專利名稱：一種拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工作范圍的方法，屬于葉輪機(jī) 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中，其單級(jí)壓比達(dá)到2.0以上，整機(jī)增壓比甚至達(dá)到25以 上，因此具有較高的負(fù)荷系數(shù)，故稱之為高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)。因?yàn)槠湄?fù)荷系數(shù)高，更容 易造成壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍較小，需要進(jìn)行拓寬穩(wěn)定工作范圍的研究。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的氣動(dòng)熱力過(guò)程十分復(fù)雜，并且隨著環(huán)境條件和工作狀態(tài)的變 化發(fā)生改變。為了使其能夠在任何工況下都穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，并使其性能得到充分利 用，需要對(duì)可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定工況進(jìn)行控制，盡可能的避免危險(xiǎn)情況發(fā)生。 在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，盡管燃油油量控制、進(jìn)氣道控制和尾噴口控制 等在某些情況下會(huì)存在過(guò)度態(tài)控制和極限控制，但其控制難度比高負(fù)荷軸氣壓氣機(jī)流動(dòng) 穩(wěn)定性帶來(lái)的非定常問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單。智能發(fā)動(dòng)機(jī)作為未來(lái)軍民用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，意 味著要對(duì)現(xiàn)有的綜合推進(jìn)控制系統(tǒng)和綜合飛行推進(jìn)控制技術(shù)進(jìn)行全面突破。因此，以主 動(dòng)失速喘振控制為代表的高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)流動(dòng)穩(wěn)定性控制，其技術(shù)難度要更大，也是 未來(lái)智能發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題與生俱來(lái)，從渦輪/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)誕生伊始，除了 高效率、高負(fù)荷的設(shè)計(jì)要求以外，如何滿足其能夠在廣闊的飛行速度和高度范圍內(nèi)以及 各種進(jìn)氣畸變和其它不穩(wěn)定來(lái)流等惡劣條件下保持穩(wěn)定的工作，就一直是人們努力追求 的目標(biāo)。這個(gè)反應(yīng)軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的量就是失速裕度，它不僅反應(yīng)了高負(fù)荷軸 流壓氣機(jī)的性能好壞，甚至還決定了其是否能夠?qū)嶋H使用，是衡量高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)設(shè) 計(jì)的重要指標(biāo)之一。但研究人員經(jīng)常遇到設(shè)計(jì)出來(lái)的高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)失速裕度遠(yuǎn)未達(dá) 到實(shí)際使用要求的情況。正是由于控制高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)流動(dòng)穩(wěn)定性的困難性，國(guó)內(nèi)外 研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，而有關(guān)它的主動(dòng)控制途徑，近年來(lái)已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn) 研究方向。失速喘振主動(dòng)控制的通常做法是首先獲取系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，全程監(jiān)測(cè)流場(chǎng) 的壓力或速度擾動(dòng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，在得到某些有可能被非線性放大的征兆信 息(失速先兆波)時(shí)，通過(guò)閉環(huán)反饋控制方法，啟動(dòng)作動(dòng)機(jī)構(gòu)(如調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)葉，葉尖噴 流等)，直接在流場(chǎng)中加入擾動(dòng)信號(hào)，對(duì)在線性階段的先兆波通過(guò)引入幅值相當(dāng)、相位相 反的擾動(dòng)波，抵消失速先兆波的影響，從而實(shí)現(xiàn)推遲旋轉(zhuǎn)失速出現(xiàn)的目的。