一种拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围的方法

专利名称：一种拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围的方法
技术领域：
本发明涉及一种拓宽高负荷轴流压气机稳定运行工作范围的方法，属于叶轮机 技术领域。
背景技术：
在轴流压气机设计中，其单级压比达到2.0以上，整机增压比甚至达到25以 上，因此具有较高的负荷系数，故称之为高负荷轴流压气机。因为其负荷系数高，更容 易造成压气机稳定工作范围较小，需要进行拓宽稳定工作范围的研究。航空发动机工作的气动热力过程十分复杂，并且随着环境条件和工作状态的变 化发生改变。为了使其能够在任何工况下都稳定、可靠的运行，并使其性能得到充分利 用，需要对可能出现的不稳定工况进行控制，尽可能的避免危险情况发生。 在现代航空发动机控制系统中，尽管燃油油量控制、进气道控制和尾喷口控制 等在某些情况下会存在过度态控制和极限控制，但其控制难度比高负荷轴气压气机流动 稳定性带来的非定常问题相对简单。智能发动机作为未来军民用发动机的发展方向，意 味着要对现有的综合推进控制系统和综合飞行推进控制技术进行全面突破。因此，以主 动失速喘振控制为代表的高负荷轴流压气机流动稳定性控制，其技术难度要更大，也是 未来智能发动机控制系统的关键技术之一。高负荷轴流压气机稳定性问题与生俱来，从涡轮/涡扇发动机诞生伊始，除了 高效率、高负荷的设计要求以外，如何满足其能够在广阔的飞行速度和高度范围内以及 各种进气畸变和其它不稳定来流等恶劣条件下保持稳定的工作，就一直是人们努力追求 的目标。这个反应轴流压气机稳定工作范围的量就是失速裕度，它不仅反应了高负荷轴 流压气机的性能好坏，甚至还决定了其是否能够实际使用，是衡量高负荷轴流压气机设 计的重要指标之一。但研究人员经常遇到设计出来的高负荷轴流压气机失速裕度远未达 到实际使用要求的情况。正是由于控制高负荷轴流压气机流动稳定性的困难性，国内外 研究人员进行了大量的研究工作，而有关它的主动控制途径，近年来已经成为一个热点 研究方向。失速喘振主动控制的通常做法是首先获取系统的开环传递函数，全程监测流场 的压力或速度扰动信号，对其进行实时分析，在得到某些有可能被非线性放大的征兆信 息(失速先兆波)时，通过闭环反馈控制方法，启动作动机构(如调整进口导叶，叶尖喷 流等)，直接在流场中加入扰动信号，对在线性阶段的先兆波通过引入幅值相当、相位相 反的扰动波，抵消失速先兆波的影响，从而实现推迟旋转失速出现的目的。这是目前各 种失速主动控制方案存在和成功的理论基础和应用准则。现有的旋转失速主动控制途径在理论上是可行的，但目前尚无法应用于工程实 际中。在真实的多级压气机中，任何工况的改变都将改变失速先兆的发生位置；从先兆 出现到失速发生的时间非常短暂，根本无法实现在压气机各处都布上需要高速响应的机 械作动执行结构；对现代多级跨音压气机而言，留给主动控制的时间会更加短暂，主动控制方法显得更加无能为力。主动控制最引人注意之处莫过于对失速先兆的控制，即当失速先兆出现以后， 如何以相反的信号“抵消”，其控制机理是十分明确的。之所以会陷入困境，根本原因 在于其研究思路是希望通过反馈控制方式来研究压气机稳定性问题，将压气机系统和控 制系统作为两个分离的系统，试图通过控制系统对压气机系统施加反馈来改变其系统演 化行为，这必然会导致时间延迟问题，而这恰恰是目前主动控制陷入僵局的症结所在！ 那么，能否通过另外一种方式来影响失速先兆呢？首先需要明确的是，要对失速先兆进 行控制必须采取非定常方法，这绝不是定常手段能做到的。压气机流动稳定性问题可以用一个具有分布参数性质的微分动力系统(以下简 称动力系统)来描述，而初始条件和边界条件均可以影响或改变动力系统的演化行为。 由于发动机工作状态复杂多变，很难改变其初始条件，因此通过某种手段来改变其边界 条件，就有可能影响失速先兆的演化而起到扩稳效果。对于一个压气机系统而言，从改 变边界条件来影响其系统行为演化的角度来研究压气机流动稳定性问题，就可以从根本 上避免时间延迟问题
