本發(fā)明涉及寬范圍可調(diào)軸流壓氣機(jī)，尤其是一種軸流壓氣機(jī)的自適應(yīng)攻角方法。

背景技術(shù)：

葉輪機(jī)械是一類非常重要的動(dòng)力裝置，廣泛應(yīng)用于航空、船舶、電力、冶金、能源、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域和人們的日常生活。據(jù)最近20年以來(lái)的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今社會(huì)生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的壓縮類葉輪機(jī)械消耗30％～40％的電力。在壓縮類葉輪機(jī)械中，軸流壓氣機(jī)占有舉足輕重的地位。軸流壓氣機(jī)由于通流能力強(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)高壓比，往往是能源、化工等行業(yè)工廠的核心設(shè)備，也是大中型燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件。

實(shí)際工程應(yīng)用中，往往要求軸流壓氣機(jī)有很寬的工作范圍，例如：某大型風(fēng)洞軸流壓氣機(jī)功率范圍在275～240000kw之間，流量范圍為90.7kg/s～10751kg/s，壓比范圍為1.1～1.7；瑞士蘇爾壽公司的工業(yè)用av80-16型軸流式壓縮機(jī)，功率范圍4000～90000kw之間，流量范圍為1100～18000nm3/min。

寬廣的工作范圍決定了軸流壓氣機(jī)經(jīng)常在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作，甚至有時(shí)工作狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)很遠(yuǎn)。然而，當(dāng)軸流壓氣機(jī)的工況偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)會(huì)變差，外部特性為效率下降、噪聲及振動(dòng)增大，甚至可能進(jìn)入氣動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)(旋轉(zhuǎn)失速、喘振)。

根據(jù)當(dāng)前普遍認(rèn)可的葉輪機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)基礎(chǔ)理論，軸流壓氣機(jī)在偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)后流動(dòng)狀況變差的內(nèi)在機(jī)理是其葉片葉型攻角偏離了最佳攻角范圍。實(shí)際工程應(yīng)用中常用的調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)葉片角度、中間級(jí)放氣等壓氣機(jī)調(diào)節(jié)手段均可視為通過(guò)調(diào)節(jié)攻角而改變壓氣機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)方案。

然而，當(dāng)前工程應(yīng)用中，軸流壓氣機(jī)的調(diào)節(jié)往往根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)方案在一定的條件下將壓氣機(jī)調(diào)節(jié)到一定狀態(tài)，可調(diào)狀態(tài)有限；或者根據(jù)儀表的實(shí)時(shí)顯示人工視情調(diào)節(jié)。例如：在專利cn105090086a中提出先確定壓氣機(jī)不會(huì)發(fā)生喘振的導(dǎo)葉角度與轉(zhuǎn)速，進(jìn)而按照預(yù)先設(shè)定的導(dǎo)葉角度范圍調(diào)節(jié)導(dǎo)葉，保持轉(zhuǎn)子攻角在合理范圍，從而避免發(fā)生喘振。

因而，當(dāng)前的壓氣機(jī)調(diào)節(jié)方式難以保證壓氣機(jī)在寬廣的工作范圍內(nèi)保持良好的工作狀態(tài)，而且操作人員工作量大、操作難度高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控軸流壓氣機(jī)內(nèi)氣流的流動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)氣流的流動(dòng)狀態(tài)特征對(duì)軸流壓氣機(jī)的可調(diào)導(dǎo)流葉片進(jìn)行調(diào)節(jié)，使軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子攻角維持在適當(dāng)范圍，從而保證軸流壓氣機(jī)在寬廣的工作范圍內(nèi)保持良好的工作狀態(tài)，同時(shí)還可減少操作人員的工作強(qiáng)度和難度。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)特征，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種軸流壓氣機(jī)的自適應(yīng)攻角方法，包括步驟：

(1)實(shí)時(shí)測(cè)量可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口截面上各個(gè)位置的溫度、總壓和靜壓，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口的平均總溫平均總壓和流量函數(shù)q(λin)；

