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1、(10)申请公布号 CN 103133391 A(43)申请公布日 2013.06.05CN103133391A*CN103133391A*(21)申请号 201110393788.3(22)申请日 2011.12.01F04D 29/00(2006.01)F15D 1/00(2006.01)(71)申请人中国科学院工程热物理研究所地址 100190 北京市海淀区北四环西路11号(72)发明人李钢 杨凌元 聂超群 朱俊强徐燕骥(74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司 11021代理人周国城(54) 发明名称机匣处理系统(57) 摘要本发明公开了一种机匣处理系统。该系统包括：等离子体激励。
2、器，以非轴对称方式布置在压气机机匣外围，压气机机匣内侧动叶的上方，用于产生等离子体，加速其附近的空气。本发明机匣处理系统通过在压气机机匣固定位置施加适当强度和频率的等离子体激励，一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失的作用，使叶尖泄露流损失和掺混损失一直处在较低水平。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书6页 附图6页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图6页(10)申请公布号 CN 103133391 ACN 103133391 A1/2页21.一种机匣处理系统，其特征在于，包。
3、括：至少一个等离子体激励器，以非轴对称方式布置在压气机机匣外围，压气机机匣内侧动叶的上方，用于产生等离子体，加速其附近的空气。2.根据权利要求1所述的机匣处理系统，其特征在于，所述等离子体激励器的数目为n，其中，1n100。3.根据权利要求2所述的机匣处理系统，其特征在于，n1，所述1个等离子体激励器包围压气机机匣的角度小于360；或2n100，所述n个等离子体激励器两两之间有缺口。4.根据权利要求1所述的机匣处理系统，其特征在于，所述等离子体激励器包括：绝缘层，以非轴对称方式布置在压气机机匣外围；至少一条掩埋电极，掩埋于所述绝缘层外侧，与高压电源中高压端或接地端中的一端相连接；至少一条裸露电。
4、极，裸露于所述绝缘层内侧，与高压电源中与所述一端相对应的另一端相连接。5.根据权利要求4所述的机匣处理系统，其特征在于，所述绝缘层的材料为聚四氟乙烯、电木、陶瓷或石英玻璃；所述掩埋电极和裸露电极的材料为铜、钼或钨。6.根据权利要求4所述的机匣处理系统，其特征在于，所述掩埋电极和裸露电极宽度为150mm，裸露电极和掩埋电极的水平方向间距为010mm。7.根据权利要求4所述的机匣处理系统，其特征在于，当所述裸露电极有多条时，裸露电极和裸露电极之间的间距为1100mm。8.根据权利要求4所述的机匣处理系统，其特征在于，对于所述高压电源的高压端，电压为1-30kV，频率为100-500kHz。9.根据。
5、权利要求1所述的机匣处理系统，其特征在于，所述的等离子体激励器布置方式为周向电极、轴向电极、曲折电极，或者是这些方式的组合。10.根据权利要求1至9中任一项所述的机匣处理系统，其特征在于，还包括：入口流量测量装置，设置于所述压气机的气流入口，用于测量气流的入口流量；出口压力测量装置，设置于所述压气机的气流出口，用于测量气流的出口压力；压气机转速测量装置，用于测量所述压气机的转速；高压交流电源，与所述等离子体激励器相连接，用于为所述等离子体激励器提供能量；数据采集与控制装置，用于预存不同转速下所述压气机的特征曲线；由所述入口流量、出口压力和所述压气机转速和特征曲线，判断所述压气机的状态，如果所述。
6、压气机出现失速，控制所述高压交流电源为所述等离子体激励器提供的激励电压。11.根据权利要求10所述的机匣处理系统，其特征在于，还包括壁面测温装置；所述壁面测温装置，设置于所述等离子体激励器下游，用于测量压气机机匣的壁面温度；所述数据采集与控制装置，与所述壁面测温装置相连接，还用于根据所述压气机机匣的壁面温度与预设温度的关系，降低/升高所述高压交流电源为所述等离子体激励器提供权 利 要 求 书CN 103133391 A2/2页3的激励电压。权 利 要 求 书CN 103133391 A1/6页4机匣处理系统技术领域0001 本发明涉及流体动力学中流体输送技术领域，尤其涉及一种机匣处理系统，可用。
