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1、(10)申请公布号 CN 103807218 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103807218 A (21)申请号 201310455913.8 (22)申请日 2013.09.29 F04D 29/66(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 柳阳威 梁斐杰 孙槿静 陆利蓬 (74)专利代理机构 北京金恒联合知识产权代理 事务所 11324 代理人 李强 (54) 发明名称 抑制压气机静子角区分离的等离子体组合激 励布局方法 (57) 摘要 本发明涉及一种控制压气机静子叶栅角区分 离的等离子体。
2、组合激励布局方法， 其特征在于在 轴流压气机静子叶栅端壁上沿周向、 叶片吸力面 沿叶高方向都铺设等离子体气动激励器。端壁激 励器电极方向与额线平行， 叶片吸力面激励器沿 叶片展向铺设， 能够实现不同流向位置和不同激 励长度的灵活控制。通过端壁和叶片吸力面激励 器的不同组合， 对角区分离共同进行控制， 结合吸 力面激励和端壁激励的优点， 同时有效抑制了吸 力面和端壁边界层发展， 从而阻止其在角区发生 聚集及掺混， 明显抑制角区分离， 减小堵塞和总压 损失， 从而提高压气机的稳定性和效率。 还可根据 角区分离的实际情况， 有针对性地进行灵活的流 动控制， 提高对不同工况下的控制效果和经济性。 (5。
3、1)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103807218 A CN 103807218 A 1/1 页 2 1. 一种轴流压气机， 其特征在于包括 ： 在轴流压气机静子叶栅通道端壁 （103） 和叶片吸力面 （104） 上铺设等离子气动激励器 （102） ， 其中所述等离子体气动激励器 （102） 包括位于所述静子叶栅通道端壁前缘的电极， 且 该电极的延伸方向与额线平行， 在所述叶片吸力面 （104） 上铺设的等离子气动激励器包括位于叶片吸。
4、力面的前缘的电 极， 且该电极沿叶片展向铺设。 2. 根据权利要求 1 所述的轴流压气机， 其特征在于 所述位于静子叶栅通道的端壁前缘的电极的长度的上限为首尾与相邻两叶片相接的 该电极的长度， 且 所述位于叶片吸力面的前缘的电极的长度的上限为沿全叶高铺设的该电极的长度。 3. 根据权利要求 1 2 之一所述的轴流压气机， 其特征在于进一步包括 ： 被布置在叶栅通道中端壁的多个不同的流向位置处的等离子体气动激励器电极。 4. 根据权利要求 2 所述的轴流压气机， 其特征在于所述位于静子叶栅通道的前缘的电 极的长度的上限为沿全叶高铺设的该电极的长度。 5. 根据权利要求 4 所述的轴流压气机， 其。
5、特征在于进一步包括 ： 被布置在叶栅通道中叶片吸力面的多个不同的流向位置处的等离子体气动激励器电 极。 6. 一种控制压气机静子叶栅角区分离的方法， 其特征在于包括 ： 利用如权利要求15之一所述的轴流压气机的所述等离子体气动激励器电极 （102） ， 在轴流压气机的静子叶栅通道端壁 （103） 和叶片吸力面 （104） 同时施加等离子体气动 激励， 对角区分离进行控制。 7. 根据权利要求 6 所述的方法， 其特征在于静子叶栅通道端壁 （103） 和叶片吸力面 （104） 上的等离子激励器长度和位置可根据压气机叶栅实际流动情况进行设计。 8. 根据权利要求 6 或 7 所述的方法， 其特征在。
6、于进一步包括 ： 当轴流压气机的工作状态改变或攻角增大， 且所述轴流压气机的控制器检测到流动失 稳先兆时， 接通对应流向位置和组合布局的所述等离子体气动激励器 （102） 的电极的电源， 以进行等离子体气动激励 ； 当所述控制器检测到流动失稳先兆消失时， 发出控制信号， 关闭所述电源。 权 利 要 求 书 CN 103807218 A 2 1/4 页 3 抑制压气机静子角区分离的等离子体组合激励布局方法 技术领域 0001 本发明涉及是一种抑制压气机静子角区分离的等离子体组合激励布局方法， 以及 具有该组合激励布局的轴流压气机， 属于叶轮机械技术领域的主动流动控制技术。 背景技术 0002 流。
7、动分离是导致压气机性能降低的主要因素， 尤其是在叶片吸力面和端壁之间形 成的角区分离， 是压气机内部普遍存在的一种流动分离现象， 一方面限制压气机负荷能力 的提高， 另一方面导致压气机效率和失速裕度的下降， 是压气机内流动损失和流动堵塞的 主要来源， 严重时甚至引起失速和喘振。因此， 如何抑制角区分离， 是压气机设计制造中的 一个关键问题。 0003 目前控制角区分离与失速的流动控制技术主要可以分为主动控制和被动控制两 种思路。 叶片三维造型、 处理机匣、 根部开槽等被动控制技术可以在特定的工作条件下抑制 角区分离， 但随着压气机工作状态的变化， 这些方法很难适应不同的工作条件。 而附面层吹 。
