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  • 用于叶栅内流的等离子体激励控制系统及控制方法

    合乐彩票平台注册送钱(申请号):CN200810119578.3
    合乐彩票平台注册送钱类型:发明合乐彩票平台注册送钱
    更新时间:2019-08-29 17:43:59
    技术领域:新能源与节能
    交易方式: 转让 交易状态: 未交易
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    一种用于叶栅内流的等离子体激励控制系统及控制方法,是在计算机控制下进行的,通过在叶栅吸力面不同位置施加适当强度的等离子体激励,一方面可以起到抑制叶栅吸力面流动分离的作用,另一方面可以改善叶栅尾迹区的流动状态,起到减小流动损失的作用。本发明涉及流体输送技术领域,是一种叶片式流体机械节能、扩稳的 新方法和装置,主要在航空航天、燃气轮机发电、及其他工业增压装置中 有应用前景。在航空领域,风扇/压气机是航空涡扇发动机的核心部件之一,提高航 空涡扇发动机的推重比和稳定性必须提高风扇、压气机的级增压比、失速 裕度和整机效率。尤其是在发动机变工况运行状态和抵御进口畸变方面, 更加需要采用新的技术和方法来拓宽发动机运行的稳定边界。随着压气机 级增压比的提高,压气机出口面积急剧减小,叶尖间隙与叶片高度之比相 对增加,边界层影响、级间干扰和气流泄漏相对增强,使得压气机流动损 失大大增加,严重地降低效率,并且由于这一分离现象将直接与发动机的 失速裕度有关
    在目前地面燃气轮机发电中,由于必须在以煤为主的能源结构和政策 的指导下,解决中/低热值燃烧系统改造后带来的压气机运行靠近喘振边界 的问题,也就是必须采用新技术解决压气机一燃烧室一透平的通流匹配问 题,及机组随功率要求、燃料气变化、及运行气候条件变化过程中出现的 稳定性欠缺的问题。
    在其他工业增压装置中运行过程中,由于用气量的变换与产品的市场 需求有密切关系,叶轮机械经常处在变工况条件下运行。目前采用的是变 频技术来实现节能增效的目的,但这一技术在现有大型工业叶片式流体压 缩机械的改造面临的一个主要瓶颈是:大的交流电动机的功率要求与变频 技术的配套无论在技术上还是在经济上都是一个棘手的问题,急需发明新 的技术来解决目前面临的问题。
    目前在工业界运行的叶片式通用流体压缩机械的运行方式面临如下
    4几个方面的问题:
    在实际运行中,依据流体输送系统的实际要求,压縮机机械经常在非 设计状况下工作,在这种运行情况下,在满足压比不变的情况下,运行效 率和运行稳定性均会大幅度的降低。本发明的目的在于提供一种用于叶栅内流的等离子体激励控制系统。 本发明的又一目的在于提供一种利用等离子体激励控制系统进行控 制的方法。
    为实现上述目的,本发明提供的等离子体激励控制系统,其包括.-多个等离子体激励器,每一个等离子体激励器均是在一绝缘材料的两
    侧面非对称地各设置一金属电极;其中一金属电极嵌在绝缘材料中,另--
    金属电极裸露在空气中;
    各等离子体激励器分散地设置在叶栅的吸力面上,且各等离子体激励
    器嵌在绝缘材料中的金属电极一面朝向叶栅的吸力面;各等离子体激励器
    的两个电极分别连接一高压高频电源;在该高压高频电源的作用下,各等
    离子体激励器嵌在绝缘材料中的金属电极上方生成等离子体,并通过等离 子体与中性气体分子的碰撞向叶栅边界层输送能量,使叶栅周围空气形成
    静流量为零的水平方向射流,加速叶栅附面层内的气流流动;
    叶栅支撑固定在叶栅端壁内,该叶栅端壁将压缩气体封闭在通道内; 叶栅的吸力面上安置有壁面静压测量装置,以测量叶栅不同位置处的
    吸力面表面静压,进而判断是否发生流动分离;
    叶栅的吸力面上设置有壁面测温装置,以测量壁面温度;