7、于航空、化工、发电、冶金、电力、交通、纺织等行业。背景技术0002 众所周知，在我国基础性工业领域(化工、发电、冶金、电力、交通、纺织等)运行着大量以叶片形式(轴流、离心，及两者混合)为气动结构基元的流体输送机械，主要包括气体压缩机、通风机、鼓风机和压气机。此外在航空领域，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、气动稳定裕度和效率。比如提高级增压比，就可以减少风扇、压气机的级数，从而增加发动机的推重比，但是随着压气机增压比的升高，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，。
8、使得压气机流动损失大大增加，严重地降低效率，并难以保证压气机的正常稳定工作，带来稳定性降低的问题。因此，提高发动机的推重比和使用稳定性，迫切需要采用新型的流动控制手段，来扩大风扇/压气机的稳定性，并提高其效率。0003 目前在叶片式通用流体压缩机械在实际运行中，依据流体输送系统的实际要求，压缩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。0004 现以某轴流压气机的特性曲线(见图1)进行说明。喘振线左端为原机组不能工作的区域，系统一旦进入这一区域会发生强烈的流体振荡，严重时会发生机毁人亡的灾难性事故，实际运行时均匹配喘振预报和防喘。
9、振措施。点划线为效率相等的工作点，而且随着椭圆封闭区域的减少，效率会增加。图1中的n1、n2、n3、n4、n5、n6曲线，为压气机在不同等转速下运行的特性线，以n5为设计转速，特性线表示了机组压比与流量的对应关系。在导叶和静叶固定安装角不变的情况下，在等转速线的条件下，压比随流量的降低而增加，实际运行时为了避免喘振，都留有一定的喘振裕度，一般为10-15的范围，也就是运行工作点远离喘振边界线。这就是目前工业界实际运行流体压缩机普遍遵循的设计准则。0005 当转速降低，也就是运行工况离开设计转速n5时，要保证相同的压比，就会出现图2的现象。例如当转速在n4时，要保证与n5运行的相同压比，则机组必。
10、定要进入不可运行的区域，这就是工作点必须出现在喘振边界线的左端。以轴流压气机单排动叶的速度三角形(图3)变化为切入点，可以在机理上解释这一流动失稳现象。0006 图3中的Va是进气的轴向速度，V1是进气的相对速度，U是叶片旋转在R半径处的切向速度，1是进气角，1是叶片的安装角，一般情况下气体的入口攻角1-12 -5时，叶片通道内部的流动损失为最小。因此，在设计状态下，攻角都设置在2 -5。依据吴仲华转焓恒定的原理，假使马赫数小于0.28，近似认为是不可压缩流动，则压比与相对转速的关系为：说 明 书CN 103133391 A2/6页50007 0008 可见，压比、流量和叶片通道流动损失是有严。
11、格的关系的。如果在恒定转速的条件下，要提高压比，流量必须降低，则Va与V1的夹角1必须加大，则1-15，叶片吸力面的分离必定加大，通道内部的流动分离就会加大，流动损失就会加大，另一方面，通道内部的分离团就会形成不稳定分离团，相对于叶片旋转的方向反向旋转，压气机进入喘振和旋转失速。这是在转速不变的情况下，压气机进入喘振左端区域的物理解释。0009 图2是当压气机偏离设计转速n5时，如果要保持压比恒定，在n4转速下，压气机要进入喘振区域的示意图，因为转速下降，给压气机提供的功必然下降，而要维持压比恒定，则两个相对速度的平方差不变，或者说相对速度的大小不能有大的改变，为保持这一关系，这时流量必须下降。
12、。必然导致Va与V1的夹角1加大，吸力面分离加剧，压气机进入如图2所示的左端区域。可见，在现有固定的进口导叶和固定的静叶安装角的前提下，机组要维持相同压比下，维持系统高效稳定运行是不可能的。发明内容0010 (一)要解决的技术问题0011 为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种机匣处理系统，以拓宽压气机的稳定运行区域。0012 (二)技术方案0013 根据本发明的一个方面，提供了一种机匣处理系统。该系统包括：至少一个等离子体激励器，以非轴对称方式布置在压气机机匣外围，压气机机匣内侧动叶的上方，用于产生等离子体，加速其附近的空气。0014 (三)有益效果0015 本发明机匣处理系统具有以下。
