專利名稱：抑制壓氣機葉背分離的無源脈沖射流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是抑制壓氣機葉背分離的無源脈沖射流器，使壓氣機在大擴壓度下
可以避免或減弱葉背的氣流分離，能顯著地擴大這類壓氣機的增壓能力，從而為使用壓氣 機的系統(tǒng)提供更高的性能。屬于壓氣機技術領域。
背景技術：
在以航空燃氣渦輪發(fā)動機為代表的各類軸流壓氣機中，以單級壓氣機獲得盡可能 高的壓比是壓氣機領域長期以來的發(fā)展方向，國內外的發(fā)展趨勢都體現(xiàn)為壓氣機級數(shù)越來 越少，平均級壓比越來越高。長期以來，增大壓氣機的擴壓能力主要都是采用各種先進的設 計方法來獲得更優(yōu)化的三維幾何造型。但是，這種設計思路目前已接近技術可實現(xiàn)的極限， 當試圖將單級壓氣機的擴壓負荷提高到顯著超過當前水平時，會因為出現(xiàn)葉背氣流分離等 而產生損失劇增和工作不穩(wěn)定等致命的問題，如圖1所示的大擴壓度葉柵中，圖中上部所 示的流線和下部所示的馬赫數(shù)分布都可以看出流動產生了一個很大的分離區(qū)。因此，如通 過對葉片表面附面層采用吹除或吸除控制氣流分流的研究重新引起了研究人員的重視，綜 合國內外在此領域已有的工作，相關技術主要有3類1類以美國麻省理工學院為代表的科 研單位近年來提出的直接采用外接氣路的吸附式壓氣機設計方案；II類國內外較早已研 究過的壓氣機葉片開槽設計方案；III類對分離流場控制的零質量流量合成射流技術。 這些技術都從各方層面推動了大擴壓度壓氣機葉片設計能力的進步，但是，為滿 足今后更高擴壓度壓氣機葉片設計的需要，這些技術都存在以下不足i，被稱為吸附式壓 氣機的技術原理是通過外接高壓氣源來對葉背側的氣流分離點附近的附面層進行吹氣，或 外接低壓的吸氣源來吸除將分離的低能氣流。需要通往每個葉片的復雜的氣路和外接的吹 /吸氣源是這類技術走向應用的最大困難。這不僅會增加相關機構的復雜性和重量，而且外 接氣源還面臨較大的技術障礙如單獨接一個額外的氣源，無論結構還是重量都不太現(xiàn)實； 如采用從多級壓氣機的壓力不同的其它級來代替，又會帶來匹配工作的問題。ii，采用壓氣 機葉片開槽設計來抑制大擴壓度壓氣機葉片氣流分離的原理是依靠一股由葉盆面(類似 機翼下翼面)經(jīng)過開槽吹向葉背面，并由此控制葉背氣流分離。這與在外流中得到廣泛應 用的飛機機翼的襟翼或多段翼型技術是基本相同的，因此該工作原理已得到有效驗證。但 是，在壓氣機中如要依靠這類定常引氣射流來有效控制葉背氣流分離，需要較大的氣流量， 這樣實際上將降低葉盆葉背的壓差，也就降低了壓氣機的作功能力和擴壓度。iii，采用零 質量流量合成射流技術控制分離流場是近年來出現(xiàn)的新技術，具有兩個明顯的優(yōu)點， 一是 該技術采用一個不需外接氣源(即與外界無質量流量)的機構往復振動形成合成的射流； 二是該類射流是具有一定頻率的非定常脈沖射流，這樣在調整到合適頻率時，可能依靠明 顯小于定常射流的氣流量就有效控制葉背氣流分離。但是，這類方法目前的最大困難是在 合成射流裝置的體積重量不放大到影響在壓氣機葉片中應用的情況下，所形成的射流無論 流量、還是射流速度都太小，以至于對工程中需要控制的絕大多數(shù)氣流分離都起不到顯著 的效果。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于為讓單級壓氣機獲得更高的壓比，以使葉輪機械具有更大的推 重比(或功重比)和更高的效率，提出一種抑制壓氣機葉背分離的無源脈沖射流器的設計 概念和設計方法。通過此無源脈沖射流器有效抑制大擴壓度壓氣機葉片的氣流分離(見圖 2)。 