CN101446311A

CN101446311A - 抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器

Info

Publication number: CN101446311A
Application number: CNA2008101954083A
Authority: CN
Inventors: 黄国平; 陈杰; 夏晨; 王家广; 梁德旺
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: CN101446311B

Abstract

本发明涉及的是抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其结构包括引气口、脉冲射流喷口、固定缝栅、振动缝栅、压电驱动杆。其中，脉冲射流喷口位于叶片背风侧；吸气口位于叶盆面；两个缝栅及压电驱动杆位于引气口和喷口间的气路中，通过两个缝栅形成的通流或节流效果形成一定频率的脉冲射流，以此来减弱甚至消除叶背侧的气流分离。优点：本发明装置可以在叶背易于控制气流分离的敏感区生成射流速度足够大的脉冲射流，且适当频率的脉冲射流与分离区具有特定频率的涡结构发生相干作用后能够依靠很小的射流量就可以产生显著的控制分离的作用；这样基本可以不改变叶盆压力分布，也就不降低压气机扩压度；并且该射流器不需要外接气源，结构简单、体积重量小、长期工作可靠。

Description

抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器

技术领域

本发明涉及的是抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，使压气机在大扩压度下可以避免或减弱叶背的气流分离，能显著地扩大这类压气机的增压能力，从而为使用压气机的系统提供更高的性能。属于压气机技术领域。

背景技术

在以航空燃气涡轮发动机为代表的各类轴流压气机中，以单级压气机获得尽可能高的压比是压气机领域长期以来的发展方向，国内外的发展趋势都体现为压气机级数越来越少，平均级压比越来越高。长期以来，增大压气机的扩压能力主要都是采用各种先进的设计方法来获得更优化的三维几何造型。但是，这种设计思路目前已接近技术可实现的极限，当试图将单级压气机的扩压负荷提高到显著超过当前水平时，会因为出现叶背气流分离等而产生损失剧增和工作不稳定等致命的问题，如图1所示的大扩压度叶栅中，图中上部所示的流线和下部所示的马赫数分布都可以看出流动产生了一个很大的分离区。因此，如通过对叶片表面附面层采用吹除或吸除控制气流分流的研究重新引起了研究人员的重视，综合国内外在此领域已有的工作，相关技术主要有3类：I类以美国麻省理工学院为代表的科研单位近年来提出的直接采用外接气路的吸附式压气机设计方案；II类国内外较早已研究过的压气机叶片开槽设计方案；III类对分离流场控制的零质量流量合成射流技术。

这些技术都从各方层面推动了大扩压度压气机叶片设计能力的进步，但是，为满足今后更高扩压度压气机叶片设计的需要，这些技术都存在以下不足：i，被称为吸附式压气机的技术原理是通过外接高压气源来对叶背侧的气流分离点附近的附面层进行吹气，或外接低压的吸气源来吸除将分离的低能气流。需要通往每个叶片的复杂的气路和外接的吹/吸气源是这类技术走向应用的最大困难。这不仅会增加相关机构的复杂性和重量，而且外接气源还面临较大的技术障碍：如单独接一个额外的气源，无论结构还是重量都不太现实；如采用从多级压气机的压力不同的其它级来代替，又会带来匹配工作的问题。ii，采用压气机叶片开槽设计来抑制大扩压度压气机叶片气流分离的原理是：依靠一股由叶盆面(类似机翼下翼面)经过开槽吹向叶背面，并由此控制叶背气流分离。这与在外流中得到广泛应用的飞机机翼的襟翼或多段翼型技术是基本相同的，因此该工作原理已得到有效验证。但是，在压气机中如要依靠这类定常引气射流来有效控制叶背气流分离，需要较大的气流量，这样实际上将降低叶盆叶背的压差，也就降低了压气机的作功能力和扩压度。iii，采用零质量流量合成射流技术控制分离流场是近年来出现的新技术，具有两个明显的优点，一是该技术采用一个不需外接气源(即与外界无质量流量)的机构往复振动形成合成的射流；二是该类射流是具有一定频率的非定常脉冲射流，这样在调整到合适频率时，可能依靠明显小于定常射流的气流量就有效控制叶背气流分离。但是，这类方法目前的最大困难是：在合成射流装置的体积重量不放大到影响在压气机叶片中应用的情况下，所形成的射流无论流量、还是射流速度都太小，以至于对工程中需要控制的绝大多数气流分离都起不到显著的效果。

