè)，并更改了原設(shè)計(jì)中不合理的部分，降低了設(shè)備調(diào)試和運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)。 3．通過(guò)對(duì)壓力信號(hào)檢測(cè)的模擬實(shí)驗(yàn)和分析，驗(yàn)證了濾波器截止頻率的工程估算公式，采用小波變換分析了壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)的壓力突變信號(hào)，發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)檢測(cè)中的部分規(guī)律。 軸流壓縮機(jī)出口總壓和進(jìn)口總壓之比稱(chēng)為壓比信號(hào)，是防喘振控制系統(tǒng)正常工作的另一個(gè)關(guān)鍵信號(hào)。由于壓縮機(jī)發(fā)生喘振的最根本的內(nèi)在原因還是氣流分離造成的，因此壓縮機(jī)入口截面氣流的不均勻性會(huì)加快或加劇喘振的發(fā)生。而NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)由于受到風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的限制，其進(jìn)口截面氣流存在脈動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，單純采用測(cè)量總壓而得到的壓比信號(hào)作為壓縮機(jī)防喘振控制參數(shù)，一方面會(huì)造成壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍變窄，壓縮機(jī)效率下降；另一方面也會(huì)使風(fēng)洞在同樣的工況條件下能耗增大，造成不必要的浪費(fèi)，使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的成本增加。因此，論文在國(guó)內(nèi)首次提出在壓縮機(jī)入口和出口安裝動(dòng)態(tài)壓力傳感器，得到這兩個(gè)位置上的動(dòng)態(tài)總壓信號(hào)。為了得到相關(guān)規(guī)律，通過(guò)一個(gè)進(jìn)氣道實(shí)驗(yàn)?zāi)M了動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的有關(guān)問(wèn)題。同時(shí)應(yīng)用小波變換分析了壓縮機(jī)發(fā)生喘振后壓力信號(hào)的奇異性特征，提出將其應(yīng)用于NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)中，可以提高控制系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性，有效地拓寬NF-6風(fēng)洞的運(yùn)行范圍。 4．分析了NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)軸系的振動(dòng)情況以及進(jìn)氣溫度對(duì)壓縮機(jī)防喘振曲線的影響，其結(jié)果指導(dǎo)了振動(dòng)信號(hào)和溫度信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)。 分析結(jié)果表明，NF-6風(fēng)洞壓縮機(jī)軸系的結(jié)構(gòu)一階固有振動(dòng)頻率落在相應(yīng)于壓縮機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速的激勵(lì)范圍之內(nèi)。進(jìn)一步的分析則顯示，源于電機(jī)、壓縮機(jī)和齒輪的一般激振，都不會(huì)引起較大的扭振應(yīng)力，因此可以認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)能在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)安全運(yùn)行。但當(dāng)高速齒輪存在缺陷時(shí)，兩階振型系數(shù)都較大，若壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率接近一階固有振動(dòng)頻率時(shí)，可能會(huì)引起整個(gè)軸系的振動(dòng)，從而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。因此，為了保證NF-6風(fēng)洞的安全運(yùn)行，在此計(jì)算結(jié)果的指導(dǎo)下，我們建立了NF-6風(fēng)洞壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，由于壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度變化范圍很寬，還討論了溫度測(cè)量精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，據(jù)此設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的溫度檢測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)。這些措施在NF-6風(fēng)洞建設(shè)過(guò)程中都已經(jīng)得到了應(yīng)用，為整個(gè)系統(tǒng)的成功調(diào)試打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 5．初步建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將多變量耦合系統(tǒng)進(jìn)行了解耦，給出了連續(xù)式風(fēng)洞控制的一般規(guī)律。 通過(guò)分析指出，NF-6風(fēng)洞控制系統(tǒng)是典型的多變量耦合系統(tǒng)，從輸入和輸出關(guān)系上是典型的多輸入多輸出(MIMO)模型，因此單純采用PID控制無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)控制的要求。但由于工程的特殊要求，在風(fēng)洞調(diào)試和運(yùn)轉(zhuǎn)的初期，我們可以將MIMO系統(tǒng)進(jìn)行解耦，分為四個(gè)單獨(dú)的回路，采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行控制，在保證風(fēng)洞安全調(diào)試和運(yùn)行的前提下，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)獲取風(fēng)洞運(yùn)行過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行分析和處理后，逐步采用智能控制等更為高級(jí)的控制方式，提高風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn)的效率，擴(kuò)大運(yùn)行范圍。 以上理論分析結(jié)果和實(shí)際計(jì)算結(jié)果已經(jīng)成功用于指導(dǎo)NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的建設(shè)，取得了較為滿(mǎn)意的結(jié)果。作者同時(shí)希望本論文的研究結(jié)果能夠?yàn)橐院笪覈?guó)建設(shè)類(lèi)似的風(fēng)洞提供一定的參考和幫助。
【圖文】：

了兩個(gè)可更換的實(shí)驗(yàn)段:二元實(shí)驗(yàn)段和三元實(shí)驗(yàn)段。二元實(shí)驗(yàn)段可進(jìn)行二元翼型實(shí)驗(yàn)和翼型的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，三元實(shí)驗(yàn)段可用來(lái)進(jìn)行全機(jī)模型實(shí)驗(yàn)和半模實(shí)驗(yàn)。風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1一1。崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖彗彗 彗 }}}}}資{斗斗斗斗斗斗斗斗斗斗斗 鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢羹 羹 獷獷獷獷獷獷獷子育攀二二益逗二軍適鄉(xiāng)孩訣之之 之 }}};>《二 二 二 二 ///////////////////////////////////////////////////////斗 斗斗茸城蕊d崖酬廷衰態(tài)尹嚴(yán) 嚴(yán)‘吞毒毒 ttt飛飛葡葡葡葡葡葡 葡葡二勁一仁

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【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類(lèi)號(hào)】：TH453

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2595712