    高压高频电源、壁面静压测量装置以及壁面测温装置均由一中央处理
    器控制。
    所述的等离子体激励控制系统,其中,所述绝缘材料为聚四氟乙烯或 石英玻璃。
    所述的等离子体激励控制系统,其中,所述金属电极为铜电极。 所述的等离子体激励控制系统,其中,所述金属电极形状为长方形。 本发明提供的利用上述等离子体激励控制系统进行控制的方法,包括下述步骤:
    1 )通过叶栅叶片吸力面上设置的壁面静压测量装置获取叶栅叶片内 的流动状态,判断叶栅吸力面是否发生流动分离;
    2) 若未发生吸力面流动分离,则不施加等离子体激励;
    3) 若已发生吸力面流动分离,则施加等离子体激励,施加等离子体 激励的强度由弱至强,直至抑制吸力面流动分离,并保持叶栅的吸力面温 度低于嵌有电极的绝缘材料的击穿温度。
    采用本发明系统可减小叶栅的流动损失,提高流体压縮机械效率,增 强压縮机械的运行稳定性。
    本发明在提高流体压縮机械效率和拓宽稳定性方面与现在运行的技 术有很大的区别:等离子体流动控制是一种基于等离子体气动激励的新概 念流动控制技术,等离子体激励以等离子体为载体,对流场施加一种可控 的扰动。而本发明的几个创新点体现在:
    1) 等离子体激励是电激励,没有运动部件;
    2) 结构简单、功耗低、激励参数容易调节;
    3) 激励作用频带宽和、响应迅速;
    4) 不使用时不会带来负面的影响。本发明的目的是要从流体机械气动热力学、等离子体物理学和控制理 论学科交叉的角度出发,采用适用于叶栅内流控制的等离子体激励及控制
    6系统,使叶栅内部流动分离损失和掺混损失一直处在较低水平。
    本发明的等离子体激励及控制系统适用于叶片式通用流体压縮机械 系统,其整个系统的运行是在计算机控制下进行的,通过在叶栅吸力面不 同位置施加适当强度的等离子体激励, 一方面可以起到抑制叶栅吸力面流 动分离的作用,另一方面可以改善叶栅尾迹区的流动状态,起到减小流动 损失的作用。
    本发明的控制方法包括下述步骤-
    A) 整个过程是在自适应和反馈模式的框架下执行的;
    B) 通过叶栅吸力面压力测量装置和控制系统的数据在线处理,获取 叶栅内的流动状态;
    C) 依靠叶栅数据采集和控制系统中计算机设定的控制规律,判断叶 栅吸力面是否发生流动分离并执行在线调节步骤。
    步骤C中,若对在线采集的数据分析表明未发生吸力面流动分离,则 不施加等离子体激励;若对在线采集的数据分析表明已发生吸力面流动分 离,则施加等离子体激励,该施加等离子体激励分几步骤进行:
    1) 施加低强度(激励电压〈OkV)的等离子体激励;
    2) 在线监测吸力面流动分离状况是否改善;
    3) 如果低强度等离子体激励成功抑制了吸力面流动分离,则保持该 激励电压,同时监测激励器附近的温度,保证温度低于绝缘材料击穿温度, 确保激励器不会被击穿。
    4) 如果低强度等离子体激励无法抑制了吸力面流动分离,则增大激 励电压,施加中等强度的等离子体激励(10kV-15kV),同时监测激励器附 近的温度,保证温度低于绝缘材料击穿温度,确保激励器不会被击穿。
    5) 如果中等强度等离子体激励无法抑制了吸力面流动分离,则增大 激励电压,施加高强度的等离子体激励(15kV-20kV),同时监测激励器附 近的温度,保证温度低于绝缘材料击穿温度,确保激励器不会被击穿。
    为了更清楚地了解本发明的内容,现以某叶栅发生吸力面流动分离的 速度云图和速度矢量图(见图1),进行说明。
    高负荷压气机叶栅由于折转角比较大,附面层内的动量不足以克服沿 流向的压力增加时,会发生吸力面流动分离,造成大的分离损失,图la和图lb给出了数值模拟的结果。

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