CN103807218A - 抑制压气机静子角区分离的等离子体组合激励布局方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
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
流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。
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。
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
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。
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：
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，
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，
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。
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：
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，对角区分离进行控制。
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，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
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。
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。
图3为根据本发明的另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分段长度，在吸力面为最大长度。
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。
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。
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。
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。
图8为等离子体激励器的数学模型示意图。
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。
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
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”。
以下结合附图对本发明的实施例进行说明。
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：
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）上具有分段长度，在吸力面（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）；
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；
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。
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10所示的内容。具体模拟参数和结果如下：
模拟的PVD叶栅叶型主要参数如表1所示：
表1
Figure BDA0000390287670000041
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；
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
Figure BDA0000390287670000042
Figure BDA0000390287670000043
均方根电压为4kv；电荷密度ρc=1×1011cm-3；电子电荷常数ec=1.602×10-19；放电时间Δt=67μs；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。
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。

Claims (8)

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1－5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。
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