這是目前各 種失速主動(dòng)控制方案存在和成功的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用準(zhǔn)則。現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)失速主動(dòng)控制途徑在理論上是可行的，但目前尚無(wú)法應(yīng)用于工程實(shí) 際中。在真實(shí)的多級(jí)壓氣機(jī)中，任何工況的改變都將改變失速先兆的發(fā)生位置；從先兆 出現(xiàn)到失速發(fā)生的時(shí)間非常短暫，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)在壓氣機(jī)各處都布上需要高速響應(yīng)的機(jī) 械作動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)；對(duì)現(xiàn)代多級(jí)跨音壓氣機(jī)而言，留給主動(dòng)控制的時(shí)間會(huì)更加短暫，主動(dòng)控制方法顯得更加無(wú)能為力。主動(dòng)控制最引人注意之處莫過(guò)于對(duì)失速先兆的控制，即當(dāng)失速先兆出現(xiàn)以后， 如何以相反的信號(hào)“抵消”，其控制機(jī)理是十分明確的。之所以會(huì)陷入困境，根本原因 在于其研究思路是希望通過(guò)反饋控制方式來(lái)研究壓氣機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題，將壓氣機(jī)系統(tǒng)和控 制系統(tǒng)作為兩個(gè)分離的系統(tǒng)，試圖通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)壓氣機(jī)系統(tǒng)施加反饋來(lái)改變其系統(tǒng)演 化行為，這必然會(huì)導(dǎo)致時(shí)間延遲問(wèn)題，而這恰恰是目前主動(dòng)控制陷入僵局的癥結(jié)所在！ 那么，能否通過(guò)另外一種方式來(lái)影響失速先兆呢？首先需要明確的是，要對(duì)失速先兆進(jìn) 行控制必須采取非定常方法，這絕不是定常手段能做到的。壓氣機(jī)流動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題可以用一個(gè)具有分布參數(shù)性質(zhì)的微分動(dòng)力系統(tǒng)(以下簡(jiǎn) 稱動(dòng)力系統(tǒng))來(lái)描述，而初始條件和邊界條件均可以影響或改變動(dòng)力系統(tǒng)的演化行為。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)復(fù)雜多變，很難改變其初始條件，因此通過(guò)某種手段來(lái)改變其邊界 條件，就有可能影響失速先兆的演化而起到擴(kuò)穩(wěn)效果。對(duì)于一個(gè)壓氣機(jī)系統(tǒng)而言，從改 變邊界條件來(lái)影響其系統(tǒng)行為演化的角度來(lái)研究壓氣機(jī)流動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題，就可以從根本 上避免時(shí)間延遲問(wèn)題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種拓寬高負(fù)荷軸流壓氣 機(jī)穩(wěn)定工作范圍的方法，解決高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)不同工況下的裕度需求問(wèn)題，同時(shí)能夠 保持壓氣機(jī)原有的壓比特性和工作效率基本不變。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的方法，實(shí) 現(xiàn)如下(1)設(shè)計(jì)一種穿孔板穿孔率、背腔容積、偏流速度參數(shù)可控的背腔穿孔板式處理 機(jī)匣；所述背腔穿孔板式處理機(jī)匣包括可調(diào)容積環(huán)形背腔和可調(diào)穿孔率的圓孔或斜槽穿 孔板以及由進(jìn)氣閥門控制的可調(diào)偏流速度的噴嘴，處理機(jī)匣環(huán)形背腔位于穿孔板外側(cè)， 在環(huán)形背腔中加有由步進(jìn)電機(jī)或液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的隔板，其在背腔中的位置可調(diào)；處理 機(jī)匣穿孔板由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，其相對(duì)位置由步進(jìn)電機(jī)或液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)可調(diào)，處理機(jī) 匣環(huán)形背腔與穿孔板由止口螺栓結(jié)構(gòu)連接組成密閉氣室，在環(huán)形背腔的側(cè)壁面沿周向均 勻布置6 8個(gè)偏流噴嘴，流經(jīng)噴嘴的氣流由電動(dòng)閥門控制，可以調(diào)節(jié)流經(jīng)穿孔板的偏流 速度，然后將背腔穿孔板式處理機(jī)匣設(shè)置在軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)口前端并覆蓋轉(zhuǎn)子葉片的 前緣部分所對(duì)應(yīng)的機(jī)匣處，背腔穿孔板式處理機(jī)匣在環(huán)形背腔中形成自適應(yīng)流動(dòng)并在穿 孔板處產(chǎn)生非定常脫落渦，波渦相互作用有效的吸收和耗散壓氣機(jī)流場(chǎng)中的低頻擾動(dòng)波 的能量并抑制失速先兆的非線性放大，從而可以延遲壓氣機(jī)內(nèi)先兆失速的發(fā)生，增加壓 氣機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍。