專利名稱：利用等離子體激勵(lì)控制軸流壓氣機(jī)靜葉端壁氣體流動(dòng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，涉及一種利用等離子體激勵(lì)控制軸流壓氣機(jī)靜葉端壁氣體流動(dòng)的方法，以及用于該方法的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器。
背景技術(shù)：
軸流壓氣機(jī)是航空燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其發(fā)展趨勢(shì)是更高的壓比、效率和穩(wěn)定性，更少的級(jí)數(shù)。由于流動(dòng)方向的強(qiáng)壓力梯度和葉片通道內(nèi)的附面層橫向流動(dòng)，低能流體在靜子葉片吸力面/端壁角區(qū)積聚，進(jìn)而形成顯著的角區(qū)流動(dòng)分離。角區(qū)分離一方面限制壓氣機(jī)負(fù)荷和靜壓升能力的提高，另一方面導(dǎo)致壓氣機(jī)效率和失速裕度的下降，并且給多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的級(jí)間匹配帶來(lái)不利影響。因此，角區(qū)分離是制約壓氣機(jī)壓比、效率和穩(wěn)定性提升的重要因素之一，如何抑制角區(qū)分離，是高性能壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵問(wèn)題。葉片彎掠、端壁翼刀等被動(dòng)流動(dòng)控制方法，可以在典型的工作條件下有效抑制角區(qū)分離，但是，由于壓氣機(jī)的工作狀態(tài)變化范圍寬，這些方法很難適應(yīng)不同的工作條件。采用主動(dòng)流動(dòng)控制方法是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，并將作為一個(gè)新的自由度，融合于壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。附面層吹/吸是目前廣泛研究的一種典型的主動(dòng)流動(dòng)控制激勵(lì)方式，在抑制角區(qū)分離方面取得了很好的效果。但是，由于需要比較復(fù)雜的氣路系統(tǒng)，很難產(chǎn)生快速的、寬頻帶的激勵(lì)，將成為限制其發(fā)展的一個(gè)主要障礙。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種利用等離子體激勵(lì)控制軸流壓氣機(jī)靜葉端壁氣體流動(dòng)的方法，以及用于該方法的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器?？梢越鉀Q其他流動(dòng)控制手段不能解決或難以解決的快速主動(dòng)控制激勵(lì)等問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自適應(yīng)流動(dòng)控制提供了良好的基礎(chǔ)條件。技術(shù)方案—種利用等離子體激勵(lì)控制軸流壓氣機(jī)靜葉端壁氣體流動(dòng)的方法，其特征在于步驟如下步驟I :在軸流壓氣機(jī)靜子葉片通道端壁鋪設(shè)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到流動(dòng)失穩(wěn)先兆時(shí)，采用脈沖等離子體電源將電信號(hào)加載于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的電極；所述電信號(hào)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，脈沖頻率在IO-IOOOHz之間，占空比在1% -100% 之間；
步驟3 :當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到流動(dòng)失穩(wěn)先兆消失時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器。一種用于所述方法的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)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(shè)有多組電極對(duì)；所述的電極對(duì)是在絕緣材料的兩個(gè)表面上設(shè)有上表面電極和下表面電極，兩個(gè)電極之間具有間距Ad,;使用時(shí),上表面電極與脈沖等離子體電源聯(lián)接，下表面電極接地，在上表面電極邊緣產(chǎn)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_。所述絕緣材料為聚酰亞胺。所述電極材料為銅箔。有益效果本發(fā)明提出的一種利用等離子體激勵(lì)控制軸流壓氣機(jī)靜葉端壁氣體流動(dòng)的方法， 以及用于該方法的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器。等離子體流動(dòng)控制是基于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的一種新型主動(dòng)流動(dòng)控制方法，利用氣體放電產(chǎn)生等離子體的過(guò)程中對(duì)流場(chǎng)施加的可控?cái)_動(dòng)， 改變流場(chǎng)的速度和渦量邊界條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流動(dòng)控制，在抑制角區(qū)分離方面具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明提出的控制方法，可以有效抑制軸流壓氣機(jī)靜葉角區(qū)流動(dòng)分離，并且激勵(lì)響應(yīng)時(shí)間短、頻帶寬，對(duì)于降低靜葉尾跡總壓損失，提高壓氣機(jī)穩(wěn)定性和效率具有重要作用。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明，端壁等離子體氣動(dòng)激勵(lì)可以在來(lái)流速度90m/s的條件下有效抑制NACA 0065壓氣機(jī)葉柵角區(qū)流動(dòng)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(yōu)點(diǎn)是激勵(lì)頻帶寬、作用迅速、沒有運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低。