(2)根據(jù)可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口的平均總溫平均總壓流量函數(shù)q(λin)以及預(yù)先獲得的可調(diào)導(dǎo)葉氣動(dòng)特性參數(shù)，計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉出口的絕對(duì)氣流速度，包括步驟：

(21)計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉出口的總溫t^*和總壓p^*：

式中，σ為可調(diào)導(dǎo)葉的葉排總壓恢復(fù)系數(shù)；

(22)根據(jù)可調(diào)導(dǎo)葉出口和進(jìn)口之間的流量連續(xù)關(guān)系計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉出口的氣流絕對(duì)馬赫數(shù)m；

(23)計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉出口的氣流絕對(duì)速度為：

ca＝c.sinα

cu＝c.cosα

式中，t表示靜溫，p表示靜壓，c表示可調(diào)導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流速度，ca為導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流速度軸向分量，cu為導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流速度切向分量；k表示比熱比，r表示氣體常數(shù)，α為可調(diào)導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流方向角，α＝α2k-δ，α2k為可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角，即要控制的可調(diào)導(dǎo)葉幾何角度，δ為可調(diào)導(dǎo)葉的葉排特性決定的可調(diào)導(dǎo)葉出口氣流落后角；

(3)計(jì)算軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角為：

i＝β1k-β

式中，i為軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角；β1k為軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中徑處幾何進(jìn)口角；β為軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中徑處進(jìn)口相對(duì)氣流角，β＝arctan(ca/wu)；wu為軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中徑處進(jìn)口相對(duì)速度切向分量，wu＝um-cu；um為軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中徑處旋轉(zhuǎn)線速度，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rm為轉(zhuǎn)子平均截面半徑；

(4)根據(jù)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角的計(jì)算公式得到轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角與可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角的關(guān)系；根據(jù)預(yù)先確定轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角目標(biāo)值或目標(biāo)范圍，通過(guò)轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角與可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角的關(guān)系，確定可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角的調(diào)節(jié)值或調(diào)節(jié)范圍；根據(jù)得到的可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角的調(diào)節(jié)值或調(diào)節(jié)范圍調(diào)節(jié)可調(diào)導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)角度；

(5)在所述軸流壓氣機(jī)工作過(guò)程中，循環(huán)執(zhí)行步驟(1)至(4)，直至所述軸流壓氣機(jī)停止工作。

進(jìn)一步的，所述可調(diào)導(dǎo)葉出口和進(jìn)口之間的流量連續(xù)關(guān)系為：

式中，a和ain分別為可調(diào)導(dǎo)葉出口截面和進(jìn)口截面的面積，q(λ)和q(λin)分別為可調(diào)導(dǎo)葉出口和進(jìn)口的流量函數(shù)。

進(jìn)一步的，所述計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉出口的氣流絕對(duì)馬赫數(shù)m的步驟包括：

根據(jù)可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口截面上各個(gè)位置的溫度、總壓壓力和靜壓的測(cè)量值，得到可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口的流量函數(shù)q(λin)；再根據(jù)可調(diào)導(dǎo)葉出口和進(jìn)口之間的流量連續(xù)關(guān)系公式得到可調(diào)導(dǎo)葉出口的流量函數(shù)q(λ)；進(jìn)而根據(jù)q(λ)計(jì)算出可調(diào)導(dǎo)葉出口氣流絕對(duì)馬赫數(shù)m。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：

通過(guò)在軸流壓氣機(jī)內(nèi)部布置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控壓氣機(jī)的流動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)特征對(duì)壓氣機(jī)的導(dǎo)流葉片進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子攻角維持在適當(dāng)范圍，從而保證壓氣機(jī)在寬廣的工作范圍內(nèi)保持良好的工作狀態(tài)，同時(shí)還可減少操作人員的工作強(qiáng)度和難度。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例所述的軸流壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)攻角的整體架構(gòu)圖；