(2)對(duì)所設(shè)計(jì)的背腔穿孔板式處理機(jī)匣控制規(guī)律的自學(xué)習(xí)，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不 同背腔穿孔板式處理機(jī)匣參數(shù)組合狀態(tài)下的擴(kuò)穩(wěn)效果，并建立處理機(jī)匣控制規(guī)律的數(shù) 據(jù)庫(kù)，步驟為首先調(diào)節(jié)壓氣機(jī)工作轉(zhuǎn)速到不同的預(yù)定轉(zhuǎn)速(如60%，70%, 80%, 90%, 100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速5個(gè)工作轉(zhuǎn)速)，之后調(diào)節(jié)背腔穿孔板式處理機(jī)匣的背腔容積(如 20%, 40%, 60%, 80%, 100%總背腔容積共5種狀態(tài))、穿孔板的穿孔率(如0， 5%, 10%, 20%和30%的穿孔率共5種狀態(tài))以及偏流速度(如0，5m/s，10m/s, 15m/s和20m/s共5種狀態(tài))，并進(jìn)行截流實(shí)驗(yàn)，得到不同機(jī)匣參數(shù)狀態(tài)下的壓氣機(jī)失速起始 點(diǎn)，從而建立起處理機(jī)匣擴(kuò)穩(wěn)效果隨處理機(jī)匣參數(shù)變化的控制規(guī)律。(3)通過(guò)旋轉(zhuǎn)失速(或喘振)信號(hào)器或其它壓氣機(jī)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控高 負(fù)荷軸流壓氣機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)，所述工作狀態(tài)參數(shù)包括工作轉(zhuǎn)速、流量和壓比，當(dāng)高 負(fù)荷軸流壓氣機(jī)工作在有可能進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速、喘振等非穩(wěn)定工作情況下，根據(jù)壓氣機(jī)的 工作轉(zhuǎn)速和該工況下的裕度需求，從處理機(jī)匣控制規(guī)律數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取處理機(jī)匣的預(yù)定結(jié) 構(gòu)參數(shù)，并檢測(cè)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)狀態(tài)，調(diào)整處理機(jī)匣的可控參數(shù)到預(yù)定狀態(tài)，就能夠滿 足壓氣機(jī)具有控制規(guī)律數(shù)據(jù)庫(kù)中給出的穩(wěn)定工作裕度，從而保證高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)系統(tǒng) 在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有足夠的失速裕度，能夠穩(wěn)定工作。本發(fā)明的原理高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)在工況發(fā)生變化時(shí)，往往由于裕度不足而進(jìn) 入旋轉(zhuǎn)失速。從一般意義上講，民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大體有起飛、巡航、加力、降落等工作 狀態(tài)，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)還包括機(jī)動(dòng)飛行和武器發(fā)射等情況。在發(fā)動(dòng)機(jī)即將從一個(gè)工況變化到 另外一個(gè)可能出現(xiàn)裕度不足的工況時(shí)，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、油門等之前，可以在預(yù)知下一運(yùn)轉(zhuǎn) 情況下將處理機(jī)匣的結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)先調(diào)整到該不穩(wěn)定工況的擴(kuò)穩(wěn)狀態(tài)，使其邊界條件發(fā)生 改變，從而避免失速的發(fā)生，這種對(duì)原本作為被動(dòng)擴(kuò)穩(wěn)方式存在的處理機(jī)匣進(jìn)行主動(dòng)調(diào) 節(jié)的控制策略就是本發(fā)明采用處理機(jī)匣混合控制來(lái)拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍 方法的基本思路，如圖1所示。傳統(tǒng)的處理機(jī)匣作為一種典型的被動(dòng)控制方式，但除了缺乏必要的理論指導(dǎo)和 有效設(shè)計(jì)工具以外，在實(shí)際應(yīng)用中，還會(huì)遇到通用性較差的問(wèn)題。