圖I :是等離子體氣動(dòng)激勵(lì)電極在軸流壓氣機(jī)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(lì)器，5-等離子體激勵(lì)器；圖2 :是等離子體氣動(dòng)激勵(lì)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(jī)葉柵在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的安裝照片。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述步驟I :在軸流壓氣機(jī)靜子葉片通道端壁鋪設(shè)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，如圖I中標(biāo)注的靜子葉片端壁部位。等離子體氣動(dòng)激勵(lì)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(dòng)激勵(lì)電極的電極采用銅電極，電極間用絕緣材料隔開，絕緣材料為聚酰亞胺。等離子體氣動(dòng)激勵(lì)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(dòng)激勵(lì)電極的兩端分別于與脈沖等離子體電源的高壓端和接地端相連。步驟2 :當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到流動(dòng)失穩(wěn)先兆時(shí)，采用脈沖等離子體電源將電信號(hào)加載于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的電極；所述電信號(hào)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(lì)脈沖重復(fù)頻率f = I/Tcontrol, f = 10 1000Hz ;激勵(lì)脈沖占空比 a = Tsignal/TcmtrolX 100%，α = 1% 100%。步驟3 :當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到流動(dòng)失穩(wěn)先兆消失時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器。本實(shí)施例中，在壓氣機(jī)葉柵風(fēng)洞內(nèi)定量考核了脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)抑制角區(qū)分離的效果，如圖4所示。來(lái)流速度90m/s的條件下，脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)(激勵(lì)電壓為 10kV，脈沖頻率為600Hz，占空比為70% )有效抑制NACA 0065壓氣機(jī)葉柵角區(qū)流動(dòng)分離， 將70%葉高處的葉片尾跡總壓損失最大降低13%。
權(quán)利要求
1.一種利用等離子體激勵(lì)控制軸流壓氣機(jī)靜葉端壁氣體流動(dòng)的方法，其特征在于步驟 如下步驟1:在軸流壓氣機(jī)靜子葉片通道端壁鋪設(shè)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，等離子體氣動(dòng)激 勵(lì)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到流動(dòng)失穩(wěn)先兆時(shí)，采用脈沖等離子體電源將電信號(hào)加 載于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的電極；所述電信號(hào)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到流動(dòng)失穩(wěn)先兆消失時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉等離子體氣 動(dòng)激勵(lì)器。
2.一種用于權(quán)利要求1所述方法的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)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(shè)有多組電極對(duì)；所述的電極對(duì)是在絕緣 材料的兩個(gè)表面上設(shè)有上表面電極和下表面電極，兩個(gè)電極之間具有間距Ad,;使用時(shí)，上 表面電極與脈沖等離子體電源聯(lián)接，下表面電極接地，在上表面電極邊緣產(chǎn)生等離子體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，其特征在于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(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，其特征在于所述絕緣材料厚度hd為 0. 5mmo
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，其特征在于所述間距Ad為1_。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，其特征在于所述絕緣材料為聚酰亞胺。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，其特征在于所述電極材料為銅箔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用等離子體激勵(lì)控制軸流壓氣機(jī)靜葉端壁氣體流動(dòng)的方法，其特征在于步驟如下在軸流壓氣機(jī)靜子葉片通道端壁鋪設(shè)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到流動(dòng)失穩(wěn)先兆時(shí)，采用脈沖等離子體電源將電信號(hào)加載于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的電極；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到流動(dòng)失穩(wěn)先兆消失時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器。本發(fā)明提出的控制方法，可以有效抑制軸流壓氣機(jī)靜葉角區(qū)流動(dòng)分離，并且激勵(lì)響應(yīng)時(shí)間短、頻帶寬，對(duì)于降低靜葉尾跡總壓損失，提高壓氣機(jī)穩(wěn)定性和效率具有重要作用。
文檔編號(hào)F04D27/00GK102606502SQ20121003700
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月19日
發(fā)明者吳云, 李軍, 李應(yīng)紅, 賈敏, 趙小虎 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)