CN107202029B - 一种轴流压气机的自适应攻角方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种轴流压气机的自适应攻角方法，通过构建计算公式得到转子中径进气攻角与可调导叶几何出口角的关系；然后根据采集得到可调导叶进口截面上各个位置的温度、总压和静压，根据预先确定转子中径进气攻角目标值或目标范围，通过转子中径进气攻角与可调导叶几何出口角的关系，确定可调导叶几何出口角的调节值或调节范围；根据得到的可调导叶几何出口角的调节值或调节范围调节可调导叶的旋转角度，实现轴流压气机自适应攻角，使轴流压气机转子攻角维持在适当范围，从而保证轴流压气机在宽广的工作范围内保持良好的工作状态，同时还可减少操作人员的工作强度和难度。

Description

一种轴流压气机的自适应攻角方法

技术领域

本发明涉及宽范围可调轴流压气机，尤其是一种轴流压气机的自适应攻角方法。

背景技术

叶轮机械是一类非常重要的动力装置，广泛应用于航空、船舶、电力、冶金、能源、医药卫生等领域和人们的日常生活。据最近20年以来的统计，当今社会生活和工、农业生产中的压缩类叶轮机械消耗30％～40％的电力。在压缩类叶轮机械中，轴流压气机占有举足轻重的地位。轴流压气机由于通流能力强、可以实现高压比，往往是能源、化工等行业工厂的核心设备，也是大中型燃气轮机、航空发动机的核心部件。

实际工程应用中，往往要求轴流压气机有很宽的工作范围，例如：某大型风洞轴流压气机功率范围在275～240000KW之间，流量范围为90.7kg/s～10751kg/s，压比范围为1.1～1.7；瑞士苏尔寿公司的工业用AV80-16型轴流式压缩机，功率范围4000～90000KW之间，流量范围为1100～18000Nm3/min。

宽广的工作范围决定了轴流压气机经常在非设计状态下工作，甚至有时工作状态偏离设计状态很远。然而，当轴流压气机的工况偏离设计点时，其内部流动状态会变差，外部特性为效率下降、噪声及振动增大，甚至可能进入气动失稳状态(旋转失速、喘振)。

根据当前普遍认可的叶轮机气动热力学基础理论，轴流压气机在偏离设计状态后流动状况变差的内在机理是其叶片叶型攻角偏离了最佳攻角范围。实际工程应用中常用的调节节流阀开度、调节转速、调节叶片角度、中间级放气等压气机调节手段均可视为通过调节攻角而改变压气机的内部流动状态的技术方案。

然而，当前工程应用中，轴流压气机的调节往往根据预设的调节方案在一定的条件下将压气机调节到一定状态，可调状态有限；或者根据仪表的实时显示人工视情调节。例如：在专利CN105090086A中提出先确定压气机不会发生喘振的导叶角度与转速，进而按照预先设定的导叶角度范围调节导叶，保持转子攻角在合理范围，从而避免发生喘振。

因而，当前的压气机调节方式难以保证压气机在宽广的工作范围内保持良好的工作状态，而且操作人员工作量大、操作难度高。

发明内容

发明目的：通过实时监控轴流压气机内气流的流动状态，并根据气流的流动状态特征对轴流压气机的可调导流叶片进行调节，使轴流压气机转子攻角维持在适当范围，从而保证轴流压气机在宽广的工作范围内保持良好的工作状态，同时还可减少操作人员的工作强度和难度。