13、有益效果：0016 (1)通过在压气机机匣固定位置非轴对称的施加适当强度和频率的等离子体激励，一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失的作用，使叶尖泄露流损失和掺混损失一直处在较低水平；0017 (2)等离子体激励是电激励，其对流场产生扰动的可控性好；并且等离子体激励器结构简单，没有运动部件，不仅易于安装与维护；而且不会给压气机带来额外的振动，不会影响压气机的总体工作状态；0018 (3)相比于轴对称的等离子体激励器，非轴对称的等离子体激励系统安装简单，并且当某一个等离子体激励器出现故障时，仅对其进行更换，而不用更换其他的等离子体激励器。
14、。此外，非轴对称的等离子体激励器的功耗也比轴对称的要低，有利于节能减排。附图说明0019 图1是现有技术中轴流压气机特性曲线；0020 图2是现有技术中变转速，恒定压比系统进入喘振的示意图；0021 图3是现有技术中压气机单排叶片速度三角形变化趋势示意图；0022 图4为本发明实施例布置了10个等离子体激励器的三维示意图；说 明 书CN 103133391 A3/6页60023 图5A为本发明实施例激励器周向布置示意图；图5B为激励前轴向布置示意图；图5C为激励前曲折布置示意图；0024 图6本发明实施例机匣处理系统采用等离子体激励减小进气功角示意图；0025 图7是本发明实施例机匣处理系统中。
15、等离子体激励器在压气机机匣上布置的三维示意图；0026 图8A为本发明实施例机匣处理系统的结构示意图；图8B为本发明实施例机匣处理系统的实物图；0027 图9A为本发明实施例机匣处理系统未施加等离子体激励的现场照片；图9B为本发明实施例机匣处理系统施加等离子体激励的现场照片；0028 图10为本发明实施例机匣处理系统在压气机实验台上进行实验验证的对比试验图。具体实施方式0029 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于。
16、所述值。0030 在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种机匣处理系统。该机匣处理系统包括：等离子体激励器，其以非轴对称方式布置在压气机机匣外围，用于产生等离子体，加速压气机机匣内的空气。0031 本实施例中，通过在压气机机匣固定位置非轴对称的施加适当强度和频率的等离子体激励，一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失的作用，使叶尖泄露流损失和掺混损失一直处在较低水平。本实施例中，等离子体激励是电激励，其对流场产生扰动的可控性好；等离子体激励是电激励，其对流场产生扰动的可控性好；并且等离子体激励器结构简单，没有运动部件，不仅易于安装与维护。
17、；而且不会给压气机带来额外的振动，不会影响压气机的总体工作状态。0032 本实施例中，等离子体激励器的数目介于1个至100个之间，优选为10个(如图4所示)、20个或50个。等离子体激励器布置方式为周向电极(如图5A所示)、轴向电极(如图5B所示)、曲折电极(如图5C所示)，或者是这些方式的组合，其中曲折电极有一个或多个转折。图6本发明实施例机匣处理系统采用等离子体激励减小进气功角示意图，其中u为动叶的牵连速度，w为相对速度，c为绝对速度，为进气角，施加等离子体激励后，相对速度变为w，进气角变为，等离子体诱导流动为C，由图6可见等离子体激励使使进气角增大。本实施例中，等离子体激励通过在压气机叶。
18、尖端壁区诱导沿进口气流方向流动，使进气角增大，抑制叶片吸力面的流动分离。0033 因为机匣是一个三维实体，此处，轴对称是指三维实体的轴对称，三维轴对称实体的特征是这个三维实体可以由一个二维平面图形绕一轴线旋转360得到，而不具备这个特征的三维实体就是非轴对称三维实体。具体到本发明来讲，“非轴对称”是指：等离子体激励器以非连续的方式排列在压气机机匣的外围，并没有在360完全的覆盖在压气机机匣的外围。如果机匣处理系统仅包含一个等离子体激励器，则该等离子体激励器包围压气机机匣的角度小于360；如果机匣处理系统包含两个或更多个等离子体激励器，则该两个说 明 书CN 103133391 A4/6页7或更。
