[發明專利]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

無效

• 申請號: 201210037007.1
• 申請日: 2012-02-19
• 公開（公告）號: CN102606502A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 吳云;李應紅;趙小虎;李軍;賈敏
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: F04D27/00
• 分類號: F04D27/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明屬于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，以及用于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。由于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，并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，由于壓氣機的工作狀態變化范圍寬，這些方法很難適應不同的工作條件。采用主動流動控制方法是一個重要的發展趨勢，并將作為一個新的自由度，融合于壓氣機的氣動設計。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，由于需要比較復雜的氣路系統，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，以及用于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

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，其特征在于步驟如下：

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，采用脈沖等離子體電源將電信號加載于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，脈沖頻率在10-1000Hz之間，占空比在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。

一種用于所述方法的等離子體氣動激勵器，其特征在于包括上表面電極、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Δd，；使用時，上表面電極與脈沖等離子體電源聯接，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h_e為0.018mm，寬度為2mm。

所述絕緣材料厚度h_d為0.5mm。

所述間距Δd為1mm。

所述絕緣材料為聚酰亞胺。

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，以及用于該方法的等離子體氣動激勵器。等離子體流動控制是基于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，并且激勵響應時間短、頻帶寬，對于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。

附圖說明

圖1：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；

1-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：是脈沖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。