作為傳統(tǒng)的處理機(jī)匣 方式，不能夠調(diào)整機(jī)匣的幾何參數(shù)，在不同的工作轉(zhuǎn)速下，風(fēng)扇/壓氣機(jī)固有的裕度 本 身就不相同，而且實(shí)際工作中也會(huì)有不同的工作狀況，相應(yīng)的對(duì)穩(wěn)定工作裕度的需求也 會(huì)有所不同。若不改變機(jī)匣的結(jié)構(gòu)參數(shù)，很難滿足高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)全轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi) 的擴(kuò)穩(wěn)需要。機(jī)匣幾何參數(shù)固定很難滿足壓氣機(jī)不同工況下的擴(kuò)穩(wěn)需要。在某些傳統(tǒng)處 理機(jī)匣方式中，甚至有可能導(dǎo)致裕度變差，這更需要傳統(tǒng)意義上的處理機(jī)匣能夠做到參 數(shù)可調(diào)，來(lái)適應(yīng)不同工作狀態(tài)的需要。本發(fā)明提出了一種基于背腔穿孔板式處理機(jī)匣的高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)流動(dòng)穩(wěn)定性 混合控制方法，旨在通過(guò)改變系統(tǒng)的邊界條件來(lái)影響動(dòng)力系統(tǒng)的演化行為而不是像主動(dòng) 控制那樣采取反饋控制的辦法，也不同于傳統(tǒng)處理機(jī)匣那樣試圖改變壓氣機(jī)流場(chǎng)的流動(dòng) 結(jié)構(gòu)，該方法將為主動(dòng)失速喘振控制提供另外一種可供選擇的途徑。由于背腔穿孔板 式處理機(jī)匣能夠同主動(dòng)控制一樣起到抑制失速先兆波的作用，而且其作用機(jī)制是“自適 應(yīng)”氣流循環(huán)產(chǎn)生的非定常脫落渦對(duì)流場(chǎng)中的低頻擾動(dòng)波的耗散作用，這意味著無(wú)需像 主動(dòng)控制那樣要進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別和判定，還要有復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行反饋。通過(guò)背腔穿 孔板式處理機(jī)匣來(lái)控制失速先兆更加簡(jiǎn)單有效。若能夠?qū)μ幚頇C(jī)匣的敏感參數(shù)進(jìn)行調(diào) 控，將進(jìn)一步完善其通用性。因此，本發(fā)明為全面系統(tǒng)地解決高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)問(wèn) 題提供了新的途徑。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)背腔穿孔板式處理機(jī)匣混合控制方案是把主動(dòng)控制和傳統(tǒng)處理機(jī)匣結(jié)合起 來(lái)，不僅具有傳統(tǒng)處理機(jī)匣的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠?qū)C(jī)匣結(jié)構(gòu)進(jìn)行主 動(dòng)調(diào)節(jié)，適用于不同工況下的擴(kuò)穩(wěn)需要，從而可以很好的解決處理機(jī)匣設(shè)計(jì)通用性問(wèn)題。采用背腔穿孔板式處理機(jī)匣混合控制技術(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)處理機(jī)匣的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變 壁面的阻抗邊界條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)目的。背腔穿孔板 式處理機(jī)匣兼具主動(dòng)控制與傳統(tǒng)處理機(jī)匣的優(yōu)點(diǎn)而規(guī)避其不足。(2)本發(fā)明已經(jīng)在北京航空航天大學(xué)低速多功能壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較好的擴(kuò)穩(wěn)效果，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在全部工作條件下實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的裕度要 求，并且均未明顯改變壓氣機(jī)的壓比特性和工作效率。