19、多个等离子体激励器间有缺口。0034 可见，相比于轴对称等离子体激励器，非轴对称的等离子体激励系统安装简单，并且当某一个等离子体激励器出现故障时，仅对其进行更换，而不用更换其他的等离子体激励器，有利于等离子体激励器的维护。此外，非轴对称的等离子体激励器的功耗也比轴对称的等离子体激励器要低，有利于节能减排。0035 图7是本发明实施例机匣处理系统中等离子体激励器在压气机机匣上布置的三维示意图。如图7所示，等离子体激励器包括：绝缘层，以非轴对称方式布置在压气机机匣外围；至少一条掩埋电极，掩埋于绝缘层外侧，与高压电源接地端/高压端相连接；至少一条裸露电极，裸露于绝缘层内侧，与高压电源高压端/接地端相。
20、连接。掩埋电极和裸露电极共同作用，产生等离子体。对于所述高压电源的高压端，电压为1-30kV，频率为100-500kHz。0036 图中给出了裸露电极、掩埋电极、动叶、机匣。绝缘层的材料为聚四氟乙烯、电木、陶瓷或石英玻璃；掩埋电极和裸露电极的材料为铜、钼或钨。掩埋电极和裸露电极的宽度为1-50mm，裸露电极和掩埋电极的间距为0-10mm。当所述裸露电极有多条时，裸露电极和裸露电极之间的间距为1100mm。0037 申请人做了四种机匣处理系统来验证本发明：0038 在第一种机匣处理系统中，等离子体激励器的掩埋电极和裸露电极的宽度均为1mm，其水平间距为0mm，在压气机机匣的外围布置了100个等离。
21、子体激励器，裸露电极有2条，间距为100mm，高压电源高压端的电压为1kV，频率为100Hz；0039 在第二种机匣处理系统中，等离子体激励器的掩埋电极和裸露电极的宽度均为10mm，其水平间距为2mm，在压气机机匣的外围布置了20个等离子体激励器，裸露电极有5条，间距为20mm，高压电源高压端的电压为10kV，频率为10kHz；0040 在第三种机匣处理系统中，等离子体激励器的掩埋电极和裸露电极的宽度均为20mm，其水平间距为5mm，在压气机机匣的外围布置了10个等离子体激励器，裸露电极有10条，间距为2mm，高压电源高压端的电压为100kV，频率为100kHz；0041 在第四种机匣处理系统。
22、中，等离子体激励器的掩埋电极和裸露电极的宽度均为50mm，其水平间距为10mm，在压气机机匣的外围布置了1个等离子体激励器，裸露电极有20条，间距为1mm，高压电源高压端的电压为30kV，频率为500kHz。0042 实验证明，四种机匣处理系统均能够有效地拓宽压气机的稳定运行区域的作用，改善叶尖区域的流动状态。0043 为了控制等离子体激励器开启/关闭的时机，以及等离子体激励器的强度，在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种机匣处理系统。图8A为本发明实施例机匣处理系统的结构示意图；图8B为本发明实施例机匣处理系统的实物图。如图8A和图8B所示，本实施例机匣处理系统包括：压气机机匣1，动叶。
23、2，等离子体激励器3，高压电源4，壁面测温装置5，进口流量测量装置6，出口压力测量装置7，数据采集与控制装置8。本发明控制装置中个部件、及各部件的连接组装都是已有技术，在此不作赘述。0044 其中，压气机机匣1，为压气机导叶和静叶提供支撑，并将压缩气体封闭在通道内；压气机动叶2，起到压缩空气的作用；等离子体激励器3，接通高压电后产生等离子体，加速附近空气；高压交流电源4，为等离子体激励器提供电源；壁面测温装置5，测量壁面温度，说 明 书CN 103133391 A5/6页8保证不超温，防止激励器被击穿；进口流量测量装置6，与数据采集与控制装置8中的数据采集系统联结在一起，对压气机的流量进行在线。
24、动态采集，并与压气机的转速信号连锁在一起，为系统整体控制提供非设计状态的准确输入信号；压气机出口压力测量装置7，与数据采集与控制装置8连接，用于对压气机运行的出口压力进行动态监测，一旦在动态压力信号中出现失速先兆信号，则发出控制输出信号，开启等离子体激励器；数据采集与控制装置8，是整个系统的信号分析、控制指令发出、数据采集的中央处理器，其用于预存不同转速下压气机的特征曲线；有入口流量、出口压力和压气机转速和特征曲线，判断压气机的状态，如果压气机出现失速，控制高压交流电源为等离子体激励器提供的激励电压；与壁面测温装置相连接，用于根据压气机机匣的壁面温度，降低/升高高压交流电源为等离子体激励器提供。
