【摘要】：軸流壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速和喘振問題歷來是葉輪機(jī)械氣動熱力學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn),其中旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理及其控制手段為研究所關(guān)注的焦點(diǎn)。國際上經(jīng)過幾十年的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究,對壓氣機(jī)失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識開始逐漸清晰起來,也得出了對壓氣機(jī)失速的兩條基本認(rèn)識：一是在葉片尺度上的復(fù)雜流動造成的流道堵塞,二是在頂部間隙尺度上的泄漏流與主流的相互作用。同時國際上對擴(kuò)穩(wěn)措施也開展了許多研究,葉頂噴氣作為一種行之有效的擴(kuò)穩(wěn)方法,其擴(kuò)穩(wěn)效果受到了廣泛的關(guān)注,學(xué)者們也對其擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了相應(yīng)的研究：基于對失速機(jī)理的認(rèn)識基礎(chǔ)上,單一地從對流動分離、堵塞的定常影響,或者從對葉頂間隙泄漏流非定常影響的角度對其擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行解釋。因此,為了追求更好的擴(kuò)穩(wěn)效果,有必要在統(tǒng)一對失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識的基礎(chǔ)上對其擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,從而才能有助于設(shè)計(jì)更加可靠和有效的頂部噴氣擴(kuò)穩(wěn)系統(tǒng),減小效率損失,降低頂部噴氣機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。 本文以實(shí)驗(yàn)研究為手段,針對低速和跨音軸流壓氣機(jī)葉頂噴氣的不同擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)的研究。首先在一臺低速壓氣機(jī)上驗(yàn)證了噴氣量動量比分界點(diǎn)的存在性,澄清了葉頂微噴氣到大噴氣的不同擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理。其次,本文提出了一整套將擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理應(yīng)用到實(shí)際壓氣機(jī)中的技術(shù)方案。沿用“前失速先兆”的概念,創(chuàng)新地提出了基于互相關(guān)分析的檢測手段,設(shè)計(jì)了采用比例閥控制噴氣量的控制激發(fā)器,以及相應(yīng)的DSP (Digital Signal Processing)控制器進(jìn)行葉頂噴氣主動控制,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際需要光滑地利用不同噴氣機(jī)理進(jìn)行擴(kuò)穩(wěn),獲得了顯著且可靠的噴氣擴(kuò)穩(wěn)效果。最后,為減小外部氣源造成的噴氣機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性,將同樣的擴(kuò)穩(wěn)思路應(yīng)用到從壓氣機(jī)后部引氣至前緣噴氣從而形成自循環(huán)的自引氣—噴氣技術(shù)中,設(shè)計(jì)了自引氣—噴氣機(jī)構(gòu)并在不同的壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺上對其擴(kuò)穩(wěn)效果進(jìn)行了驗(yàn)證。主要開展了以下幾個方面的工作： 1.軸流壓氣機(jī)葉頂噴氣擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理的研究。在低速單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)上采用微噴氣到大噴氣(噴氣量從0.13%—3%)進(jìn)行了葉頂噴氣實(shí)驗(yàn)研究。在不同的葉頂間隙和噴氣徑向角度條件下,對隨著失速裕度改善(SMI)變化的兩個噴氣動量比分界點(diǎn)的存在性進(jìn)行了驗(yàn)證。并根據(jù)目前對失穩(wěn)機(jī)理的兩條認(rèn)識對這三個階段噴氣量(微噴氣、大噴氣及超大噴氣)對應(yīng)的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析：微噴氣僅能夠減弱了葉頂間隙泄漏渦的強(qiáng)度以及泄漏流非定常性。大噴氣既能增加葉頂區(qū)域進(jìn)出口速度以及減小進(jìn)口氣流攻角,推遲葉片吸力面的分離；又能對葉頂間隙泄漏渦起到抑制作用,推遲泄漏流非定常性的產(chǎn)生。