圖1為本發(fā)明背腔穿孔板式處理機(jī)匣混合控制方法流程圖；圖2為本發(fā)明設(shè)計(jì)的背腔穿孔板式處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明背腔穿孔板式處理機(jī)匣背腔容積調(diào)節(jié)示意圖；圖4為本發(fā)明背腔穿孔板式處理機(jī)匣穿孔板穿孔率調(diào)節(jié)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)背腔穿孔板式處理機(jī)匣的混合控制，首先需要進(jìn)行 控制規(guī)律的自學(xué)習(xí)過(guò)程，即確定不同機(jī)匣參數(shù)組合狀態(tài)下的擴(kuò)穩(wěn)效果。為滿足實(shí)際工作 中不同工況下的裕度需求，通過(guò)對(duì)處理機(jī)匣穿孔板、背腔等幾何參數(shù)對(duì)高負(fù)荷軸流壓氣 機(jī)穩(wěn)定裕度的影響的實(shí)驗(yàn)研究，從這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到裕度與機(jī)匣參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以 此來(lái)建立處理機(jī)匣控制規(guī)律的數(shù)據(jù)庫(kù)。具體實(shí)施過(guò)程如下首先調(diào)節(jié)壓氣機(jī)工作轉(zhuǎn)速到 不同的預(yù)定轉(zhuǎn)速，之后調(diào)節(jié)背腔穿孔板式處理機(jī)匣的背腔容積、穿孔板的穿孔率以及偏 流速度，并進(jìn)行截流實(shí)驗(yàn)，得到不同機(jī)匣參數(shù)狀態(tài)下的壓氣機(jī)失速起始點(diǎn)，從而建立起 處理機(jī)匣擴(kuò)穩(wěn)效果隨處理機(jī)匣參數(shù)變化的控制規(guī)律。在得到機(jī)匣參數(shù)_壓氣機(jī)裕度的對(duì) 應(yīng)關(guān)系以后，可以根據(jù)實(shí)際的工作需要，定制不同的機(jī)匣參數(shù)控制規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn) 速范圍內(nèi)的擴(kuò)穩(wěn)需求。如圖2所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種穿孔板穿孔率、背腔容積、偏流速度參數(shù)可控 的背腔穿孔板式處理機(jī)匣，所述背腔穿孔板式處理機(jī)匣包括可調(diào)容積環(huán)形背腔1和可調(diào) 穿孔率的圓孔或斜槽穿孔板2以及由進(jìn)氣閥門控制的可調(diào)偏流速度的噴嘴3，處理機(jī)匣環(huán) 形背腔1位于穿孔板2外側(cè)，在環(huán)形背腔1中加有由步進(jìn)電機(jī)或液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的隔板 9，其在背腔中的位置可調(diào)；處理機(jī)匣穿孔板2由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，其相對(duì)位置由步進(jìn)電 機(jī)或液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)可調(diào)，處理機(jī)匣環(huán)形背腔1與穿孔板2由止口螺栓結(jié)構(gòu)連接組成密閉 氣室，在環(huán)形背腔1的側(cè)壁面沿周向均勻布置68個(gè)偏流噴嘴3，流經(jīng)噴嘴3的氣流8由 電動(dòng)閥門控制，可以調(diào)節(jié)流經(jīng)穿孔板的偏流速度，然后將背腔穿孔板式處理機(jī)匣設(shè)置在 軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)口前端并覆蓋轉(zhuǎn)子葉片4的前緣部分所對(duì)應(yīng)的機(jī)匣處，背腔穿孔板式 處理機(jī)匣使得氣流在環(huán)形背腔1中形成自適應(yīng)流動(dòng)5并在穿孔板2處產(chǎn)生非定常脫落渦 6，波渦相互作用有效的吸收和耗散壓氣機(jī)流場(chǎng)中的低頻擾動(dòng)波7的能量并抑制失速先兆 的非線性放大，從而可以延遲壓氣機(jī)內(nèi)先兆失速的發(fā)生，增加壓氣機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范 圍。為保證壓氣機(jī)在不同工況下均能夠具有足夠的穩(wěn)定工作裕度，可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控 制機(jī)匣參數(shù)(包括環(huán)形背腔1的容積、穿孔板2的穿孔率、流經(jīng)噴嘴3的偏流速度等)， 預(yù)先建立處理機(jī)匣控制規(guī)律的數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)背腔穿孔板式處理機(jī)匣進(jìn)行混合控制，背腔穿孔板式處理機(jī)匣的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，環(huán)形背腔1的容積、穿孔板2的穿孔率和噴嘴3的偏流 速度決定了其擴(kuò)穩(wěn)效果，在混合控制技術(shù)中，正是通過(guò)改變這些參數(shù)的組合，通過(guò)預(yù)先 獲得處理機(jī)匣的控制規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速工作范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)期設(shè)定的擴(kuò)穩(wěn)需求。如圖3所示，處理機(jī)匣背腔容積控制方案是控制器發(fā)送脈沖帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) 滾珠絲杠10轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平動(dòng)環(huán)11在背腔穿孔板式處理機(jī)匣背腔中形成不同容積的有 效封閉氣室(即環(huán)形背腔1)。