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种拓宽高负荷轴流压气 机稳定工作范围的方法，解决高负荷轴流压气机不同工况下的裕度需求问题，同时能够 保持压气机原有的压比特性和工作效率基本不变。本发明的技术解决方案一种拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围的方法，实 现如下(1)设计一种穿孔板穿孔率、背腔容积、偏流速度参数可控的背腔穿孔板式处理 机匣；所述背腔穿孔板式处理机匣包括可调容积环形背腔和可调穿孔率的圆孔或斜槽穿 孔板以及由进气阀门控制的可调偏流速度的喷嘴，处理机匣环形背腔位于穿孔板外侧， 在环形背腔中加有由步进电机或液压作动器驱动的隔板，其在背腔中的位置可调；处理 机匣穿孔板由内环和外环组成，其相对位置由步进电机或液压作动器驱动可调，处理机 匣环形背腔与穿孔板由止口螺栓结构连接组成密闭气室，在环形背腔的侧壁面沿周向均 勻布置6 8个偏流喷嘴，流经喷嘴的气流由电动阀门控制，可以调节流经穿孔板的偏流 速度，然后将背腔穿孔板式处理机匣设置在轴流压气机转子进口前端并覆盖转子叶片的 前缘部分所对应的机匣处，背腔穿孔板式处理机匣在环形背腔中形成自适应流动并在穿 孔板处产生非定常脱落涡，波涡相互作用有效的吸收和耗散压气机流场中的低频扰动波 的能量并抑制失速先兆的非线性放大，从而可以延迟压气机内先兆失速的发生，增加压 气机系统的稳定工作范围。(2)对所设计的背腔穿孔板式处理机匣控制规律的自学习，即通过实验确定不 同背腔穿孔板式处理机匣参数组合状态下的扩稳效果，并建立处理机匣控制规律的数 据库，步骤为首先调节压气机工作转速到不同的预定转速(如60%，70%, 80%, 90%, 100%设计转速5个工作转速)，之后调节背腔穿孔板式处理机匣的背腔容积(如 20%, 40%, 60%, 80%, 100%总背腔容积共5种状态)、穿孔板的穿孔率(如0， 5%, 10%, 20%和30%的穿孔率共5种状态)以及偏流速度(如0，5m/s，10m/s, 15m/s和20m/s共5种状态)，并进行截流实验，得到不同机匣参数状态下的压气机失速起始 点，从而建立起处理机匣扩稳效果随处理机匣参数变化的控制规律。(3)通过旋转失速(或喘振)信号器或其它压气机状态参数监测系统实时监控高 负荷轴流压气机的工作状态参数，所述工作状态参数包括工作转速、流量和压比，当高 负荷轴流压气机工作在有可能进入旋转失速、喘振等非稳定工作情况下，根据压气机的 工作转速和该工况下的裕度需求，从处理机匣控制规律数据库中获取处理机匣的预定结 构参数，并检测当前的结构参数状态，调整处理机匣的可控参数到预定状态，就能够满 足压气机具有控制规律数据库中给出的稳定工作裕度，从而保证高负荷轴流压气机系统 在全转速范围内具有足够的失速裕度，能够稳定工作。本发明的原理高负荷轴流压气机在工况发生变化时，往往由于裕度不足而进 入旋转失速。从一般意义上讲，民用飞机发动机大体有起飞、巡航、加力、降落等工作 状态，军用发动机还包括机动飞行和武器发射等情况。在发动机即将从一个工况变化到 另外一个可能出现裕度不足的工况时，在调节转速、油门等之前，可以在预知下一运转 情况下将处理机匣的结构参数预先调整到该不稳定工况的扩稳状态，使其边界条件发生 改变，从而避免失速的发生，这种对原本作为被动扩稳方式存在的处理机匣进行主动调 节的控制策略就是本发明采用处理机匣混合控制来拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围 方法的基本思路，如图1所示。传统的处理机匣作为一种典型的被动控制方式，但除了缺乏必要的理论指导和 有效设计工具以外，在实际应用中，还会遇到通用性较差的问题。作为传统的处理机匣 方式，不能够调整机匣的几何参数，在不同的工作转速下，风扇/压气机固有的裕度 本 身就不相同，而且实际工作中也会有不同的工作状况，相应的对稳定工作裕度的需求也 会有所不同。若不改变机匣的结构参数，很难满足高负荷轴流压气机全转速工况范围内 的扩稳需要。机匣几何参数固定很难满足压气机不同工况下的扩稳需要。在某些传统处 理机匣方式中，甚至有可能导致裕度变差，这更需要传统意义上的处理机匣能够做到参 数可调，来适应不同工作状态的需要。