发明内容

本发明的目的在于为让单级压气机获得更高的压比，以使叶轮机械具有更大的推重比(或功重比)和更高的效率，提出一种抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器的设计概念和设计方法。通过此无源脉冲射流器有效抑制大扩压度压气机叶片的气流分离(见图2)。

本发明的技术解决方案：其结构是包括无源脉冲射流器的引气口、无源脉冲射流器的喷口、无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅、压电驱动杆，其中无源脉冲射流器的喷口位于叶片背风侧；无源脉冲射流器的喷口吸气口位于叶盆面；无源脉冲射流器的喷口固定缝栅、无源脉冲射流器的喷口振动缝栅及压电驱动杆位于无源脉冲射流器的引气口和无源脉冲射流器的喷口间的气路中，通过无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅形成的通流或节流形成频率的脉冲射流，以此来减弱甚至消除叶背侧的气流分离。

本发明的优点：能够在不降低叶盆叶背的压差(也就是不降低压气机做功能力和扩压度)的情况下，在叶背侧生成射流速度足够大的脉冲射流，且依靠适当频率脉冲射流与分离区具有特定频率的涡结构发生相干作用后能够产生显著的控制分离的作用。并且，本发明不需要外接气源，因此结构上比较简单，可利用MEMS工艺将体积和重量控制在很小的范围。此外，本发明通过压电驱动的振动缝栅来实现高频的节流，可靠性高，长期工作不易损坏。

附图说明

附图1是大扩压度压气机叶背分离的流线和马赫数分布图。

附图2是采用无源脉冲射流技术的压气机叶片示意图。

附图3是无源脉冲射流器的流路结构示意图。

附图4-1是处于开启状态的无源脉冲射流器。

附图4-2是处于开启状态的缝栅和驱动杆的俯视，图4-1中A-A。

附图4-3是处于开启状态的缝栅放大图，图4-1中B。

附图5-1是处于关闭状态的无源脉冲射流器。

附图5-2是处于关闭状态的缝栅和驱动杆的俯视图，图5-1中A-A。

附图5-3是处于关闭状态的缝栅放大图，图5-1中B’。

图中1表示的是压气机叶背侧的气流分离点，2表示的是分离区，3是无源脉冲射流器的喷口，4表示的是无源脉冲射流器的引气口，5表示的是无源脉冲射流器的固定缝栅，6表示的是无源脉冲射流器的振动缝栅，7表示的是叶背侧接近分离点的低速气流，8表示的是叶盆侧压力较高的气流，9表示的是由喷口喷出的脉冲射流，10表示的是压电驱动杆；W1表示的是固定缝栅的开缝宽度，W2表示的是振动缝栅的开缝宽度，h1表示的是振动缝栅在振动至气路开通位置时与固定缝栅形成的缝隙宽度，h2表示的是振动缝栅在振动至气路关闭位置时与固定缝栅形成的缝隙宽度，L1表示的是压电驱动杆在气路开通时的长度，L2表示的是压电驱动杆在气路关闭时的长度，WJ表示的是射流器喷口的宽度。

具体实施方式

对照附图3、图4、图5，其结构包括无源脉冲射流器的引气口4、无源脉冲射流器的喷口3、无源脉冲射流器的固定缝栅5、无源脉冲射流器的振动缝栅6、压电驱动杆10。其中无源脉冲射流器的引气口4(见图3)位于叶盆面，使该位置的静压满足射流速度的需要；无源脉冲射流器的喷口3(见图3)位于叶片背风侧，无源脉冲射流器的固定缝栅5、无源脉冲射流器的振动缝栅6及压电驱动杆10位于无源脉冲射流器的引气口4和无源脉冲射流器的喷口3间的气路中，通过无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅形成的通流或节流形成频率的脉冲射流，以此来减弱甚至消除叶背侧的气流分离(见图4-1、图5-1)。

所述的无源脉冲射流器的喷口3位于叶片背风侧气流分离点1上游的接近该点处，无源脉冲射流器的引气口4的静压应满足射流速度的需要，由此无源脉冲射流器的喷口3位于叶片背风侧气流分离点1与无源脉冲射流器的引气口4间的压差驱动形成脉冲射流，不需要外接气源。

所述的无源脉冲射流器的振动缝栅由压电驱动杆在几十赫兹至几千赫兹的频率范围内振动。

以具有大应变率的压电材料制作振动缝栅的压电驱动杆，利用细长杆状放大变形量，再结合缝栅的多缝设计而使振动缝栅所需的位移量显著减小至压电驱动杆可满足的程度(见图4-2、图5-2)。