而穿孔板穿孔率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使用步進(jìn)電機(jī)、減速器來(lái)帶動(dòng)偏 心輪_搖桿_齒輪機(jī)構(gòu)15實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)13和外環(huán)14的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，穿孔板由內(nèi)環(huán)13和外環(huán)14 組成，內(nèi)環(huán)13不動(dòng)，而外環(huán)14可以通過(guò)嚙合齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變周向位置，這樣就可以 使穿孔板穿孔率在0 30%范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，如圖4所示。其中，背腔穿孔板式 處理機(jī)匣混合控制可以使穿孔板處于完全關(guān)閉狀態(tài)，穿孔率為0，相當(dāng)于光壁情況，在此 狀態(tài)下，處理機(jī)匣不會(huì)對(duì)壓氣機(jī)正常工作狀態(tài)產(chǎn)生任何影響，因此不會(huì)帶來(lái)明顯的壓比 下降和效率損失，這將有利于壓氣機(jī)的級(jí)匹配以及發(fā)動(dòng)機(jī)的部件匹配，是背腔穿孔板式 處理機(jī)匣混合控制相對(duì)于傳統(tǒng)處理機(jī)匣的優(yōu)勢(shì)之一。從效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，單純改變 機(jī)匣幾何參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)穩(wěn)不會(huì)帶來(lái)明顯的效率損失，而結(jié)合偏流通氣偏流在高流量情況下 會(huì)帶來(lái)一定的效率損失(2%以內(nèi))，而在低流量狀態(tài)下通氣偏流不會(huì)帶來(lái)直接的效率損 失。由于背腔穿孔板式處理機(jī)匣混合控制能夠在高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)正常工作狀態(tài)下關(guān)閉 穿孔板，從而避免效率損失和對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，而在近失速狀態(tài)下，開啟處理機(jī)匣 的穿孔板，甚至對(duì)處理機(jī)匣進(jìn)行通 氣偏流，來(lái)獲得更大的穩(wěn)定裕度，而且不會(huì)有直接的 效率損失。在機(jī)匣側(cè)壁面安裝若干周向均布的通氣孔，由閥門控制氣流從處理機(jī)匣內(nèi)環(huán)流 出，進(jìn)入主流通道12(如圖3所示)。這樣就使得背腔穿孔板式處理機(jī)匣混合控制具備 了另外的一個(gè)控制條件。這樣盡可能避免了對(duì)主流動(dòng)量的干擾，明顯不同于葉尖噴流方 式。通氣偏流使得氣室內(nèi)氣流由原來(lái)“自組織”形式改變?yōu)閴毫煽匦问剑馄?增加氣流流入、流出的強(qiáng)度，改變壓氣機(jī)系統(tǒng)的壁面非定常阻抗邊界特性，進(jìn)而更好的 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)穩(wěn)目的。總的來(lái)說(shuō)，偏流氣量只占主流流量的很小一部分(< 0.5% )，而且偏流 速度也遠(yuǎn)小于主流速度，不足以引起顯著的動(dòng)量交換和附面層清除，主要還是由于改變 了穿孔板的氣流速度和氣流總量，引起脫落渦強(qiáng)度發(fā)生了改變，這一過(guò)程具有明顯的非 定常特性。通氣偏流可以使失速裕度得到更大的提高，而效率在某些流量狀態(tài)會(huì)有所下 降。但在某些時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)需要工作在極其惡劣的環(huán)境中，此時(shí)對(duì)裕度的需求明顯強(qiáng)于 效率的追求。若能通過(guò)通氣偏流來(lái)維系發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，意義重大，因此有必要提供在 效率損失與裕度需求之間尋求取舍與平衡的選擇。在背腔穿孔板式處理機(jī)匣上實(shí)現(xiàn)通氣 偏流不同于傳統(tǒng)的吹/吸氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，不需要復(fù)雜的噴射裝置，也無(wú)需對(duì) 氣流的方向和位置進(jìn)行控制，所需氣量較小，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。因此，對(duì)于一臺(tái)有擴(kuò)穩(wěn)需求的高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)，當(dāng)工作條件發(fā)生變化時(shí)，有 可能會(huì)進(jìn)入失速狀態(tài)。