CN112576545B - 一种压气机叶栅内部流动分离的控制***和方法 - Google Patents

一种压气机叶栅内部流动分离的控制***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，其包括：至少一个压气机叶片；等离子体激励器，其位于所述压气机叶片进口前缘，其用于在所述等离子体激励器开启时产生诱导旋涡。以及一种压气机叶栅内部流动分离的控制方法，其包括：在发动机表面布置静压测点，以测量是否发生吸力面流动分离；若发生吸力面流动分离，则启动位于压气机叶片进口前缘的等离子体激励器以产生诱导旋涡。本发明用等离子体激励器替代涡流发生器，产生诱导旋涡以对叶栅内部流动分离进行控制，提高气动效益，同时既可随时启动和停止控制，而且相对于现有的射流孔结构和被动涡流控制结构可减小对原有主流场的干扰。

Description

一种压气机叶栅内部流动分离的控制***和方法
技术领域
本发明涉及压气机内部流动控制领域，特别涉及一种压气机叶栅内部流动分离的控制***和方法。
背景技术
对现代航空发动机高性能的要求使得压气机一直朝着高负荷方向发展，随着压气机负荷的不断提高，叶栅流道内的横向压力梯度和逆压梯度显著增强，往往会恶化栅内流动状况，造成叶栅通道内大尺度的流动分离，从而制约压气机性能的提高，降低其工作稳定性。
为了控制叶栅内部的流动分离，国内外学者发展了大量的控制方法，主要可以分为被动控制和主动控制。其中，被动控制方法包括采用被动旋涡发生器诱导旋涡流向以控制流动分离，但被动控制方法不易于随时启动和停止控制。而主动控制方法主要通过引入外部能量来抑制分离，其优点主要是应用灵活，可以根据需要进行调整，但是往往需要引入外部装置和动量，增加了设计和安装的难度。
研究发现相关技术中利用等离子体激励产生的动能注入以实现流动控制，其主要作用方式为短时间的放电，形成强烈的脉冲扰动，以此实现对流动的控制。但主动控制方法中的射流孔容易对原有主流场(即未采取控制的流场)产生影响。
发明内容
本发明实施例提供一种压气机叶栅内部流动分离的控制***和方法，采用等离子体激励器替代涡流发生器，产生诱导旋涡以对叶栅内部流动分离进行控制，以削弱流动损失，提高气动效益。
第一方面，提供了一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，其包括：至少一个压气机叶片；等离子体激励器，其位于所述压气机叶片进口前缘，其用于在所述等离子体激励器开启时产生诱导旋涡。
一些实施例中，所述等离子体激励器的两个电极连接高压电源；所述等离子体激励器设置于压气机叶片进口前缘并贴近压气机吸力面。
一些实施例中，所述等离子体激励器的两个电极为长方形电极；所述电极沿气流方向布置。
一些实施例中，所述压气机叶片进口前缘设有一个等离子体激励器。
一些实施例中，压气机叶片进口前缘的压力面侧和吸力面侧均设有一个等离子体激励器。
一些实施例中，所述压气机叶片进口前缘设有至少三个相互平行的等离子体激励器。
一些实施例中，所述等离子体激励器包括分别设置于一绝缘材料两侧面的外露电极和预埋电极；所述外露电极和预埋电极非对称地布置于绝缘材料，所述外露电极与预埋电极所形成的等离子区域为近三角形区域。
第二方面，提供了一种压气机叶栅内部流动分离的控制方法，其包括：在发动机表面布置静压测点，以测量是否发生吸力面流动分离；若发生吸力面流动分离，则启动位于压气机叶片进口前缘的等离子体激励器以产生诱导旋涡。
一些实施例中，还包括根据压气机叶片参数配置所述等离子体激励器的位置和角度。
一些实施例中，当所述压气机叶片前缘设有至少三个相互平行的等离子体激励时，根据压气机叶片参数配置所述等离子体激励器之间的间隔。
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，由于将等离子体激励器布置于压气机叶片前缘，以替代涡流发生器产生诱导旋涡，从而实现对叶栅内部流动分离进行控制。还提供了一种压气机叶栅内部流动分离的控制方法，在发生吸力面流动分离时，启动位于压气机叶片进口前缘的等离子体激励器以产生诱导旋涡。该控制***和方法能削弱流动损失，提高气动效益，同时既可随时启动和停止控制，而且相对于现有的射流孔结构和被动涡流控制结构可减小对原有主流场的干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种压气机叶栅内部流动分离的控制***中压气机内部旋涡结构示意图；
图2为本发明实施例提供的等离子体激励器示意图。
图3为本发明实施例提供的进气流夹角示意图；
图4为本发明实施例提供的在压气机叶片进口前缘设有一个等离子体激励器的布置示意图；