所述的无源脉冲射流器的吸气口在叶盆侧选择如下位置来开设引气量口：在确定喷射气流马赫数M的情况下，选择叶盆侧静压为

P_{J} \times {[1 + 0.5 \times (γ - 1) \times M^{2}]}^{\frac{γ}{γ - 1}}

的位置；其中，P_J是喷口处静压、γ是气体比热比。

所述的无源脉冲射流器的喷口是单纯收敛形喷口，无源脉冲射流器喷口的宽度WJ是按控制分离所需的气流量Q和射流速度V确定，无源脉冲射流器喷口的宽度WJ＝Q/(M×a×H)；式中，a是音速，H是叶片高度，气流量Q的确定需针对具体叶片由有限次尝试得到一个尽量小的有控制分离效果的阈值。

所述的无源脉冲射流器的振动缝栅的缝栅振动的位移L2-L1(见图4-2、图5-2)需要使n×(L2-L1)≥3×WJ；式中，n是缝栅的开缝条数。

所述的无源脉冲射流器的固定缝栅的开缝宽度W1和振动缝栅的开缝宽度W2(见图4-3、图5-3)需要大于L2-L1，其具体取值及每道缝的间距在确保开缝条数的情况下按结构强度和加工制造的需要来决定。

所述的压电驱动杆10采用压电陶瓷材料、压电复合材料、多元单晶压电材料压电材料制作，使之在各种应用场合的变形量满足振动缝栅所需的位移量需要；其振动频率多在数十赫兹至数千赫兹之间。

以压电材料在交变电流的作用下的伸缩变形作为无源脉冲射流器的振动缝栅的驱动源，因为缝栅的多缝设计而使通流状态与关闭状态的缝栅位移量较小，再结合细长杆状的驱动杆设计方案，可以克服压电材料应变率小的问题；而压电材料响应频率宽广和作用力大的优点得到了很好的利用。

无源脉冲射流器的固定缝栅5、无源脉冲射流器的振动缝栅6(见图4-3、图5-3)是开有若干条窄缝的刚性薄片，开缝宽度分别为固定缝栅的开缝宽度W1和振动缝栅的开缝宽度W2。两根压电驱动杆10是由压电材料制成的，压电驱动杆10一端固定，压电驱动杆10的另一端连接振动缝栅6(见图4-2、图5-2)。

用无源脉冲射流器抑制压气机叶背分离的方法，是在压电驱动杆10两端施加不同的电场后，因为压电效应，压电驱动杆长度可由最短值L1(见图4-2)伸长至最长值L2(见图5-2)。压电驱动杆长度最长值L2时，无源脉冲射流器的振动缝栅和固定缝栅的开缝正好错开，因此基本封闭气路。在压电驱动杆长度最短值L1时，无源脉冲射流器的振动缝栅和固定缝栅的开缝会有宽度为L2-L1的重合，气路打开；并由于射流器引气口处的气流压力高于喷口处，压差驱动下气流会从喷口喷出。当压电驱动杆两端施加频率数十赫兹至数千赫兹范围内的交变电场时，振动缝栅就会按该频率振动，这就会使喷口处形成该频率的脉冲射流。就能依靠这种强度可控制的脉冲射流来减弱、甚至消除叶背侧的气流分离。

无源脉冲射流器的设计方法：

一、无源脉冲射流器的喷口需要的喷射气流速度可由在叶盆侧选择引气口位置来调节，因为本发明引气量小，故选择引气口位置的原则是：

在确定喷射气流马赫数M的情况下，选择叶盆侧静压为

P_{J} \times {[1 + 0.5 \times (γ - 1) \times M^{2}]}^{\frac{γ}{γ - 1}}

的位置；式中，PJ是喷口处静压、γ是气体比热比。

二、无源脉冲射流器的喷口宽度WJ(在乘以叶片高度方向尺寸H就是面积)的选取是按控制分离所需的气流量Q和射流速度V确定，无源脉冲射流器的喷口的宽度WJ＝Q/(M×a×H)。式中，a是音速，Q的确定需实验尝试得到一个尽量小的有控制分离效果的阈值。

三、无源脉冲射流器的振动缝栅的位移L2-L1的选取是使n×(L2-L1)≥3×WJ。式中，n是缝栅的开缝条数。

四、无源脉冲射流器的固定缝栅开缝宽度W1和振动缝栅开缝宽度W2需要大于L2-L1，其具体取值及每道缝的间距在确保开缝条数的情况下按结构强度和加工制造的需要来决定；恰当的脉冲射流频率因实际压气机叶片的不同而需要实验尝试得到，多数情况的频率在数十赫兹至数千赫兹之间，完全在压电驱动杆的有效响应频率范围内。