預(yù)先學(xué)習(xí)其機(jī)匣參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律，從而得到控制規(guī)律數(shù)據(jù)庫(kù)。通 過(guò)旋轉(zhuǎn)失速或喘振信號(hào)器或壓氣機(jī)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓氣機(jī)流場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)(如 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、流量和壓比等)，當(dāng)壓氣機(jī)工作在有可能進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速、喘振的非穩(wěn)定工作 情況時(shí)，根據(jù)壓氣機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和該工況下的裕度需求，從處理機(jī)匣控制規(guī)律數(shù)據(jù)庫(kù)中 獲取處理機(jī)匣的預(yù)定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并檢測(cè)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)狀態(tài)，可分別調(diào)整處理機(jī)匣的可控參數(shù)(即穿孔板 穿孔率、背腔容積或偏流速度)到預(yù)定狀態(tài)，就能夠滿足壓氣機(jī)具有控 制規(guī)律數(shù)據(jù)庫(kù)中給出的穩(wěn)定工作裕度，從而保證高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) 具有足夠的失速裕度，能夠穩(wěn)定工作。通過(guò)機(jī)電裝置對(duì)機(jī)匣背腔容積和穿孔板穿孔率、 通氣偏流等機(jī)匣參數(shù)的調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍可控，能夠 滿足高負(fù)荷軸流/壓氣機(jī)不同工作狀態(tài)下的裕度需求，為未來(lái)智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的失速/喘 振控制提供了 一種新的途徑選擇。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)設(shè)計(jì)一種穿孔板穿孔率、背腔容積和偏流速度參數(shù)可控的背腔穿孔板式處理機(jī) 匣；所述背腔穿孔板式處理機(jī)匣包括可調(diào)容積環(huán)形背腔、可調(diào)穿孔率的圓孔或斜槽穿孔 板以及由進(jìn)氣閥門控制的可調(diào)偏流速度的噴嘴，所述環(huán)形背腔位于所述穿孔板外側(cè)，在 所述環(huán)形背腔中加有由步進(jìn)電機(jī)或液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的隔板，隔板在背腔中的位置可調(diào)； 所述穿孔板由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的相對(duì)位置由所述步進(jìn)電機(jī)或液壓作動(dòng)器驅(qū) 動(dòng)可調(diào)，所述環(huán)形背腔與所述穿孔板由止口螺栓結(jié)構(gòu)連接組成密閉氣室，在所述環(huán)形背 腔的側(cè)壁面沿周向均勻布置6 8個(gè)偏流噴嘴，流經(jīng)噴嘴的氣流由電動(dòng)閥門控制，可以調(diào) 節(jié)流經(jīng)所述穿孔板的偏流速度；(2)將所述背腔穿孔板式處理機(jī)匣設(shè)置在軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)口前端并覆蓋轉(zhuǎn)子葉片的 前緣部分所對(duì)應(yīng)的機(jī)匣處，背腔穿孔板式處理機(jī)匣使得氣流在環(huán)形背腔中形成自適應(yīng)流 動(dòng)并在穿孔板處產(chǎn)生具有非定常效應(yīng)的脫落渦，波渦相互作用有效的吸收和耗散壓氣機(jī) 流場(chǎng)中的低頻擾動(dòng)波的能量并抑制失速先兆的非線性放大，從而可以延遲壓氣機(jī)內(nèi)先兆 失速的發(fā)生，增加壓氣機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍；(3)對(duì)所設(shè)計(jì)的背腔穿孔板式處理機(jī)匣控制規(guī)律的自學(xué)習(xí)，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同背腔 穿孔板式處理機(jī)匣參數(shù)組合狀態(tài)下的擴(kuò)穩(wěn)效果，并建立處理機(jī)匣控制規(guī)律的數(shù)據(jù)庫(kù)；(4)實(shí)時(shí)監(jiān)控高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)，所述工作狀態(tài)參數(shù)包括工作轉(zhuǎn)速、 流量和壓比，當(dāng)高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)工作在有可能進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速、喘振的非穩(wěn)定工作情況 