8、吸技术等主动流动控制技术虽然能够很好的抑制角区分离， 但其气路系统设计复杂， 并且 带来一定的气体损失等缺点成为制约其发展的一个主要障碍。 0004 等离子体气动激励是一种新兴的主动流动控制技术， 其构造如图 1 所示。具有响 应迅速、 作用频带宽、 无需移动机械部件、 便于实时控制、 功率消耗低等优点， 成为了一种很 有前景的主动流动控制技术。 目前通过等离子体气动激励控制压气机角区分离的方法有叶 片吸力面激励、 端壁横向激励和端壁周向激励等不同方法， 吸力面激励可以抑制吸力面边 界层分离， 减小其对角区分离的贡献 ； 端壁横向激励可以阻碍壁面潜流从而抑制低能流体 在角区掺混 ； 端壁周向激。
9、励可以抑制端壁边界层分离。但是这些布局方法都存在一定局限 性， 对高负荷静子叶片的角区分离流动改善有限。 发明内容 0005 针对现有技术的上述问题， 本发明人进行了研究， 并提出了根据本发明的技术方 案， 该技术方案实现了降低压气机静子叶栅角区分离损失的效果， 从而提供了一种更有效 的抑制角区分离的等离子体气动布局方案。 0006 根据本发明的一个方面， 提供了一种轴流压气机， 其特征在于包括 ： 0007 在轴流压气机静子叶栅通道端壁和叶片吸力面上铺设等离子气动激励器， 0008 其中所述等离子体气动激励器包括位于所述静子叶栅通道端壁前缘的电极， 且该 电极的延伸方向与额线平行， 0009。
10、 在所述叶片吸力面上铺设的等离子气动激励器包括位于叶片吸力面的前缘的电 极， 且该电极沿叶片展向铺设。 0010 根据本发明的另一个方面， 提供了利用上述等离子体气动激励器电极的一种控制 压气机静子叶栅角区分离的方法， 其特征在于包括 ： 0011 在轴流压气机的静子叶栅通道端壁和叶片吸力面同时施加等离子体气动激励， 对 说 明 书 CN 103807218 A 3 2/4 页 4 角区分离进行控制。 0012 本发明提供的等离子体组合激励布局方法， 相比现有技术的在压气机静子叶栅吸 力面激励 , 端壁横向激励和端壁周向激励的布局方法， 能够同时控制叶栅通道端壁边界层 和叶片吸力面边界层的发展。
11、， 改善边界层内的流动状况。有效阻止吸力面边界层和端壁边 界层内低能流体在角区发生聚集及尾迹掺混， 从而明显抑制了角区分离， 使角区损失减小， 实现提高压气机性能和稳定性的目的。 此外还可以根据实际流动情况选择不同的组合方式 进行激励， 取得更经济的收益效果。 当然， 组合激励相比其他单一端壁或吸力面的布局激励 方式， 实施相对复杂一些。 附图说明 0013 图 1 为现有技术的一种等离子体激励器电极的构造示意图。 0014 图 2 为根据本发明的一个实施例的等离子体激励器电极的布局示意图， 该电极在 压气机静子叶栅端壁和叶片吸力面都为最大长度。 0015 图 3 为根据本发明的另一个实施例的。
12、等离子体激励器电极的布局示意图， 该电极 在压气机静子叶栅端壁上为分段长度， 在吸力面为最大长度。 0016 图 4 为根据本发明的又一个实施例的等离子体激励器电极的布局示意图， 该电极 在压气机静子叶栅端壁上为最大长度， 在吸力面为分段长度的布局示意图。 0017 图 5 为根据本发明的又一个实施例的等离子体激励器电极的布局示意图， 该电极 在压气机静子叶栅端壁和叶片吸力面都为分段长度的布局示意图。 0018 图 6 为根据本发明的又一个实施例的等离子体激励器电极在压气机静子叶栅不 同流向位置处的最大长度组合布局示意图。 0019 图 7 为根据本发明的又一个实施例的等离子体激励器电极的布局。
13、示意图， 该电极 在压气机静子叶栅不同流向位置处的分段长度组合布局示意图。 0020 图 8 为等离子体激励器的数学模型示意图。 0021 图 9 为本发明的实施例中采用组合激励的方案与无激励方案及现有技术的激励 方案的周向平均总压损失系数对比。 0022 图 10 为本发明的实施例中采用组合激励的方案与无激励方案及现有技术的激励 方案的攻角特性对比。 具体实施方式 0023 本申请全文引用本申请人于 2013-07-05 提交的中国专利申请第 201310282755.0 号 “抑制压气机静子角区分离的等离子体激励端壁周向布局方法和装置” 。 0024 以下结合附图对本发明的实施例进行说明。。
14、 0025 如图 2 7 所示， 根据本发明的实施例的抑制压气机静子角区分离的等离子体激 励端壁周向布局方案包括 ： 0026 A） 在轴流压气机静子叶栅通道端壁 （103） 和叶片吸力面 （104） 上铺设等离子体气 动激励器。 在如图2所示的根据本发明的一个实施例中， 等离子体气动激励器电极 （102） 在 压气机静子叶栅端壁 （103） 和叶片吸力面 （104） 上都具有最大长度 ； 在如图 3 所示的本发 明的另一个实施例中， 等离子体气动激励器电极 （102） 在压气机静子叶栅端壁 （103） 上具 说 明 书 CN 103807218 A 4 3/4 页 5 有分段长度， 在吸力面。