超大噴氣同樣能減小葉頂區(qū)域進(jìn)口氣流攻角和推遲葉頂間隙泄漏流非定常性的產(chǎn)生;但隨噴氣量的增加,噴氣對葉高中部的影響更強(qiáng),而且對壓氣機(jī)的整體性能造成很大的影響,此時壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)制可能已經(jīng)發(fā)生改變。在此基礎(chǔ)上為葉頂噴氣在實(shí)際壓氣機(jī)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳的擴(kuò)穩(wěn)效果提供了指導(dǎo)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 2.前失速先兆檢測機(jī)理及檢測方法研究。通過壁面動態(tài)測量分析了前失速先兆與葉頂間隙泄漏流非定常性的關(guān)聯(lián)性。在此基礎(chǔ)上提出了基于互相關(guān)分析的檢測方法,分析了互相關(guān)分析檢測方法的有效性,并通過葉頂噴氣控制手段對互相關(guān)分析檢測前失速先兆的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。提出了基于互相關(guān)分析檢測前失速先兆的控制策略,為壓氣機(jī)內(nèi)部流動失穩(wěn)主動控制中擾動反饋信號的檢測提供了解決方案。 3.基于DSP控制器的葉頂噴氣擴(kuò)穩(wěn)調(diào)控研究。充分結(jié)合對葉頂噴氣擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理以及前失速先兆檢測機(jī)理的認(rèn)識,自行設(shè)計(jì)DSP控制器,結(jié)合比例電磁閥和互相關(guān)分析檢測方法,充分實(shí)現(xiàn)從微噴量到大噴量的連續(xù)過渡,從而使新的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同一機(jī)構(gòu)根據(jù)工況需要通過兩種不同擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行擴(kuò)穩(wěn),將擴(kuò)穩(wěn)效果提高數(shù)倍。不僅在擴(kuò)穩(wěn)裕度提升上要遠(yuǎn)好于基于開關(guān)閥的葉頂主動噴氣,而且和傳統(tǒng)的定常噴氣相比,基于比例電磁閥和DSP控制器的葉頂主動噴氣在保證擴(kuò)穩(wěn)裕度相當(dāng)?shù)那疤嵯履軌蚬?jié)省大量噴氣量,具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。 4.自引氣—噴氣實(shí)驗(yàn)研究。和外部引氣進(jìn)行噴氣不同,充分利用壓氣機(jī)進(jìn)出口的壁面靜壓差,考察了不同引氣角度和噴氣偏航角的擴(kuò)穩(wěn)效果,并對自引氣—噴氣的前端噴氣機(jī)理進(jìn)行了分析：擴(kuò)穩(wěn)效果好的引氣方式,對葉頂間隙泄漏渦強(qiáng)度的抑制以及推遲泄漏流非定常性產(chǎn)生的作用要強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在低速軸流壓氣機(jī)中自引氣—噴氣方式雖然引氣量僅相當(dāng)于外部引氣的微噴量級別,但是擴(kuò)穩(wěn)效果要好于外部噴氣。另外在跨音軸流壓氣機(jī)上自引氣—噴氣能夠達(dá)到8%-15%的擴(kuò)穩(wěn)效果,而且合理的設(shè)計(jì)自引氣—噴氣機(jī)構(gòu)能夠同時到達(dá)到擴(kuò)穩(wěn)增效的目的,為自引氣—噴氣走向?qū)嶋H應(yīng)用提供契機(jī)。 其核心內(nèi)容歸納成如下幾點(diǎn)： 一、研究了葉頂微噴氣到大噴氣時,流動失穩(wěn)裕度與噴氣動量比之間的關(guān)系,得出了兩個噴氣動量比分界點(diǎn)的存在性。并在機(jī)理上分析了噴氣動量比分界點(diǎn)前后的噴氣量對壓氣機(jī)進(jìn)出口氣動參數(shù)、葉頂間隙泄漏渦、葉頂間隙泄漏流非定常性影響的區(qū)別和聯(lián)系。 二、澄清了前失速先兆與葉頂間隙泄漏流非定常性之間的關(guān)聯(lián)性,在此基礎(chǔ)上提出了采用互相關(guān)分析檢測前失速先兆的方法,并對其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。 三、通過自行設(shè)計(jì)DSP控制器,集成了相應(yīng)控制算法、高速／低速采集通道,結(jié)合葉頂噴氣擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理和前失速先兆檢測方法,完成了葉頂噴氣擴(kuò)穩(wěn)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)。 四、分別在單級低速軸流壓氣機(jī)和單級跨音軸流壓氣機(jī)上考察了自引氣—噴氣的擴(kuò)穩(wěn)效果,研究了不同引氣機(jī)構(gòu)擴(kuò)穩(wěn)效果的區(qū)別,并在機(jī)理上對其擴(kuò)穩(wěn)的物理機(jī)制進(jìn)行了解釋。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH453

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2770394