实施例：

针对某大扩压度的跨声速压气机静子叶片，弦长90mm，在进口气流角31.5°、来流马赫数0.7时，叶背表面相对弦长约45％附近出现激波，约过50％出现附面层分离。因此，可以在叶背相对弦长约45％附近设置无源脉冲射流器的喷口，该处无量纲静压为0.59。选择叶盆的相对弦长约45％处作为无源脉冲射流器的引气口，该处无量纲静压为0.84。以此两处的压差驱动可实现最高马赫数约0.7，在一般的压气机温度情况下速度大约250m/s。这比目前的零质量合成射流器最高约30～50m/s的射流速度大得多。

无源脉冲射流器的喷口宽度WJ取为0.2mm，这仅相当于采用吸附式压气机技术和开槽叶片技术所开喷口宽度或槽宽度的十分之一。射流器缝栅总宽度10mm，每个缝栅开缝数为20条，无源脉冲射流器的固定缝栅开缝宽度W1和振动缝栅开缝宽度W2均取0.2mm，按上述方法设计可得无源脉冲射流器的振动缝栅的位移L2-L1应为30μm。压电驱动杆长度设计为9mm，那么可以选择最大应变率为0.33％的压电材料来制作。在采用上述设计方案时，缝隙处气流马赫数约0.18，这个速度下气流通过引起的损失近似可以忽略；无源脉冲射流器的引气口折合的引气马赫数约0.01，如此小的速度能实现在控制叶背侧气流分离的同时不明显影响下表面的压力分布，从而尽量保持压气机叶片的扩压能力。

Claims

1、抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是包括无源脉冲射流器的引气口、无源脉冲射流器的喷口、无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅、压电驱动杆，其中无源脉冲射流器的喷口位于叶片背风侧；无源脉冲射流器的吸气口位于叶盆面；无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅、及压电驱动杆位于无源脉冲射流器的引气口和无源脉冲射流器的喷口间的气路中，通过无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅形成的通流或节流形成频率的脉冲射流，以此来减弱甚至消除叶背侧的气流分离。

2、根据权利要求1所述的抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是所述的无源脉冲射流器的喷口位于叶片背风侧气流分离点上游的接近该点处，无源脉冲射流器的引气口的静压应满足射流速度的需要，由此无源脉冲射流器的喷口位于叶片背风侧气流分离点与无源脉冲射流器的引气口间的压差驱动形成脉冲射流，不需要外接气源。

3、根据权利要求1所述的抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是所述的无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅是开有若干条窄缝的刚性薄片，两根压电驱动杆是由压电材料制成，压电驱动杆一端固定，压电驱动杆的另一端连接无源脉冲射流器的振动缝栅。

4、根据权利要求1所述的抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是所述的压电驱动杆，利用细长杆状放大变形量，再结合缝栅的多缝设计而使无源脉冲射流器的振动缝栅所需的位移量显著减小至压电驱动杆可满足的程度。

5，根据权利要求1所述的抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是所述的无源脉冲射流器的吸气口是在叶盆侧选择如下位置来开设引气量口：在确定喷射气流马赫数M的情况下，选择叶盆侧静压为

P_{J} \times {[1 + 0.5 \times (γ - 1) \times M^{2}]}^{\frac{γ}{γ - 1}}

的位置；

式中，P_J是喷口处静压、γ是气体比热比。

6，根据权利要求1所述的抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是所述的无源脉冲射流器的喷口是单纯收敛形喷口，无源脉冲射流器的喷口的宽度(WJ)是按控制分离所需的气流量(Q)和射流速度(V)确定，无源脉冲射流器的喷口的宽度(WJ)＝Q/(M×a×H)；式中，a是音速，H是叶片高度，M是喷射气流马赫数。

7，根据权利要求1所述的抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是所述的固定缝栅的开缝宽度(W1)和振动缝栅的开缝宽度(W2)需要大于(L2-L1)，其具体取值及每道缝的间距在确保开缝条数的情况下按结构强度和加工制造的需要来决定。

8，根据权利要求1所述的抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是所述的驱动杆采用压电陶瓷材料、压电复合材料、多元单晶压电材料制作，使之在各种应用场合的变形量满足无源脉冲射流器的振动缝栅所需的位移量需要；其振动频率多在数十赫兹至数千赫兹之间。