图5为本发明实施例提供的在压气机叶片进口前缘设有两个等离子体激励器的布置示意图；
图6为本发明实施例提供的在压气机叶片进口前缘设有不少于三个等离子体激励器的布置示意图；
图7为本发明实施例提供的不同激励强度下压气机叶栅总压损失系数及静压系数的变化关系图；
图8为本发明实施例提供的不同激励强度下压气机叶栅总压损失系数沿着径向的分布结果图；
图9为本发明实施例提供的不同电极长度条件下压气机叶栅总压损失系数及静压系数的变化关系图；
图10为本发明实施例提供的不同参数条件下等离子体激励器对压气机壁面极限流线和诱导射流旋涡的分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所述，本发明实施例提供了一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，其包括：至少一个压气机叶片；等离子体激励器，其位于所述压气机叶片进口前缘，其用于在所述等离子体激励器开启时产生诱导旋涡。
如图1所示，SV为壁面涡,CSV为壁角涡,CV为角涡,PV通道涡为,IV为诱导涡,HSVs为马蹄涡吸力面分支,HSVp为马蹄涡压力面分支。
本实施例将等离子体激励器布置于压气机叶片前缘，以替代涡流发生器产生诱导旋涡，从而实现对叶栅内部流动分离进行控制。既可随时启动和停止控制，而且相对于现有的射流孔结构和被动涡流控制结构可减小对原有主流场的干扰。
进一步的，等离子体激励器的两个电极连接高压电源，在预埋电极上方区域产生等离子体。其中电极可采用铜制，电极之间还包括绝缘材料，绝缘材料可以是聚四氟乙烯或石英玻璃。
进一步的，如图2所示，等离子体激励器包括分别设置于一绝缘介质两侧面的外露电极和预埋电极；所述外露电极和预埋电极非对称地布置于绝缘介质的两个侧面，所述外露电极与预埋电极所形成的等离子区域为近三角形区域。其中，诱导力的方向沿弧形箭头方向，从而产生诱导涡流，电极连接高压交流电源。
进一步的，如图1、2所示，等离子体激励器设置于压气机叶片进口前缘并贴近压气机吸力面；等离子体激励器的两个电极为长方形电极，且电极尽量沿气流方向布置，以确保生成的射流旋涡可以沿着吸力面发展。等离子体激励器布置在压气机叶片进口前缘位置处，给射流旋涡发展的空间，并贴近压气机吸力面，使其诱导的旋涡可以贴近吸力面发展，一方面可以阻止端壁的横向的流动，达到抑制流动分离的效果，另一方面不对主流流动产生干扰。
如图1和4所示，在一些实施例中，压气机叶片进口前缘设有一个等离子体激励器。布置一个等离子体激励器，可在端壁处靠近吸力面侧形成一股射流旋涡，对两个叶片之间通道内的横向二次流动进行控制。同样起到一方面阻止端壁的横向的流动，达到抑制流动分离的效果，另一方面不对主流流动产生干扰。
在一个具体的实施例中，根据压气机叶栅参数，在压气机叶片进口前缘布置一个等离子体激励器。其中压气机叶栅参数如表一所示。
表一
参数 数值(单位) 参数 数值(单位)
弦长/C 100.0(mm) 几何折转角 42(°)
叶高/H 100.0(mm) 安装角/γ 112.5(°)
节距/t 33.0(mm) 进口马赫数/Ma 0.7(-)
几何进气角/β<sub>1</sub> 132.0(°) 进口雷诺数/Re 1.5×10<sup>6</sup>(-)
在该实施例中，定义等离子高度为a＝1.5mm，b＝3mm，并采用唯象模型结构对等离子体激励器进行模拟，数值模拟中将电场力以源项的形式加入到动量方程中。如图4所示，将等离子体激励器放置于距离压气机叶片进口前缘15％轴向弦长处，周向距离吸力面-25％节距位置处。
在压气机叶片进口前缘布置一个等离子体激励器，还可通过改变等离子体激励器的激励强度控制流动损失。具体的，定义进口相对马赫数为Ma＝0.1。叶栅网格数量在230万左右，添加唯象模型区域局部加密。采用无量纲参数
Figure BDA0002832343170000051
定义电场力与惯性力之比，其中ρe为电场密度，e为元电荷，E0为电极之间最大电场强度，d为激励器长度，ρ∞为来流密度，U∞为来流速度，以此衡量等离子体激励器的激励强度。如图7所示，ω为总压损失系数，Dc为激励强度，Cp为静压升系数，为在不同激励强度下压气机叶栅总压损失系数及静压系数的变化关系的实验数据计算结果，结果显示随着激励强度的增加，损失逐渐降低，基本呈线性变化，静压系数逐渐增加。此外，如图8所示，为在不同激励强度下压气机叶栅总压损失系数沿着径向的分布结果，结果表明近端壁区掺混损失增加，中部二次流损失明显削弱，因此在压气机叶片进口前缘布置一个等离子体激励器可以实现对叶栅内部流动分离进行控制。
在压气机叶片进口前缘布置一个等离子体激励器，还可通过改变等离子体激励器的电极长度调整气动参数。具体的，如图9所示，为在不同电极长度条件下压气机叶栅总压损失系数及静压系数的变化关系的实验数据计算结果，结果显示随着电极长度的增加，总压损失系数与静压升系数呈线性变化。