本发明提出了一种基于背腔穿孔板式处理机匣的高负荷轴流压气机流动稳定性 混合控制方法，旨在通过改变系统的边界条件来影响动力系统的演化行为而不是像主动 控制那样采取反馈控制的办法，也不同于传统处理机匣那样试图改变压气机流场的流动 结构，该方法将为主动失速喘振控制提供另外一种可供选择的途径。由于背腔穿孔板 式处理机匣能够同主动控制一样起到抑制失速先兆波的作用，而且其作用机制是“自适 应”气流循环产生的非定常脱落涡对流场中的低频扰动波的耗散作用，这意味着无需像 主动控制那样要进行系统识别和判定，还要有复杂的控制结构来执行反馈。通过背腔穿 孔板式处理机匣来控制失速先兆更加简单有效。若能够对处理机匣的敏感参数进行调 控，将进一步完善其通用性。因此，本发明为全面系统地解决高负荷轴流压气机扩稳问 题提供了新的途径。本发明与现有技术相比的优点在于(1)背腔穿孔板式处理机匣混合控制方案是把主动控制和传统处理机匣结合起 来，不仅具有传统处理机匣的结构简单、效果明显的优点，而且能够对机匣结构进行主 动调节，适用于不同工况下的扩稳需要，从而可以很好的解决处理机匣设计通用性问题。采用背腔穿孔板式处理机匣混合控制技术可以通过调节处理机匣的结构参数，改变 壁面的阻抗边界条件，进而实现不同转速下的高负荷轴流压气机扩稳目的。背腔穿孔板 式处理机匣兼具主动控制与传统处理机匣的优点而规避其不足。(2)本发明已经在北京航空航天大学低速多功能压气机实验台上进行了实验验证，取得了较好的扩稳效果，不仅能够实现在全部工作条件下实现预先设定的裕度要 求，并且均未明显改变压气机的压比特性和工作效率。


图1为本发明背腔穿孔板式处理机匣混合控制方法流程图；图2为本发明设计的背腔穿孔板式处理机匣结构示意图；图3为本发明背腔穿孔板式处理机匣背腔容积调节示意图；图4为本发明背腔穿孔板式处理机匣穿孔板穿孔率调节示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明要实现背腔穿孔板式处理机匣的混合控制，首先需要进行 控制规律的自学习过程，即确定不同机匣参数组合状态下的扩稳效果。为满足实际工作 中不同工况下的裕度需求，通过对处理机匣穿孔板、背腔等几何参数对高负荷轴流压气 机稳定裕度的影响的实验研究，从这些实验结果中得到裕度与机匣参数的对应关系，以 此来建立处理机匣控制规律的数据库。具体实施过程如下首先调节压气机工作转速到 不同的预定转速，之后调节背腔穿孔板式处理机匣的背腔容积、穿孔板的穿孔率以及偏 流速度，并进行截流实验，得到不同机匣参数状态下的压气机失速起始点，从而建立起 处理机匣扩稳效果随处理机匣参数变化的控制规律。在得到机匣参数_压气机裕度的对 应关系以后，可以根据实际的工作需要，定制不同的机匣参数控制规律，从而实现全转 速范围内的扩稳需求。如图2所示，本发明设计了一种穿孔板穿孔率、背腔容积、偏流速度参数可控 的背腔穿孔板式处理机匣，所述背腔穿孔板式处理机匣包括可调容积环形背腔1和可调 穿孔率的圆孔或斜槽穿孔板2以及由进气阀门控制的可调偏流速度的喷嘴3，处理机匣环 形背腔1位于穿孔板2外侧，在环形背腔1中加有由步进电机或液压作动器驱动的隔板 9，其在背腔中的位置可调；处理机匣穿孔板2由内环和外环组成，其相对位置由步进电 机或液压作动器驱动可调，处理机匣环形背腔1与穿孔板2由止口螺栓结构连接组成密闭 气室，在环形背腔1的侧壁面沿周向均勻布置68个偏流喷嘴3，流经喷嘴3的气流8由 电动阀门控制，可以调节流经穿孔板的偏流速度，然后将背腔穿孔板式处理机匣设置在 轴流压气机转子进口前端并覆盖转子叶片4的前缘部分所对应的机匣处，背腔穿孔板式 处理机匣使得气流在环形背腔1中形成自适应流动5并在穿孔板2处产生非定常脱落涡 6，波涡相互作用有效的吸收和耗散压气机流场中的低频扰动波7的能量并抑制失速先兆 的非线性放大，从而可以延迟压气机内先兆失速的发生，增加压气机系统的稳定工作范 围。