技术方案：为实现上述技术特征，本发明提供的技术方案为：

一种轴流压气机的自适应攻角方法，包括步骤：

(1)实时测量可调导叶进口截面上各个位置的温度、总压和静压，根据测量值计算可调导叶进口的平均总温平均总压和流量函数q(λ_in)；

(2)根据可调导叶进口的平均总温平均总压流量函数q(λ_in)以及预先获得的可调导叶气动特性参数，计算可调导叶出口的气流绝对速度，包括步骤：

(21)计算可调导叶出口的总温T^*和总压P^*：

式中，σ为可调导叶的叶排总压恢复系数；

(22)根据可调导叶出口和进口之间的流量连续关系计算可调导叶出口的气流绝对马赫数M；

(23)计算可调导叶出口的气流绝对速度为：

Ca＝C·sinα

Cu＝C·cosα

式中，T表示静温，P表示静压，C表示可调导叶出口气流绝对速度，Ca为导叶出口气流绝对速度轴向分量，Cu为导叶出口气流绝对速度切向分量；k表示比热比，R表示气体常数，α为可调导叶出口绝对气流方向角，α＝α_2k-δ，α_2k为可调导叶几何出口角，即要控制的可调导叶几何角度，δ为可调导叶的叶排特性决定的可调导叶出口气流落后角；

(3)计算轴流压气机转子中径进气攻角为：

i＝β_1k-β

式中，i为轴流压气机转子中径进气攻角；β_1k为轴流压气机转子中径处几何进口角；β为轴流压气机转子中径处进口相对气流角，β＝arctan(Ca/Wu)；Wu为轴流压气机转子中径处进口相对速度切向分量，Wu＝U_m-Cu；U_m为轴流压气机转子叶片中径处旋转线速度，n为转子转速，r_m为转子平均截面半径；

(4)根据轴流压气机转子中径进气攻角的计算公式得到转子中径进气攻角与可调导叶几何出口角的关系；根据预先确定转子中径进气攻角目标值或目标范围，通过转子中径进气攻角与可调导叶几何出口角的关系，确定可调导叶几何出口角的调节值或调节范围；根据得到的可调导叶几何出口角的调节值或调节范围调节可调导叶的旋转角度；

(5)在所述轴流压气机工作过程中，循环执行步骤(1)至(4)，直至所述轴流压气机停止工作。

进一步的，所述可调导叶出口和进口之间的流量连续关系为：

式中，A和A_in分别为可调导叶出口截面和进口截面的面积，q(λ)和q(λ_in)分别为可调导叶出口和进口的流量函数。

进一步的，所述计算可调导叶出口的气流绝对马赫数M的步骤包括：

根据可调导叶进口截面上各个位置的温度、总压压力和静压的测量值，得到可调导叶进口的流量函数q(λ_in)；再根据可调导叶出口和进口之间的流量连续关系公式得到可调导叶出口的流量函数q(λ)；进而根据q(λ)计算出可调导叶出口气流绝对马赫数M。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

通过在轴流压气机内部布置传感器实时监控压气机的流动状态，并根据流动状态特征对压气机的导流叶片进行自动调节，使压气机转子攻角维持在适当范围，从而保证压气机在宽广的工作范围内保持良好的工作状态，同时还可减少操作人员的工作强度和难度。

附图说明

图1为实施例所述的轴流压气机实现自适应攻角的整体架构图；

图2为实施例所述的轴流压气机可调导叶进口截面的测点布置图。

图中：1、轴流压气机本体，2、进气测量装置，3、信号处理及控制模块，4、可调导叶调节装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为实施例中的轴流压气机实现自适应攻角的整体架构图，图中包括：轴流压气机本体1、进气测量装置2、信号处理及控制模块3和可调导叶调节装置4。

轴流压气机本体1包括动叶、静叶和机匣。轴流压气机1的进口设有可调导叶调节装置4，可调导叶调节装置4包括可调导叶和伺服电机，可调导叶在伺服电机的驱动下旋转，旋转过程中改变可调导叶的角度，气流通过可调导叶叶片间的流道进入压气机叶排。进气测量装置2设置于可调导叶进口，用于测量可调导叶进口的气动信号，包括温度和压力。信号处理及控制模块3包括：控制计算机、信号调理电路和运算控制器。进气测量装置2将采集到的温度和压力数据传递给信号调理电路，信号调理电路将采集到的数据处理为数字电平信号后上传给运算控制器，由运算控制器计算出可调导叶的旋转角度，并根据可调导叶的旋转角度产生伺服电机控制信号，通过控制信号驱动输出端输入伺服电机控制端，控制伺服电机驱动可调导叶转至相应角度。控制计算机与运算控制器相连，用于向控制运算控制器写入计算可调导叶旋转角度的程序并控制运算控制器启动或关闭，同时监测运算控制器的运算流程，以便得到轴流压气机的运行状态。