本發(fā)明的技術解決方案其結構是包括無源脈沖射流器的引氣口、無源脈沖射流 器的噴口、無源脈沖射流器的固定縫柵、無源脈沖射流器的振動縫柵、壓電驅動桿，其中無 源脈沖射流器的噴口位于葉片背風側；無源脈沖射流器的噴口吸氣口位于葉盆面；無源脈 沖射流器的噴口固定縫柵、無源脈沖射流器的噴口振動縫柵及壓電驅動桿位于無源脈沖射 流器的引氣口和無源脈沖射流器的噴口間的氣路中，通過無源脈沖射流器的固定縫柵、無 源脈沖射流器的振動縫柵形成的通流或節(jié)流形成頻率的脈沖射流，以此來減弱甚至消除葉 背側的氣流分離。 本發(fā)明的優(yōu)點能夠在不降低葉盆葉背的壓差(也就是不降低壓氣機做功能力和 擴壓度)的情況下，在葉背側生成射流速度足夠大的脈沖射流，且依靠適當頻率脈沖射流 與分離區(qū)具有特定頻率的渦結構發(fā)生相干作用后能夠產生顯著的控制分離的作用。并且， 本發(fā)明不需要外接氣源，因此結構上比較簡單，可利用MEMS工藝將體積和重量控制在很小 的范圍。此外，本發(fā)明通過壓電驅動的振動縫柵來實現(xiàn)高頻的節(jié)流，可靠性高，長期工作不 易損壞。

附圖1是大擴壓度壓氣機葉背分離的流線和馬赫數(shù)分布圖。 附圖2是采用無源脈沖射流技術的壓氣機葉片示意圖。 附圖3是無源脈沖射流器的流路結構示意圖。 附圖4是處于開啟狀態(tài)的無源脈沖射流器。 附圖5是處于開啟狀態(tài)的縫柵和驅動桿的俯視，圖4中A-A。 附圖6是處于開啟狀態(tài)的縫柵放大圖，圖4中B。 附圖7是處于關閉狀態(tài)的無源脈沖射流器。 附圖8是處于關閉狀態(tài)的縫柵和驅動桿的俯視圖，圖7中A-A。 附圖9是處于關閉狀態(tài)的縫柵放大圖，圖7中B'。圖10是圖3中C放大圖。 圖中1表示的是壓氣機葉背側的氣流分離點，2表示的是分離區(qū)，3是無源脈沖射
流器的噴口，4表示的是無源脈沖射流器的引氣口，5表示的是無源脈沖射流器的固定縫
柵，6表示的是無源脈沖射流器的振動縫柵，7表示的是葉背側接近分離點的低速氣流，8表
示的是葉盆側壓力較高的氣流，9表示的是由噴口噴出的脈沖射流，10表示的是壓電驅動
桿；W1表示的是固定縫柵的開縫寬度，W2表示的是振動縫柵的開縫寬度，hl表示的是振動
縫柵在振動至氣路開通位置時與固定縫柵形成的縫隙寬度，h2表示的是振動縫柵在振動
至氣路關閉位置時與固定縫柵形成的縫隙寬度，L1表示的是壓電驅動桿在氣路開通時的長
度，L2表示的是壓電驅動桿在氣路關閉時的長度，WJ表示的是射流器噴口的寬度。
具體實施方式
對照附圖3-圖9，其結構包括無源脈沖射流器的引氣口 4、無源脈沖射流器的噴口 3、無源脈沖射流器的固定縫柵5、無源脈沖射流器的振動縫柵6、壓電驅動桿10。其中無源 脈沖射流器的引氣口4(見圖3)位于葉盆面，使該位置的靜壓滿足射流速度的需要；無源脈 沖射流器的噴口 3(見圖3)位于葉片背風側，無源脈沖射流器的固定縫柵5、無源脈沖射流 器的振動縫柵6及壓電驅動桿10位于無源脈沖射流器的引氣口 4和無源脈沖射流器的噴 口 3間的氣路中，通過無源脈沖射流器的固定縫柵、無源脈沖射流器的振動縫柵形成的通 流或節(jié)流形成頻率的脈沖射流，以此來減弱甚至消除葉背側的氣流分離(見圖4、圖7)。 所述的無源脈沖射流器的噴口 3位于葉片背風側氣流分離點1上游的接近該點 處，無源脈沖射流器的引氣口 4的靜壓應滿足射流速度的需要，由此無源脈沖射流器的噴 口 3位于葉片背風側氣流分離點1與無源脈沖射流器的引氣口 4間的壓差驅動形成脈沖射 流，不需要外接氣源。 所述的無源脈沖射流器的振動縫柵由壓電驅動桿在幾十赫茲至幾千赫茲的頻率 范圍內振動。 以具有大應變率的壓電材料制作振動縫柵的壓電驅動桿，利用細長桿狀放大變形 量，再結合縫柵的多縫設計而使振動縫柵所需的位移量顯著減小至壓電驅動桿可滿足的程 度(見圖5、圖8)。 所述的無源脈沖射流器的吸氣口在葉盆側選擇如下位置來開設引氣量口 在確定 噴射氣流馬赫數(shù)M的情況下，選擇葉盆側靜壓為^ x p + o，5 x (, — 1) X M^卩的位置；其