圖2為實(shí)施例所述的軸流壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口截面的測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖中：1、軸流壓氣機(jī)本體，2、進(jìn)氣測(cè)量裝置，3、信號(hào)處理及控制模塊，4、可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示為實(shí)施例中的軸流壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)攻角的整體架構(gòu)圖，圖中包括：軸流壓氣機(jī)本體1、進(jìn)氣測(cè)量裝置2、信號(hào)處理及控制模塊3和可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置4。

軸流壓氣機(jī)本體1包括動(dòng)葉、靜葉和機(jī)匣。軸流壓氣機(jī)1的進(jìn)口設(shè)有可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置4，可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置4包括可調(diào)導(dǎo)葉和伺服電機(jī)，可調(diào)導(dǎo)葉在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中改變可調(diào)導(dǎo)葉的角度，氣流通過(guò)可調(diào)導(dǎo)葉葉片間的流道進(jìn)入壓氣機(jī)葉排。進(jìn)氣測(cè)量裝置2設(shè)置于可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口，用于測(cè)量可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口的氣動(dòng)信號(hào)，包括溫度和壓力。信號(hào)處理及控制模塊3包括：控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路和運(yùn)算控制器。進(jìn)氣測(cè)量裝置2將采集到的溫度和壓力數(shù)據(jù)傳遞給信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路將采集到的數(shù)據(jù)處理為數(shù)字電平信號(hào)后上傳給運(yùn)算控制器，由運(yùn)算控制器計(jì)算出可調(diào)導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)可調(diào)導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生伺服電機(jī)控制信號(hào)，通過(guò)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出端輸入伺服電機(jī)控制端，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度?？刂朴?jì)算機(jī)與運(yùn)算控制器相連，用于向控制運(yùn)算控制器寫入計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角度的程序并控制運(yùn)算控制器啟動(dòng)或關(guān)閉，同時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)算控制器的運(yùn)算流程，以便得到軸流壓氣機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)上述軸流壓氣機(jī)的自適應(yīng)攻角，本實(shí)施例提供的技術(shù)方案為：

(1)實(shí)時(shí)測(cè)量可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口截面上各個(gè)位置的溫度、穩(wěn)態(tài)壓力和穩(wěn)態(tài)靜壓，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口平均總溫平均總壓和流量函數(shù)q(λin)，具體步驟為：

在可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口處設(shè)置進(jìn)氣測(cè)量裝置2，進(jìn)氣測(cè)量裝置2包括溫度傳感器和壓力傳感器，進(jìn)氣測(cè)量裝置2的作用是精確測(cè)量可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口的溫度、總壓和靜壓，進(jìn)而根據(jù)測(cè)量值得到可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口的平均氣流速度。

定義進(jìn)口測(cè)量截面(進(jìn)口導(dǎo)向葉片前的截面)為aip截面，aip截面的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示：沿aip截面圓周周向均勻選取不少于6個(gè)穩(wěn)態(tài)靜壓測(cè)量點(diǎn)；將aip截面分為若干等面積的圓環(huán)面，并在每個(gè)圓環(huán)面的中徑上沿圓周周向等間隔選取不少于6個(gè)穩(wěn)態(tài)總壓測(cè)量點(diǎn)。分別在穩(wěn)態(tài)靜壓測(cè)量點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)總壓測(cè)量點(diǎn)上設(shè)置壓力傳感器，根據(jù)各傳感器的測(cè)量值計(jì)算aip截面平均總壓和平均靜壓的差值，再根據(jù)aip截面平均總壓和平均靜壓的差值計(jì)算可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口平均氣流速度。在進(jìn)入壓氣機(jī)動(dòng)葉前，氣流的總溫是不變的，所以，溫度測(cè)點(diǎn)并不限定具體位置，只要在壓氣機(jī)動(dòng)葉之前即可。

(2)導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流速度計(jì)算，計(jì)算過(guò)程如下：

導(dǎo)葉出口總溫：

t^*為可調(diào)導(dǎo)葉出口的總溫，為進(jìn)氣測(cè)量裝置獲得的可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口平均總溫。