为实现上述轴流压气机的自适应攻角，本实施例提供的技术方案为：

(1)实时测量可调导叶进口截面上各个位置的温度、稳态压力和稳态静压，根据测量值计算可调导叶进口平均总温平均总压和流量函数q(λ_in)，具体步骤为：

在可调导叶进口处设置进气测量装置2，进气测量装置2包括温度传感器和压力传感器，进气测量装置2的作用是精确测量可调导叶进口的温度、总压和静压，进而根据测量值得到可调导叶进口的平均气流速度。

定义进口测量截面(进口导向叶片前的截面)为AIP截面，AIP截面的测点布置如图2所示：沿AIP截面圆周周向均匀选取不少于6个稳态静压测量点；将AIP截面分为若干等面积的圆环面，并在每个圆环面的中径上沿圆周周向等间隔选取不少于6个稳态总压测量点。分别在稳态静压测量点和稳态总压测量点上设置压力传感器，根据各传感器的测量值计算AIP截面平均总压和平均静压的差值，再根据AIP截面平均总压和平均静压的差值计算可调导叶进口平均气流速度。在进入压气机动叶前，气流的总温是不变的，所以，温度测点并不限定具体位置，只要在压气机动叶之前即可。

(2)导叶出口气流绝对速度计算，计算过程如下：

导叶出口总温：

T^*为可调导叶出口的总温，为进气测量装置获得的可调导叶进口平均总温。

导叶出口总压：

P^*为可调导叶出口总压，为进气测量装置获得的可调导叶进口平均总压，σ为可调导叶的叶排总压恢复系数(总压恢复系数取决于叶排的特性)。

导叶出口气流绝对马赫数：

根据导叶出口和进口流量连续关系可得：

式中，A和A_in分别为可调导叶出口截面和进口截面的面积，q(λ)和q(λ_in)分别为可调导叶出口和进口的流量函数。α为可调导叶出口绝对气流方向角，又有：α＝α_2k-δ

α_2k为可调导叶几何出口角，即要控制的可调导叶几何角度，δ为可调导叶的叶排特性决定的可调导叶出口气流落后角。

可调导叶进口的流量函数q(λ_in)可由口测量截面的总压、静压求出。因此，可根据以上关系求出可调导叶出口的流量函数q(λ)，进而可根据q(λ)计算出可调导叶出口气流绝对马赫数M。

导叶出口气流绝对速度：

Ca＝C·sinα

Cu＝C·cosα

式中，T表示静温，P表示静压，C表示可调导叶出口气流绝对速度，Ca为导叶出口气流绝对速度轴向分量，Cu为导叶出口气流绝对速度切向分量；k表示比热比，R表示气体常数。

(3)轴流压气机转子中径进气攻角的计算，计算步骤如下：

转子叶片中径处旋转线速度：

n为转子转速(r/min)，r_m为转子平均截面半径。

转子中径处进口相对速度切向分量：

Wu＝U_m-Cu

转子中径处进口相对气流角：

β＝arctan(Ca/Wu)

转子中径处攻角：

i＝β_1k-β(β_1k为转子中径处几何进口角)。

(4)可调导叶的调节，步骤为：

根据轴流压气机转子中径进气攻角的计算公式得到转子中径进气攻角与可调导叶几何出口角的关系；根据预先确定转子中径进气攻角目标值或目标范围，通过转子中径进气攻角与可调导叶几何出口角的关系，确定可调导叶几何出口角的调节值或调节范围；根据得到的可调导叶几何出口角的调节值或调节范围调节可调导叶的旋转角度。