25、的激励电压。0045 本发明机匣处理系统的工作过程如下：0046 步骤A、依据入口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集得到的流量和压力信号，经过压气机运行数据采集和控制系统的数据在线处理，获取压气机目前运行状况，通过布置在机匣壁面上的压力传感器获得进出口压力，由此计算得到压气机的流量系数和压力系数，由此可绘制出如图1所示的压气机特性曲线，由此来表征压气机的运行状况；0047 步骤B、依靠压气机数据采集和控制系统中计算机设定的控制规律，判断压气机是否发生失速并执行在线调节步骤。计算机所设定的控制规律由图2所示的压气机特性曲线获得，具体说就是对应不同的转速，压气机都有一个稳定工作范围，如果流量。
26、减小到某一个值时，由于叶片上的流动分离会造成气流阻塞现象，从而使压气机性能突然降低，也就是发生了失速，将这些不同转速下的特性曲线输入数据采集与控制装置；0048 步骤C，由数据采集与控制装置来监控压气机是否会发生失速。若对在线采集的数据分析表明未发生失速，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失速，执行步骤D；0049 步骤D，由数据采集与控制装置8控制高压交流电源4为等离子体激励器提供电压，等离子激励器对机匣内的气流施加等离子体激励，具体来讲：0050 首先，施加适当强度(激励电压10kV)的等离子体激励；0051 其次，通过布置在机匣上的壁面测温装置(图5中的5)监测激励器。
27、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，该壁面测温装置于等离子体激励器的下游，与等离子体激励器轴向距离为1mm。0052 3)如果激励器附近温度过高(超过200)，则降低激励电压(降低1kV)，继续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。0053 4)如果激励器附近温度未超过200，则增大激励电压(增大1kV)，继续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。0054 图9A为本发明实施例机匣处理系统未施加等离子体激励的现场照片；图9B为本发明实施例机匣处理系统施加等离子体激励的现场照片。由图9A和图9B可。
28、以看出，在动叶前缘布置了一组等离子体激励器。0055 本发明等离子体机匣处理系统在压气机实验台上进行了实验验证，该实验台的基本参数如表1所示。实验中通过逐步调整压气机出口的节流阀，降低压气机流量直至压气机失速，采集压气机进出口的壁面静压，计算压气机的压升系数和流量系数，比较未说 明 书CN 103133391 A6/6页9施加等离子体气动激励和施加激励时的压气机性能和稳定性。实验结果如图10所示。其验证结果与本发明提出的设想一致。0056 表1压气机实验台的设计参数0057 转子设计转速/(r/min) 2400通道外径/mm 500轮毂比 0.75转子叶片数量 58级反动度/ 68动叶展弦比。
29、 1.86动叶顶部安装角/ 39动叶顶部弦长/mm 36.3设计流量/(kg/s) 2.60058 0059 压气机转速为1500r/min时，施加等离子体气动激励前后，压气机的压升系数-流量系数曲线如图10所示。0060 由图10可见，施加功率为36W等离子体气动激励后，压气机近失速流量系数ns降低了近2，最大压升系数max基本保持不变，因此本发明的非轴对称等离子体机匣处理方法可以有效扩大压气机稳定性。0061 综上所述，本发明机匣处理系统具有以下有益效果：0062 (1)通过在压气机机匣固定位置非轴对称的施加适当强度和频率的等离子体激励，一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方。
30、面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失的作用，使叶尖泄露流损失和掺混损失一直处在较低水平；0063 (2)等离子体激励是电激励，其对流场产生扰动的可控性好；等离子体激励器结构简单，易于安装与维护；等离子体激励器没有运动部件，这样不会给压气机带来额外的振动，不会影响压气机的总体工作状态；0064 (3)相比于轴对称的等离子体激励器，非轴对称的等离子体激励系统安装简单，并且当某一个等离子体激励器出现故障时，仅对其进行更换，而不用更换其他的等离子体激励器。此外，非轴对称的等离子体激励器的功耗也比轴对称的要低，有利于节能减排。0065 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说 明 书CN 103133391 A1/6页10图1图2说 明 书 附 图CN 103133391 A10。