利用等離子體激勵控制軸流壓氣機靜葉端壁氣體流動的方法
2023-05-06 09:10:56
專利名稱：利用等離子體激勵控制軸流壓氣機靜葉端壁氣體流動的方法
技術領域：
本發明屬於燃氣渦輪發動機領域的主動流動控制技術，涉及一種利用等離子體激勵控制軸流壓氣機靜葉端壁氣體流動的方法，以及用於該方法的等離子體氣動激勵器。
背景技術：
軸流壓氣機是航空燃氣渦輪風扇發動機的核心部件之一，其發展趨勢是更高的壓比、效率和穩定性，更少的級數。由於流動方向的強壓力梯度和葉片通道內的附面層橫向流動，低能流體在靜子葉片吸力面/端壁角區積聚，進而形成顯著的角區流動分離。角區分離一方面限制壓氣機負荷和靜壓升能力的提高，另一方面導致壓氣機效率和失速裕度的下降，並且給多級軸流式壓氣機的級間匹配帶來不利影響。因此，角區分離是制約壓氣機壓比、效率和穩定性提升的重要因素之一，如何抑制角區分離，是高性能壓氣機設計中一個具有挑戰性的關鍵問題。葉片彎掠、端壁翼刀等被動流動控制方法，可以在典型的工作條件下有效抑制角區分離，但是，由於壓氣機的工作狀態變化範圍寬，這些方法很難適應不同的工作條件。採用主動流動控制方法是一個重要的發展趨勢，並將作為一個新的自由度，融合於壓氣機的氣動設計。附面層吹/吸是目前廣泛研究的一種典型的主動流動控制激勵方式，在抑制角區分離方面取得了很好的效果。但是，由於需要比較複雜的氣路系統，很難產生快速的、寬頻帶的激勵，將成為限制其發展的一個主要障礙。
發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種利用等離子體激勵控制軸流壓氣機靜葉端壁氣體流動的方法，以及用於該方法的等離子體氣動激勵器。可以解決其他流動控制手段不能解決或難以解決的快速主動控制激勵等問題，為實現實時自適應流動控制提供了良好的基礎條件。技術方案—種利用等離子體激勵控制軸流壓氣機靜葉端壁氣體流動的方法，其特徵在於步驟如下步驟I :在軸流壓氣機靜子葉片通道端壁鋪設等離子體氣動激勵器，等離子體氣動激勵器電極的前緣和尾緣分別與靜子葉片的前緣和尾緣平齊，電極的方向與靜子葉片的中弧線平行；步驟2 :當發動機控制器檢測到流動失穩先兆時，採用脈衝等離子體電源將電信號加載於等離子體氣動激勵器的電極；所述電信號的輸出電壓波形為正弦波，電壓在I 30kV之間，放電頻率在I 40kHz之間，脈衝頻率在IO-IOOOHz之間，佔空比在1% -100% 之間；
步驟3 :當發動機控制器檢測到流動失穩先兆消失時，發出控制信號，關閉等離子體氣動激勵器。一種用於所述方法的等離子體氣動激勵器，其特徵在於包括上表面電極、下表面電極和絕緣材料；在絕緣材料上平行設有多組電極對；所述的電極對是在絕緣材料的兩個表面上設有上表面電極和下表面電極，兩個電極之間具有間距Ad,;使用時,上表面電極與脈衝等離子體電源聯接，下表面電極接地，在上表面電極邊緣產生等離子體。所述上表面電極和下表面電極的厚度he為O. 018mm,寬度為2mm。所述絕緣材料厚度hd為O. 5mm。所述間距Ad為1_。所述絕緣材料為聚醯亞胺。所述電極材料為銅箔。有益效果本發明提出的一種利用等離子體激勵控制軸流壓氣機靜葉端壁氣體流動的方法， 以及用於該方法的等離子體氣動激勵器。等離子體流動控制是基於等離子體氣動激勵的一種新型主動流動控制方法，利用氣體放電產生等離子體的過程中對流場施加的可控擾動， 改變流場的速度和渦量邊界條件，進而實現流動控制，在抑制角區分離方面具有顯著技術優勢。本發明提出的控制方法，可以有效抑制軸流壓氣機靜葉角區流動分離，並且激勵響應時間短、頻帶寬，對於降低靜葉尾跡總壓損失，提高壓氣機穩定性和效率具有重要作用。風洞實驗表明，端壁等離子體氣動激勵可以在來流速度90m/s的條件下有效抑制NACA 0065壓氣機葉柵角區流動分離，將70%葉高處的葉片尾跡總壓損失最大降低13%。本方法的主要優點是激勵頻帶寬、作用迅速、沒有運動部件、結構簡單、能耗較低。
圖I :是等離子體氣動激勵電極在軸流壓氣機靜子葉片端壁上布置的方案圖；I-葉片前緣，2-葉片尾緣，3-端壁，4-等離子體激勵器，5-等離子體激勵器；圖2 :是等離子體氣動激勵電極的布局圖；6-上表面電極，7-下表面電極，8-絕緣材料，A-等離子體；圖3 :是脈衝等離子體電源的輸出波形圖；圖4 :是壓氣機葉柵在風洞實驗臺上的安裝照片。