導(dǎo)葉出口總壓：

p^*為可調(diào)導(dǎo)葉出口總壓，為進(jìn)氣測(cè)量裝置獲得的可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口平均總壓，σ為可調(diào)導(dǎo)葉的葉排總壓恢復(fù)系數(shù)(總壓恢復(fù)系數(shù)取決于葉排的特性)。

導(dǎo)葉出口氣流絕對(duì)馬赫數(shù)：

根據(jù)導(dǎo)葉出口和進(jìn)口流量連續(xù)關(guān)系可得：

式中，a和ain分別為可調(diào)導(dǎo)葉出口截面和進(jìn)口截面的面積，q(λ)和q(λin)分別為可調(diào)導(dǎo)葉出口和進(jìn)口的流量函數(shù)。α為可調(diào)導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流方向角，又有：α＝α2k-δ

α2k為可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角，即要控制的可調(diào)導(dǎo)葉幾何角度，δ為可調(diào)導(dǎo)葉的葉排特性決定的可調(diào)導(dǎo)葉出口氣流落后角。

可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)口的流量函數(shù)q(λin)可由口測(cè)量截面的總壓、靜壓求出。因此，可根據(jù)以上關(guān)系求出可調(diào)導(dǎo)葉出口的流量函數(shù)q(λ)，進(jìn)而可根據(jù)q(λ)計(jì)算出可調(diào)導(dǎo)葉出口氣流絕對(duì)馬赫數(shù)m。

導(dǎo)葉出口氣流絕對(duì)速度：

ca＝c·sinα

cu＝c·cosα

式中，t表示靜溫，p表示靜壓，c表示可調(diào)導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流速度，ca為導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流速度軸向分量，cu為導(dǎo)葉出口絕對(duì)氣流速度切向分量；k表示比熱比，r表示氣體常數(shù)。

(3)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角的計(jì)算，計(jì)算步驟如下：

轉(zhuǎn)子葉片中徑處旋轉(zhuǎn)線速度：

n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)，rm為轉(zhuǎn)子平均截面半徑。

轉(zhuǎn)子中徑處進(jìn)口相對(duì)速度切向分量：

wu＝um-cu

轉(zhuǎn)子中徑處進(jìn)口相對(duì)氣流角：

β＝arctan(ca/wu)

轉(zhuǎn)子中徑處攻角：

i＝β1k-β(β1k為轉(zhuǎn)子中徑處幾何進(jìn)口角)。

(4)可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)，步驟為：

根據(jù)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角的計(jì)算公式得到轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角與可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角的關(guān)系；根據(jù)預(yù)先確定轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角目標(biāo)值或目標(biāo)范圍，通過(guò)轉(zhuǎn)子中徑進(jìn)氣攻角與可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角的關(guān)系，確定可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角的調(diào)節(jié)值或調(diào)節(jié)范圍；根據(jù)得到的可調(diào)導(dǎo)葉幾何出口角的調(diào)節(jié)值或調(diào)節(jié)范圍調(diào)節(jié)可調(diào)導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)角度。

具體執(zhí)行時(shí)：

運(yùn)算控制器根據(jù)步驟(1)至(4)計(jì)算出可調(diào)導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)可調(diào)導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生伺服電機(jī)控制信號(hào)，通過(guò)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出端輸入伺服電機(jī)控制端，控制伺服電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)導(dǎo)葉角度使壓氣機(jī)始終保持良好的工作狀態(tài)。

(5)在所述軸流壓氣機(jī)工作過(guò)程中，循環(huán)執(zhí)行步驟(1)至(4)，直至所述軸流壓氣機(jī)停止工作。

上述技術(shù)方案可用于各類軸流式壓氣機(jī)(包括壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等)，不限于特定的壓氣機(jī)，也不限定壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)、工質(zhì)類型。本方案確定的導(dǎo)葉角度是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)的，適用于壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速工況。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可對(duì)每一片可調(diào)導(dǎo)葉單獨(dú)控制；也對(duì)所有可調(diào)導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)控制。其關(guān)鍵在于可調(diào)導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性和調(diào)節(jié)精度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。