【摘要】： NF-6風(fēng)洞是我國第一座具有國際先進水平的大型連續(xù)式高雷諾數(shù)跨聲速翼型風(fēng)洞，由于其軸流壓縮機工作在高壓低溫環(huán)境中，受風(fēng)洞結(jié)構(gòu)限制入口氣流脈動很大，很容易導(dǎo)致壓縮機進入喘振區(qū)，嚴(yán)重危及運行人員的人身安全和設(shè)備的正常工作。當(dāng)壓縮機發(fā)生喘振時，其流量、壓力、振動和溫度等喘振表征信號會出現(xiàn)常規(guī)條件下難以想像的現(xiàn)象，目前在國際上能借鑒的資料不多，在國內(nèi)也是首次研究，因此對有關(guān)信號的檢測、分析與預(yù)測對于預(yù)防喘振現(xiàn)象的發(fā)生具有非常重要的科學(xué)意義和社會價值。然而，由于對風(fēng)洞壓縮機喘振現(xiàn)象的研究屬于交叉學(xué)科，內(nèi)容涉及空氣動力學(xué)、信號檢測與處理、旋轉(zhuǎn)機械和控制等多個領(lǐng)域，需要考慮的因素很多。本論文利用多學(xué)科的知識，特別從信號檢測與處理的角度，，主要通過理論分析與實驗相結(jié)合的方法，在考慮風(fēng)洞和壓縮機相互耦合、相互影響的基礎(chǔ)上，將風(fēng)洞和壓縮機作為一個整體系統(tǒng)來研究，主要創(chuàng)新點和結(jié)果如下： 1．經(jīng)過分析，得到了NF-6風(fēng)洞和軸流壓縮機聯(lián)合運行時的穩(wěn)定工作條件，為喘振信號的檢測提供了理論依據(jù)。 提出用信號與系統(tǒng)的觀點研究連續(xù)式高速風(fēng)洞這個復(fù)雜的氣體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于風(fēng)洞與壓縮機二者形成閉環(huán)回路，整個系統(tǒng)的工作是一個相互耦合、相互作用的演化過程，這是風(fēng)洞中壓縮機與一般工業(yè)壓縮機最大的區(qū)別，因此討論風(fēng)洞中壓縮機的穩(wěn)定運行與不穩(wěn)定工況時必須考慮這個耦合過程。通過理論分析結(jié)果可以看出，即使壓縮機本身工作在穩(wěn)定區(qū)，由于風(fēng)洞的耦合作用，工作點也會處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有向壓縮機不穩(wěn)定工況點漂移的傾向，因此壓縮機的防喘振系統(tǒng)是NF-6風(fēng)洞安全運行的必備條件。 2．通過對流量信號檢測方式的分析，提出了采用等圓環(huán)面積法可以準(zhǔn)確測量通過壓縮機的流量，但必須同時考慮風(fēng)洞總壓和總溫對流量測量準(zhǔn)確度的影響。 流量信號是NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機防喘振控制系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵信號之一，論文通過計算給出了NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機工作的流量范圍包線。由于NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機入口氣流是典型的非充分發(fā)展管流，目前工業(yè)上已經(jīng)成熟應(yīng)用的流量測量方法無法直接應(yīng)用于NF-6風(fēng)洞，因此論文提出采用經(jīng)過標(biāo)定的風(fēng)速管在風(fēng)洞第一拐角后測量該截面的平均流速，同時測量風(fēng)洞穩(wěn)定段的總壓和總溫，進而準(zhǔn)確得到進入軸流壓縮機的質(zhì)量流量。論文還對傳感器位置的選擇、傳感器形式、傳感器量程和精度對測量結(jié)果的影響進行了詳細(xì)的計算和討論，這些結(jié)果指導(dǎo)了NF-6風(fēng)洞在壓縮機流量測量方面設(shè)備的建設(shè)，并更改了原設(shè)計中不合理的部分，降低了設(shè)備調(diào)試和運行中的風(fēng)險。 3．通過對壓力信號檢測的模擬實驗和分析，驗證了濾波器截止頻率的工程估算公式，采用小波變換分析了壓縮機發(fā)生喘振時的壓力突變信號，發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)壓力信號檢測中的部分規(guī)律。 軸流壓縮機出口總壓和進口總壓之比稱為壓比信號，是防喘振控制系統(tǒng)正常工作的另一個關(guān)鍵信號。由于壓縮機發(fā)生喘振的最根本的內(nèi)在原因還是氣流分離造成的，因此壓縮機入口截面氣流的不均勻性會加快或加劇喘振的發(fā)生。而NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機由于受到風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的限制，其進口截面氣流存在脈動和偏轉(zhuǎn)，單純采用測量總壓而得到的壓比信號作為壓縮機防喘振控制參數(shù)，一方面會造成壓縮機的運行范圍變窄，壓縮機效率下降；另一方面也會使風(fēng)洞在同樣的工況條件下能耗增大，造成不必要的浪費，使風(fēng)洞實驗的成本增加。因此，論文在國內(nèi)首次提出在壓縮機入口和出口安裝動態(tài)壓力傳感器，得到這兩個位置上的動態(tài)總壓信號。為了得到相關(guān)規(guī)律，通過一個進氣道實驗?zāi)M了動態(tài)壓力測量的有關(guān)問題。