具体执行时：

运算控制器根据步骤(1)至(4)计算出可调导叶的旋转角度，并根据可调导叶的旋转角度产生伺服电机控制信号，通过控制信号驱动输出端输入伺服电机控制端，控制伺服电机实时调节可调导叶角度使压气机始终保持良好的工作状态。

(5)在所述轴流压气机工作过程中，循环执行步骤(1)至(4)，直至所述轴流压气机停止工作。

上述技术方案可用于各类轴流式压气机(包括压缩机、通风机、风扇等)，不限于特定的压气机，也不限定压气机的设计参数、工质类型。本方案确定的导叶角度是与转子转速关联的，适用于压气机稳定工作范围内的任何转速工况。实际应用时，可对每一片可调导叶单独控制；也对所有可调导叶联动控制。其关键在于可调导叶角度调节的实时性和调节精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种轴流压气机的自适应攻角方法，其特征在于，包括步骤：

(1)实时测量可调导叶进口截面上各个位置的温度、总压和静压，根据测量值计算可调导叶进口的平均总温平均总压和流量函数q(λ_in)；

(2)根据可调导叶进口的平均总温平均总压流量函数q(λ_in)以及预先获得的可调导叶气动特性参数，计算可调导叶出口的气流绝对速度，包括步骤：

(21)计算可调导叶出口的总温T^*和总压P^*：

式中，σ为可调导叶的叶排总压恢复系数；

(22)根据可调导叶出口和进口之间的流量连续关系计算可调导叶出口的气流绝对马赫数M；

(23)计算可调导叶出口的气流绝对速度为：

Ca＝C·sinα

Cu＝C·cosα

式中，T表示静温，P表示静压，C表示可调导叶出口气流绝对速度，Ca为导叶出口气流绝对速度轴向分量，Cu为导叶出口气流绝对速度切向分量；k表示比热比，R表示气体常数，α为可调导叶出口绝对气流方向角，α＝α_2k-δ，α_2k为可调导叶几何出口角，即要控制的可调导叶几何角度，δ为可调导叶的叶排特性决定的可调导叶出口气流落后角；

(3)计算轴流压气机转子中径进气攻角为：

i＝β_1k-β

式中，i为轴流压气机转子中径进气攻角；β_1k为轴流压气机转子中径处几何进口角；β为轴流压气机转子中径处进口相对气流角，β＝arctan(Ca/Wu)；Wu为轴流压气机转子中径处进口相对速度切向分量，Wu＝U_m-Cu；U_m为轴流压气机转子叶片中径处旋转线速度，n为转子转速，r_m为转子平均截面半径；

(4)根据轴流压气机转子中径进气攻角的计算公式得到转子中径进气攻角与可调导叶几何出口角的关系；根据预先确定的转子中径进气攻角目标值或目标范围，通过转子中径进气攻角与可调导叶几何出口角的关系，确定可调导叶几何出口角的调节值或调节范围；根据得到的可调导叶几何出口角的调节值或调节范围调节可调导叶的旋转角度；

(5)在所述轴流压气机工作过程中，循环执行步骤(1)至(4)，直至所述轴流压气机停止工作。

2.根据权利要求1所述的一种轴流压气机的自适应攻角方法，其特征在于，所述可调导叶出口和进口之间的流量连续关系为：

式中，A和A_in分别为可调导叶出口截面和进口截面的面积，q(λ)和q(λ_in)分别为可调导叶出口和进口的流量函数。

3.根据权利要求2所述的一种轴流压气机的自适应攻角方法，其特征在于，所述计算可调导叶出口的气流绝对马赫数M的步骤包括：

根据可调导叶进口截面上各个位置的温度、总压和静压的测量值，得到可调导叶进口的流量函数q(λ_in)；再根据可调导叶出口和进口之间的流量连续关系公式得到可调导叶出口的流量函数q(λ)；进而根据q(λ)计算出可调导叶出口气流绝对马赫数M。