中，^是噴口處靜壓、Y是氣體比熱比。 所述的無源脈沖射流器的噴口是單純收斂形噴口，無源脈沖射流器噴口的寬度 WJ是按控制分離所需的氣流量Q和射流速度V確定，無源脈沖射流器噴口的寬度WJ = Q/ (MXaXH);式中，a是音速，H是葉片高度，氣流量Q的確定需針對具體葉片由有限次嘗試 得到一個盡量小的有控制分離效果的閾值。 所述的無源脈沖射流器的振動縫柵的縫柵振動的位移L2-L1 (見圖5、圖8)需要使 nX (L2-L1) > 3XWJ ;式中，n是縫柵的開縫條數(shù)。 所述的無源脈沖射流器的固定縫柵的開縫寬度Wl和振動縫柵的開縫寬度W2 (見 圖6、圖9)需要大于L2-L1，其具體取值及每道縫的間距在確保開縫條數(shù)的情況下按結構強 度和加工制造的需要來決定。 所述的壓電驅動桿10采用壓電陶瓷材料、壓電復合材料、多元單晶壓電材料壓電 材料制作，使之在各種應用場合的變形量滿足振動縫柵所需的位移量需要；其振動頻率多 在數(shù)十赫茲至數(shù)千赫茲之間。 以壓電材料在交變電流的作用下的伸縮變形作為無源脈沖射流器的振動縫柵的 驅動源，因為縫柵的多縫設計而使通流狀態(tài)與關閉狀態(tài)的縫柵位移量較小，再結合細長桿 狀的驅動桿設計方案，可以克服壓電材料應變率小的問題；而壓電材料響應頻率寬廣和作 用力大的優(yōu)點得到了很好的利用。 無源脈沖射流器的固定縫柵5、無源脈沖射流器的振動縫柵6(見圖6、圖9)是開 有若干條窄縫的剛性薄片，開縫寬度分別為固定縫柵的開縫寬度W1和振動縫柵的開縫寬
5度W2。兩根壓電驅動桿10是由壓電材料制成的，壓電驅動桿10 —端固定，壓電驅動桿10 的另一端連接振動縫柵6 (見圖5、圖8)。 用無源脈沖射流器抑制壓氣機葉背分離的方法，是在壓電驅動桿10兩端施加不 同的電場后，因為壓電效應，壓電驅動桿長度可由最短值Ll (見圖5)伸長至最長值L2 (見 圖8)。壓電驅動桿長度最長值L2時，無源脈沖射流器的振動縫柵和固定縫柵的開縫正好錯 開，因此基本封閉氣路。在壓電驅動桿長度最短值L1時，無源脈沖射流器的振動縫柵和固 定縫柵的開縫會有寬度為L2-L1的重合，氣路打開；并由于射流器引氣口處的氣流壓力高 于噴口處，壓差驅動下氣流會從噴口噴出。當壓電驅動桿兩端施加頻率數(shù)十赫茲至數(shù)千赫 茲范圍內的交變電場時，振動縫柵就會按該頻率振動，這就會使噴口處形成該頻率的脈沖 射流。就能依靠這種強度可控制的脈沖射流來減弱、甚至消除葉背側的氣流分離。 無源脈沖射流器的設計方法 —、無源脈沖射流器的噴口需要的噴射氣流速度可由在葉盆側選擇引氣口位置來 調節(jié)，因為本發(fā)明引氣量小，故選擇引氣口位置的原則是在確定噴射氣流馬赫數(shù)M的情況
下，選擇葉盆側靜壓為^x卩+ 0,&^ —丄)x^2j^T的位置；式中，Pj是噴口處靜壓、Y是
氣體比熱比。 二、無源脈沖射流器的噴口寬度WJ(在乘以葉片高度方向尺寸H就是面積)的選 取是按控制分離所需的氣流量Q和射流速度V確定，無源脈沖射流器的噴口的寬度WJ = Q/ (MXaXH)。式中，a是音速，Q的確定需實驗嘗試得到一個盡量小的有控制分離效果的閾 值。 三、無源脈沖射流器的振動縫柵的位移L2-L1的選取是使nX (L2-L1) > 3XWJ。 式中，n是縫柵的開縫條數(shù)。 四、無源脈沖射流器的固定縫柵開縫寬度W1和振動縫柵開縫寬度W2需要大于 L2-L1，其具體取值及每道縫的間距在確保開縫條數(shù)的情況下按結構強度和加工制造的需 要來決定；恰當?shù)拿}沖射流頻率因實際壓氣機葉片的不同而需要實驗嘗試得到，多數(shù)情況 的頻率在數(shù)十赫茲至數(shù)千赫茲之間，完全在壓電驅動桿的有效響應頻率范圍內。 