具體實施例方式現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述步驟I :在軸流壓氣機靜子葉片通道端壁鋪設等離子體氣動激勵器，如圖I中標註的靜子葉片端壁部位。等離子體氣動激勵器電極的前緣和尾緣分別與靜子葉片的前緣和尾緣平齊，電極的方向與靜子葉片的中弧線平行；所述等離子體氣動激勵電極的電極採用銅電極，電極間用絕緣材料隔開，絕緣材料為聚醯亞胺。等離子體氣動激勵電極的布局如圖2所示，上表面電極寬度Cl1為2mm，下表面電極寬度d2為2mm,上、下表面電極間距Δ d為Imm,上、下表面電極厚度he均為O. 018mm,絕緣材料厚度hd為O. 5mm。等離子體氣動激勵電極的兩端分別於與脈衝等離子體電源的高壓端和接地端相連。步驟2 :當發動機控制器檢測到流動失穩先兆時，採用脈衝等離子體電源將電信號加載於等離子體氣動激勵器的電極；所述電信號的輸出電壓波形為正弦波，電壓在I 30kV之間，放電頻率在I 40kHz之間，如圖3所示。激勵脈衝重複頻率f = I/Tcontrol, f = 10 1000Hz ;激勵脈衝佔空比 a = Tsignal/TcmtrolX 100%，α = 1% 100%。步驟3 :當發動機控制器檢測到流動失穩先兆消失時，發出控制信號，關閉等離子體氣動激勵器。本實施例中，在壓氣機葉柵風洞內定量考核了脈衝等離子體氣動激勵抑制角區分離的效果，如圖4所示。來流速度90m/s的條件下，脈衝等離子體氣動激勵(激勵電壓為 10kV，脈衝頻率為600Hz，佔空比為70% )有效抑制NACA 0065壓氣機葉柵角區流動分離， 將70%葉高處的葉片尾跡總壓損失最大降低13%。
權利要求
1.一種利用等離子體激勵控制軸流壓氣機靜葉端壁氣體流動的方法，其特徵在於步驟 如下步驟1:在軸流壓氣機靜子葉片通道端壁鋪設等離子體氣動激勵器，等離子體氣動激 勵器電極的前緣和尾緣分別與靜子葉片的前緣和尾緣平齊，電極的方向與靜子葉片的中弧 線平行；步驟2 :當發動機控制器檢測到流動失穩先兆時，採用脈衝等離子體電源將電信號加 載於等離子體氣動激勵器的電極；所述電信號的輸出電壓波形為正弦波，電壓在1 30kV 之間，放電頻率在1 40kHz之間，脈衝頻率在10-1000HZ之間，佔空比在1% -100%之間； 步驟3:當發動機控制器檢測到流動失穩先兆消失時，發出控制信號，關閉等離子體氣 動激勵器。
2.一種用於權利要求1所述方法的等離子體氣動激勵器，其特徵在於包括上表面電 極、下表面電極和絕緣材料；在絕緣材料上平行設有多組電極對；所述的電極對是在絕緣 材料的兩個表面上設有上表面電極和下表面電極，兩個電極之間具有間距Ad,;使用時，上 表面電極與脈衝等離子體電源聯接，下表面電極接地，在上表面電極邊緣產生等離子體。
3.根據權利要求2所述的等離子體氣動激勵器，其特徵在於所述上表面電極和下表 面電極的厚度he為0. 018mm,寬度為2mm。
4.根據權利要求2所述的等離子體氣動激勵器，其特徵在於所述絕緣材料厚度hd為 0. 5mmo
5.根據權利要求2所述的等離子體氣動激勵器，其特徵在於所述間距Ad為1_。
6.根據權利要求2所述的等離子體氣動激勵器，其特徵在於所述絕緣材料為聚醯亞胺。
7.根據權利要求2所述的等離子體氣動激勵器，其特徵在於所述電極材料為銅箔。
全文摘要
本發明涉及一種利用等離子體激勵控制軸流壓氣機靜葉端壁氣體流動的方法，其特徵在於步驟如下在軸流壓氣機靜子葉片通道端壁鋪設等離子體氣動激勵器，等離子體氣動激勵器電極的前緣和尾緣分別與靜子葉片的前緣和尾緣平齊，電極的方向與靜子葉片的中弧線平行；當發動機控制器檢測到流動失穩先兆時，採用脈衝等離子體電源將電信號加載於等離子體氣動激勵器的電極；當發動機控制器檢測到流動失穩先兆消失時，發出控制信號，關閉等離子體氣動激勵器。本發明提出的控制方法，可以有效抑制軸流壓氣機靜葉角區流動分離，並且激勵響應時間短、頻帶寬，對於降低靜葉尾跡總壓損失，提高壓氣機穩定性和效率具有重要作用。
文檔編號F04D27/00GK102606502SQ20121003700
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月19日 優先權日2012年2月19日
發明者吳雲, 李軍, 李應紅, 賈敏, 趙小虎 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學