15、 （104） 上具有最大长度 ； 在如图 4 所示的根据本发明的又一个实施例 中， 等离子体气动激励器电极 （102） 在压气机静子叶栅端壁 （103） 上具有最大长度， 在吸力 面 （104） 上具有分段长度 ； 在如图 5 所示的根据本发明的又一个实施例中， 等离子体气动激 励器电极 （102） 在压气机静子叶栅端壁 （103） 和叶片吸力面 （104） 上都具有分段长度 ； 在 如图 6 所示的根据本发明的又一个实施例中， 在压气机静子叶栅端壁 （103） 和吸力面 （104） 的不同流向位置处分别布置有最大长度的等离子体气动激励器电极 （102） ； 在如图 7 所示 的根据本发明的又。
16、一个实施例中， 在压气机静子叶栅端壁 （103） 和吸力面 （104） 的不同流 向位置处分别布置有分段长度的等离子体气动激励器电极 （102） ； 0027 B） 当压气机工作状态改变或攻角增大， 当压气机控制器 （未显示） 检测到流动失稳 先兆时接通对应流向位置和组合布局的等离子体气动激励器电极的电源 （未显示） 进行等 离子体气动激励 ； 0028 C） 当压气机控制器检测到流动失稳先兆消失时， 发出控制信号， 关闭等离子体气 动激励器的电源。 0029 为了验证本发明的效果， 本发明人进行了数值模拟。下文所描述的具体实施例中 选取的方案为图 3 所示的方案。且下文的描述结合图 9 和 。
17、10 所示的内容。具体模拟参数 和结果如下 ： 0030 模拟的 PVD 叶栅叶型主要参数如表 1 所示 ： 0031 表 1 0032 0033 模拟步骤 1 ： 对等离子体气动激励器进行组合布局， 将等离子体气动激励器分别 铺设在轴流压气机静子叶栅端壁和叶片吸力面， 都位于通道前缘， 端壁电极方向与额线平 行， 长度为分段长度， 吸力面电极沿叶高， 长度为最大长度， 如图 3 所示 ； 0034 模拟步骤 2 ： 当压气机工作状态改变或攻角增大， 在压气机控制器检测到流动失 稳先兆时， 接通等离子体气动激励器电源， 进行等离子体气动激励。选用等离子体气动激 励器作用区域如图 7 所示。选用。
18、等离子体气动激励器作用区域如图 8 所示。数值模拟参 数如下 ： 等离子激励器的作用区域为 a=1.5mm， b=3mm， 电极间距 0.25mm。施加电压的频率 均方根电压为 4kv ； 电荷密度 c=11011cm-3； 电子电荷常数 ec=1.60210-19； 放 电 时 间 t=67s ； 电 场 边 界 截 止 电 压 Eb=30kv/cm。k1=(E0-Eb)/a=6.54*102kv/cm2， E0=226.27kv/cm， Ftavex=2.88*10-6E， Ftavey=1.44*10-6E。运用 FLUENT 软件 UDF 二次开发模 块， 将对应的等离子体气动激励代入。
19、到 N-S 方程， 在数学模拟上实现了等离子体气动激励。 图9为周向平均总压损失系数对比， 可以看出， 对应图3的组合激励方式的激励布局结合了 端壁激励和吸力面激励两者的优点， 激励效果最好， 端壁周向激励次之， 吸力面激励效果最 差 ； 图 10 为不同激励方式的攻角特性， 可以看出在整个攻角范围内组合激励都有很好的控 制效果。 0035 可见， 本发明的等离子体组合激励布局方案， 相比现有技术的在压气机静子叶栅 说 明 书 CN 103807218 A 5 4/4 页 6 吸力面激励和端壁激励的布局方案， 结合了两者的优点。端壁激励可以改善压气机静子叶 栅端壁上由压力面流向吸力面的壁面潜流。
20、和端壁边界层内的流动状况 ； 吸力面激励则可以 改善吸力面边界层流动状况， 减小其对角区分离的贡献。 从而达到明显抑制角区分离， 使角 区损失减小， 实现提高压气机性能和稳定性的目的。 还可以根据具体的角区分离情况， 有针 对性的、 灵活性的使用不同的组合布局方案， 提高其对不同工况下的控制效果和经济性。 说 明 书 CN 103807218 A 6 1/4 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103807218 A 7 2/4 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103807218 A 8 3/4 页 9 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103807218 A 9 4/4 页 10 图 8 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 103807218 A 10 。