为保证压气机在不同工况下均能够具有足够的稳定工作裕度，可以通过步进电机控 制机匣参数(包括环形背腔1的容积、穿孔板2的穿孔率、流经喷嘴3的偏流速度等)， 预先建立处理机匣控制规律的数据库，并对背腔穿孔板式处理机匣进行混合控制，背腔穿孔板式处理机匣的结构参数中，环形背腔1的容积、穿孔板2的穿孔率和喷嘴3的偏流 速度决定了其扩稳效果，在混合控制技术中，正是通过改变这些参数的组合，通过预先 获得处理机匣的控制规律，从而实现全转速工作范围内达到预期设定的扩稳需求。如图3所示，处理机匣背腔容积控制方案是控制器发送脉冲带动步进电机带动 滚珠丝杠10转动，从而实现平动环11在背腔穿孔板式处理机匣背腔中形成不同容积的有 效封闭气室(即环形背腔1)。而穿孔板穿孔率调节机构使用步进电机、减速器来带动偏 心轮_摇杆_齿轮机构15实现内环13和外环14的相对转动，穿孔板由内环13和外环14 组成，内环13不动，而外环14可以通过啮合齿轮传动机构改变周向位置，这样就可以 使穿孔板穿孔率在0 30%范围内进行相应的调节，如图4所示。其中，背腔穿孔板式 处理机匣混合控制可以使穿孔板处于完全关闭状态，穿孔率为0，相当于光壁情况，在此 状态下，处理机匣不会对压气机正常工作状态产生任何影响，因此不会带来明显的压比 下降和效率损失，这将有利于压气机的级匹配以及发动机的部件匹配，是背腔穿孔板式 处理机匣混合控制相对于传统处理机匣的优势之一。从效率的实验结果来看，单纯改变 机匣几何参数进行扩稳不会带来明显的效率损失，而结合偏流通气偏流在高流量情况下 会带来一定的效率损失(2%以内)，而在低流量状态下通气偏流不会带来直接的效率损 失。由于背腔穿孔板式处理机匣混合控制能够在高负荷轴流压气机正常工作状态下关闭 穿孔板，从而避免效率损失和对压气机性能的影响，而在近失速状态下，开启处理机匣 的穿孔板，甚至对处理机匣进行通 气偏流，来获得更大的稳定裕度，而且不会有直接的 效率损失。在机匣侧壁面安装若干周向均布的通气孔，由阀门控制气流从处理机匣内环流 出，进入主流通道12(如图3所示)。这样就使得背腔穿孔板式处理机匣混合控制具备 了另外的一个控制条件。这样尽可能避免了对主流动量的干扰，明显不同于叶尖喷流方 式。通气偏流使得气室内气流由原来“自组织”形式改变为压力可控形式，通气偏流 增加气流流入、流出的强度，改变压气机系统的壁面非定常阻抗边界特性，进而更好的 实现扩稳目的。总的来说，偏流气量只占主流流量的很小一部分(< 0.5% )，而且偏流 速度也远小于主流速度，不足以引起显著的动量交换和附面层清除，主要还是由于改变 了穿孔板的气流速度和气流总量，引起脱落涡强度发生了改变，这一过程具有明显的非 定常特性。通气偏流可以使失速裕度得到更大的提高，而效率在某些流量状态会有所下 降。但在某些时候，发动机需要工作在极其恶劣的环境中，此时对裕度的需求明显强于 效率的追求。若能通过通气偏流来维系发动机正常工作，意义重大，因此有必要提供在 效率损失与裕度需求之间寻求取舍与平衡的选择。在背腔穿孔板式处理机匣上实现通气 偏流不同于传统的吹/吸气，结构简单，操作方便，不需要复杂的喷射装置，也无需对 气流的方向和位置进行控制，所需气量较小，可根据实际需要进行调节控制。因此，对于一台有扩稳需求的高负荷轴流压气机，当工作条件发生变化时，有 可能会进入失速状态。预先学习其机匣参数的调节规律，从而得到控制规律数据库。通 过旋转失速或喘振信号器或压气机状态参数监测系统实时监测压气机流场状态参数(如 压气机转速、流量和压比等)，当压气机工作在有可能进入旋转失速、喘振的非稳定工作 情况时，根据压气机的工作转速和该工况下的裕度需求，从处理机匣控制规律数据库中 获取处理机匣的预定结构参数，并检测当前的结构参数状态，可分别调整处理机匣的可控参数(即穿孔板 穿孔率、背腔容积或偏流速度)到预定状态，就能够满足压气机具有控 制规律数据库中给出的稳定工作裕度，从而保证高负荷轴流压气机系统在全转速范围内 具有足够的失速裕度，能够稳定工作。通过机电装置对机匣背腔容积和穿孔板穿孔率、 通气偏流等机匣参数的调节控制，实现了高负荷轴流压气机的稳定工作范围可控，能够 满足高负荷轴流/压气机不同工作状态下的裕度需求，为未来智能航空发动机的失速/喘 振控制提供了 一种新的途径选择。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
权利要求