實施例 針對某大擴壓度的跨聲速壓氣機靜子葉片，弦長90mm，在進口氣流角31.5° 、來 流馬赫數(shù)0. 7時，葉背表面相對弦長約45 %附近出現(xiàn)激波，約過50 %出現(xiàn)附面層分離。 因此，可以在葉背相對弦長約45%附近設置無源脈沖射流器的噴口，該處無量綱靜壓為 0.59。選擇葉盆的相對弦長約45%處作為無源脈沖射流器的引氣口，該處無量綱靜壓為 0. 84。以此兩處的壓差驅動可實現(xiàn)最高馬赫數(shù)約O. 7，在一般的壓氣機溫度情況下速度大約 250m/s。這比目前的零質量合成射流器最高約30 50m/s的射流速度大得多。 無源脈沖射流器的噴口寬度WJ取為0. 2mm，這僅相當于采用吸附式壓氣機技術和 開槽葉片技術所開噴口寬度或槽寬度的十分之一。射流器縫柵總寬度10mm，每個縫柵開縫 數(shù)為20條，無源脈沖射流器的固定縫柵開縫寬度W1和振動縫柵開縫寬度W2均取0. 2mm，按 上述方法設計可得無源脈沖射流器的振動縫柵的位移L2-L1應為30 ii m。壓電驅動桿長度 設計為9mm，那么可以選擇最大應變率為0. 33%的壓電材料來制作。在采用上述設計方案 時，縫隙處氣流馬赫數(shù)約O. 18，這個速度下氣流通過引起的損失近似可以忽略；無源脈沖
6射流器的引氣口折合的引氣馬赫數(shù)約0. Ol，如此小的速度能實現(xiàn)在控制葉背側氣流分離的 同時不明顯影響下表面的壓力分布，從而盡量保持壓氣機葉片的擴壓能力。
權利要求抑制壓氣機葉背分離的無源脈沖射流器，其特征是包括無源脈沖射流器的引氣口、無源脈沖射流器的噴口、無源脈沖射流器的固定縫柵、無源脈沖射流器的振動縫柵、壓電驅動桿，其中無源脈沖射流器的噴口位于葉片背風側；無源脈沖射流器的吸氣口位于葉盆面；無源脈沖射流器的固定縫柵、無源脈沖射流器的振動縫柵、及壓電驅動桿位于無源脈沖射流器的引氣口和無源脈沖射流器的噴口間的氣路中，通流或節(jié)流形成頻率的脈沖射流是通過無源脈沖射流器的固定縫柵、無源脈沖射流器的振動縫柵形成的。
2. 根據(jù)權利要求1所述的抑制壓氣機葉背分離的無源脈沖射流器，其特征是所述的無源脈沖射流器的固定縫柵、無源脈沖射流器的振動縫柵是開有若干條窄縫的剛性薄片，由壓電材料制成的壓電驅動桿一端固定，壓電驅動桿的另一端連接無源脈沖射流器的振動縫
3. 根據(jù)權利要求1所述的抑制壓氣機葉背分離的無源脈沖射流器，其特征是所述的無源脈沖射流器的噴口是單純收斂形噴口，無源脈沖射流器的噴口的寬度(WJ) =Q/(MXaXH);式中，a是音速，H是葉片高度，M是噴射氣流馬赫數(shù)，Q是氣流量。
專利摘要本實用新型涉及的是抑制壓氣機葉背分離的無源脈沖射流器，其結構包括引氣口、脈沖射流噴口、固定縫柵、振動縫柵、壓電驅動桿。其中，脈沖射流噴口位于葉片背風側；吸氣口位于葉盆面；兩個縫柵及壓電驅動桿位于引氣口和噴口間的氣路中，通過兩個縫柵形成的通流或節(jié)流效果形成一定頻率的脈沖射流，以此來減弱甚至消除葉背側的氣流分離。優(yōu)點本實用新型裝置可以在葉背易于控制氣流分離的敏感區(qū)生成射流速度足夠大的脈沖射流，且適當頻率的脈沖射流與分離區(qū)具有特定頻率的渦結構發(fā)生相干作用后能夠依靠很小的射流量就可以產生顯著的控制分離的作用；這樣基本可以不改變葉盆壓力分布，也就不降低壓氣機擴壓度；并且該射流器不需要外接氣源，結構簡單、體積重量小、長期工作可靠。
文檔編號F04D29/54GK201443550SQ200820186049
公開日2010年4月28日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權日2008年10月30日
發(fā)明者夏晨, 梁德旺, 王家廣, 陳杰, 黃國平 申請人:南京航空航天大