下，根據(jù)壓氣機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和該工況下的裕度需求，從處理機(jī)匣控制規(guī)律數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取 處理機(jī)匣的預(yù)定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并檢測(cè)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)狀態(tài)，可分別調(diào)整處理機(jī)匣的可控參 數(shù)，即穿孔板穿孔率、背腔容積或偏流速度到預(yù)定狀態(tài)，就能夠滿足壓氣機(jī)具有控制規(guī) 律數(shù)據(jù)庫(kù)中給出的穩(wěn)定工作裕度，從而保證高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有 足夠的失速裕度，能夠穩(wěn)定工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的方法，其特征在于 所述穿孔板的穿孔率為0 30%，其中，當(dāng)斜槽完全關(guān)閉時(shí)，穿孔率為0，相當(dāng)于光壁情 況，在此狀態(tài)下，處理機(jī)匣不會(huì)對(duì)壓氣機(jī)正常工作狀態(tài)產(chǎn)生任何影響，因此不會(huì)帶來(lái)明 顯的壓比下降和效率損失，這將有利于壓氣機(jī)的級(jí)匹配以及發(fā)動(dòng)機(jī)的部件匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的方法，其特征在于 所述通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同背腔穿孔板式處理機(jī)匣參數(shù)組合狀態(tài)下的擴(kuò)穩(wěn)效果，并建立處理 機(jī)匣控制規(guī)律的數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)如下首先調(diào)節(jié)壓氣機(jī)工作轉(zhuǎn)速到不同的預(yù)定轉(zhuǎn)速，之后 調(diào)節(jié)背腔穿孔板式處理機(jī)匣的背腔容積、穿孔板的穿孔率以及偏流速度，并進(jìn)行截流實(shí) 驗(yàn)，得到不同機(jī)匣參數(shù)狀態(tài)下的壓氣機(jī)失速起始點(diǎn)，從而建立起處理機(jī)匣擴(kuò)穩(wěn)效果隨處 理機(jī)匣參數(shù)變化的控制規(guī)律。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的方法，其特征在于 所述步驟(3)中可由旋轉(zhuǎn)失速或喘振信號(hào)器或壓氣機(jī)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)壓氣機(jī)工作轉(zhuǎn) 速、流量和壓比進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
全文摘要
一種拓寬高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的方法，首先設(shè)計(jì)一種機(jī)匣參數(shù)可控的背腔穿孔板式處理機(jī)匣，然后進(jìn)行控制規(guī)律的自學(xué)習(xí)，即確定不同機(jī)匣參數(shù)組合狀態(tài)下的擴(kuò)穩(wěn)效果，并建立處理機(jī)匣控制規(guī)律的數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控壓氣機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)控制規(guī)律數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)整處理機(jī)匣的可控參數(shù)，保證壓氣機(jī)系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的失速裕度需求，能夠穩(wěn)定工作。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高負(fù)荷軸流/壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍可控，不僅可以滿足高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)不同工作狀態(tài)下的裕度需求，而且為未來(lái)智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的失速喘振控制提供了一種新的途徑選擇。
文檔編號(hào)F04D19/00GK102022351SQ20101057889
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者侯睿煒, 劉小華, 孫大坤, 孫曉峰, 景曉東 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)