1.一种拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围的方法，其特征在于实现步骤如下(1)设计一种穿孔板穿孔率、背腔容积和偏流速度参数可控的背腔穿孔板式处理机 匣；所述背腔穿孔板式处理机匣包括可调容积环形背腔、可调穿孔率的圆孔或斜槽穿孔 板以及由进气阀门控制的可调偏流速度的喷嘴，所述环形背腔位于所述穿孔板外侧，在 所述环形背腔中加有由步进电机或液压作动器驱动的隔板，隔板在背腔中的位置可调； 所述穿孔板由内环和外环组成，内环与外环的相对位置由所述步进电机或液压作动器驱 动可调，所述环形背腔与所述穿孔板由止口螺栓结构连接组成密闭气室，在所述环形背 腔的侧壁面沿周向均勻布置6 8个偏流喷嘴，流经喷嘴的气流由电动阀门控制，可以调 节流经所述穿孔板的偏流速度；(2)将所述背腔穿孔板式处理机匣设置在轴流压气机转子进口前端并覆盖转子叶片的 前缘部分所对应的机匣处，背腔穿孔板式处理机匣使得气流在环形背腔中形成自适应流 动并在穿孔板处产生具有非定常效应的脱落涡，波涡相互作用有效的吸收和耗散压气机 流场中的低频扰动波的能量并抑制失速先兆的非线性放大，从而可以延迟压气机内先兆 失速的发生，增加压气机系统的稳定工作范围；(3)对所设计的背腔穿孔板式处理机匣控制规律的自学习，即通过实验确定不同背腔 穿孔板式处理机匣参数组合状态下的扩稳效果，并建立处理机匣控制规律的数据库；(4)实时监控高负荷轴流压气机的工作状态参数，所述工作状态参数包括工作转速、 流量和压比，当高负荷轴流压气机工作在有可能进入旋转失速、喘振的非稳定工作情况 下，根据压气机的工作转速和该工况下的裕度需求，从处理机匣控制规律数据库中获取 处理机匣的预定结构参数，并检测当前的结构参数状态，可分别调整处理机匣的可控参 数，即穿孔板穿孔率、背腔容积或偏流速度到预定状态，就能够满足压气机具有控制规 律数据库中给出的稳定工作裕度，从而保证高负荷轴流压气机系统在全转速范围内具有 足够的失速裕度，能够稳定工作。
2.根据权利要求1所述的拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围的方法，其特征在于 所述穿孔板的穿孔率为0 30%，其中，当斜槽完全关闭时，穿孔率为0，相当于光壁情 况，在此状态下，处理机匣不会对压气机正常工作状态产生任何影响，因此不会带来明 显的压比下降和效率损失，这将有利于压气机的级匹配以及发动机的部件匹配。
3.根据权利要求1所述的拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围的方法，其特征在于 所述通过实验确定不同背腔穿孔板式处理机匣参数组合状态下的扩稳效果，并建立处理 机匣控制规律的数据库的实现如下首先调节压气机工作转速到不同的预定转速，之后 调节背腔穿孔板式处理机匣的背腔容积、穿孔板的穿孔率以及偏流速度，并进行截流实 验，得到不同机匣参数状态下的压气机失速起始点，从而建立起处理机匣扩稳效果随处 理机匣参数变化的控制规律。
4.根据权利要求1所述的拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围的方法，其特征在于 所述步骤(3)中可由旋转失速或喘振信号器或压气机状态参数监测系统对压气机工作转 速、流量和压比进行实时监控。
全文摘要
一种拓宽高负荷轴流压气机稳定工作范围的方法，首先设计一种机匣参数可控的背腔穿孔板式处理机匣，然后进行控制规律的自学习，即确定不同机匣参数组合状态下的扩稳效果，并建立处理机匣控制规律的数据库；通过实时监控压气机的工作状态参数，根据控制规律数据库调整处理机匣的可控参数，保证压气机系统在全转速范围内的失速裕度需求，能够稳定工作。本发明能够实现高负荷轴流/压气机的稳定工作范围可控，不仅可以满足高负荷轴流压气机不同工作状态下的裕度需求，而且为未来智能航空发动机的失速喘振控制提供了一种新的途径选择。
文档编号F04D19/00GK102022351SQ20101057889
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者侯睿炜, 刘小华, 孙大坤, 孙晓峰, 景晓东 申请人:北京航空航天大学