同時應(yīng)用小波變換分析了壓縮機發(fā)生喘振后壓力信號的奇異性特征，提出將其應(yīng)用于NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機防喘振系統(tǒng)中，可以提高控制系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性，有效地拓寬NF-6風(fēng)洞的運行范圍。 4．分析了NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機軸系的振動情況以及進氣溫度對壓縮機防喘振曲線的影響，其結(jié)果指導(dǎo)了振動信號和溫度信號檢測系統(tǒng)的建設(shè)。 分析結(jié)果表明，NF-6風(fēng)洞壓縮機軸系的結(jié)構(gòu)一階固有振動頻率落在相應(yīng)于壓縮機正常工作轉(zhuǎn)速的激勵范圍之內(nèi)。進一步的分析則顯示，源于電機、壓縮機和齒輪的一般激振，都不會引起較大的扭振應(yīng)力，因此可以認(rèn)為整個系統(tǒng)能在設(shè)計的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)安全運行。但當(dāng)高速齒輪存在缺陷時，兩階振型系數(shù)都較大，若壓縮機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率接近一階固有振動頻率時，可能會引起整個軸系的振動，從而造成整個結(jié)構(gòu)的破壞。因此，為了保證NF-6風(fēng)洞的安全運行，在此計算結(jié)果的指導(dǎo)下，我們建立了NF-6風(fēng)洞壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)。同時，由于壓縮機進氣溫度變化范圍很寬，還討論了溫度測量精度對整個系統(tǒng)的影響，據(jù)此設(shè)計了專用的溫度檢測和保護系統(tǒng)。這些措施在NF-6風(fēng)洞建設(shè)過程中都已經(jīng)得到了應(yīng)用，為整個系統(tǒng)的成功調(diào)試打下了堅實的基礎(chǔ)。 5．初步建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將多變量耦合系統(tǒng)進行了解耦，給出了連續(xù)式風(fēng)洞控制的一般規(guī)律。 通過分析指出，NF-6風(fēng)洞控制系統(tǒng)是典型的多變量耦合系統(tǒng)，從輸入和輸出關(guān)系上是典型的多輸入多輸出(MIMO)模型，因此單純采用PID控制無法滿足系統(tǒng)控制的要求。但由于工程的特殊要求，在風(fēng)洞調(diào)試和運轉(zhuǎn)的初期，我們可以將MIMO系統(tǒng)進行解耦，分為四個單獨的回路，采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)對風(fēng)洞進行控制，在保證風(fēng)洞安全調(diào)試和運行的前提下，通過大量的實驗獲取風(fēng)洞運行過程中的有關(guān)參數(shù)，對其進行分析和處理后，逐步采用智能控制等更為高級的控制方式，提高風(fēng)洞運轉(zhuǎn)的效率，擴大運行范圍。 以上理論分析結(jié)果和實際計算結(jié)果已經(jīng)成功用于指導(dǎo)NF-6風(fēng)洞軸流壓縮機防喘振控制系統(tǒng)的建設(shè)，取得了較為滿意的結(jié)果。作者同時希望本論文的研究結(jié)果能夠為以后我國建設(shè)類似的風(fēng)洞提供一定的參考和幫助。
【圖文】：

了兩個可更換的實驗段:二元實驗段和三元實驗段。二元實驗段可進行二元翼型實驗和翼型的動態(tài)實驗，三元實驗段可用來進行全機模型實驗和半模實驗。風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖見圖1一1。崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖崖彗彗 彗 }}}}}資{斗斗斗斗斗斗斗斗斗斗斗 鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢鬢羹 羹 獷獷獷獷獷獷獷子育攀二二益逗二軍適鄉(xiāng)孩訣之之 之 }}};>《二 二 二 二 ///////////////////////////////////////////////////////斗 斗斗茸城蕊d崖酬廷衰態(tài)尹嚴(yán) 嚴(yán)‘吞毒毒 ttt飛飛葡葡葡葡葡葡 葡葡二勁一仁

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【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：TH453

【引證文獻】

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1 張勇;張春梅;;用HHT變換處理離心壓縮機喘振試驗數(shù)據(jù)[J];流體機械;2012年01期

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1 楊傳雷;柴油機相繼增壓系統(tǒng)防喘振技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

本文編號：2595712