如图10所示，为不同参数条件下等离子体激励器对压气机壁面极限流线和诱导射流旋涡的分布图，当等离子体激励器的电极长度L＝5mm(且Dc＝10)时，激励产生的诱导涡流强度很低，基本贴近吸力面发展。当L＝15mm(且Dc＝10)时，诱导产生的流向涡的强度增加，沿轴向和周向的范围均有所增加，一直发展到60％弦长处才消失，吸力面的分离明显被推迟，回流区范围也相应的减小。当Dc＝30(且L＝15mm)时，激励下游形成明显的分离线，对应上侧存在明显的流向涡，一直发展到出口，端壁的横向二次流动被明显的抑制，吸力面分离被削弱。
如图5所示，在一些实施例中，压气机叶片进口前缘的压力面侧和吸力面侧均设有一个等离子体激励器。两个等离子体激励器分别贴近压力面和吸力面并尽量沿着流动方向设置，形成一定交叉角度，以避免与来流(进气流)干涉。具体的，将一个等离子体激励器放置在压力面侧，其用于减弱吸力面侧的旋涡，另一个等离子体激励器放置在压力面侧可以同时减弱压力面侧的旋涡，结合多个压气机叶片形成多股互不干涉的射流旋涡，以实现气动“栅栏”的控制效果，并可对通道涡流进行逐步削弱。
如图6所示，在一些实施例中，压气机叶片进口前缘设有至少三个相互平行的等离子体激励器，可形成类似端壁翼刀的多股气动栅栏，对横向流动形成多次阻隔。
另一方面，本发明实施例还提供了一种压气机叶栅内部流动分离的控制方法，其包括步骤：
S10:在发动机表面布置静压测点，以测量是否发生吸力面流动分离；
S20:若发生吸力面流动分离，则启动位于压气机叶片进口前缘的等离子体激励器以产生诱导旋涡。
一些实施例中，还包括步骤：
S30:根据压气机叶片参数配置所述等离子体激励器的位置和角度。
需要说明的是，步骤S30中所述的压气机叶片参数，包括实际叶栅的形式，等离子体激励器的电极长度和进气流夹角α(如图3所示)等，需要根据这些参数进行合理选择，并对等离子体激励器的布置进行位置调整，以满足不同的控制需求。同时还可利用优化方法对压气机叶栅总压损失系数、静压系数以及堵塞系数叶栅气动参数进行优化，以进一步调整气动参数，提高控制效果，增强气动收益。
一些实施例中，还包括步骤：
S40:当所述压气机叶片前缘设有至少三个相互平行的等离子体激励时，根据压气机叶片参数配置所述等离子体激励器之间的间隔。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，其特征在于，其包括：
至少一个压气机叶片；
等离子体激励器，其位于所述压气机叶片进口前缘，其用于在所述等离子体激励器开启时产生诱导旋涡；
压气机叶片进口前缘的压力面侧和吸力面侧均设有一个等离子体激励器，且两个等离子体激励器分别贴近压力面和吸力面并沿着流动方向设置，形成交叉角度。
2.如权利要求1所述的一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，其特征在于，
所述等离子体激励器的两个电极连接高压电源；
所述等离子体激励器设置于压气机叶片进口前缘并贴近压气机吸力面。
3.如权利要求2所述的一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，其特征在于，所述等离子体激励器的两个电极为长方形电极；
所述电极沿气流方向布置。
4.如权利要求1所述的一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，其特征在于，
相邻的所述压气机叶片进口前缘设有至少三个相互平行的等离子体激励器。
5.如权利要求1所述的一种压气机叶栅内部流动分离的控制***，其特征在于，所述等离子体激励器包括分别设置于一绝缘材料两侧面的外露电极和预埋电极；
所述外露电极和预埋电极非对称地布置于绝缘材料，所述外露电极与预埋电极所形成的等离子区域为近三角形区域。
6.基于权利要求1所述控制***的一种压气机叶栅内部流动分离的控制方法，其特征在于，其包括：
在发动机表面布置静压测点，以测量是否发生吸力面流动分离；
若发生吸力面流动分离，则启动位于压气机叶片进口前缘的等离子体激励器以产生诱导旋涡。
7.如权利要求6所述的一种压气机叶栅内部流动分离的控制方法，其特征在于，包括：
根据压气机叶片参数配置所述等离子体激励器的位置和角度。
8.如权利要求6所述的一种压气机叶栅内部流动分离的控制方法，其特征在于，
当相邻的所述压气机叶片前缘设有至少三个相互平行的等离子体激励时，根据压气机叶片参数配置所述等离子体激励器之间的间隔。
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