CN108487935A - 具有阵列式dbd等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构 - Google Patents

Abstract

具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构，属于涡轮主动控制技术领域。本发明是为了解决由于叶片压力面和吸力面两侧压差的作用，在叶顶部形成的泄漏流动造成能量损失的问题。它包括叶顶和多个等离子体激励器，多个等离子体激励器在叶顶上表面的多条轮廓线上按阵列式排布；所述轮廓线为由叶顶的前缘点至尾缘点形成的线条；每条轮廓线上等离子体激励器的裸露电极长度方向与所在轮廓线平行，并且每条轮廓线上裸露电极的长度小于或者等于所在轮廓线的长度。本发明为一种主动流动控制的叶顶结构。

Description

具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构

技术领域

本发明涉及具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构，属于涡轮主动控制技术领域。

背景技术

由于涡轮叶栅叶顶与机匣之间间隙存在的必然性，在叶片压力面和吸力面两侧压差的作用下，动叶顶部会形成从压力边到吸力边的泄漏流动。泄漏流动不仅会减少做功工质流量，减小气动负荷，还会造成较大的剪切损失以及掺混损失等。因此，一直以来对叶顶间隙泄漏流动的研究是叶轮机械领域研究重点之一。

目前，对间隙流动控制的研究分为主动控制和被动控制。其中，主动控制是考虑气流、力等方式的量的注入来阻碍间隙流动，主要包括外机匣喷气、叶顶喷气和等离子体激励器控制等方式。间隙流动的被动控制没有能量的额外注入，主要是通过对叶尖/外壳机匣的结构进行改变，以达到对间隙流动的抑制作用，主要包括采用现代密封结构、叶顶/机匣修型、翼梢小翼、叶顶肋条/凹槽等方式。

DBD(介质阻挡放电)等离子体流动控制技术作为一种新型的主动流动控制技术，相较于传统的主动流动控制技术，有着许多本质上的优势：结构简单，具有较小的尺寸和较轻的重量，容易装配到物体的表面；对于流动反馈迅速灵敏，具有较高的带宽，能够在多变方案条件下工作，易于实现流动控制的自动化与智能化；较低的能量消耗，在非稳定方案下工作每厘米只需0.07-0.14瓦特；在流动控制中无附加质量输入，属于严格意义上的零质量流量控制，在待机状态下对流动无影响等。

发明内容

本发明目的是为了解决由于叶片压力面和吸力面两侧压差的作用，在叶顶部形成的泄漏流动造成能量损失的问题，提供了一种具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构。

本发明所述具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构，它包括叶顶和多个等离子体激励器，

多个等离子体激励器在叶顶上表面的多条轮廓线上按阵列式排布；所述轮廓线为由叶顶的前缘点至尾缘点(6)形成的线条；

每条轮廓线上等离子体激励器的裸露电极长度方向与所在轮廓线平行，并且每条轮廓线上裸露电极的长度小于或者等于所在轮廓线的长度。

进一步地，所述轮廓线包括叶顶的吸力边和中弧线。

再进一步地，每一条轮廓线上包括多个等离子体激励器，多个等离子体激励器沿相应轮廓线的延伸方向布置。

再进一步地，每个等离子体激励器的裸露电极包括多个电极分段，每个电极分段具有单独的控制开关。

本发明的优点：本发明涉及叶轮机械技术领域中的主动流动控制技术。它通过在涡轮叶栅动叶顶部阵列式选择性布置等离子体激励器，来削弱泄漏涡的形成和发展，使得泄漏涡与主流的掺混损失减小，进而叶顶泄漏流量以及出口截面能量损失系数减小，从而能够实现对涡轮叶栅叶顶泄漏流动的有效控制。

本发明结构能使涡轮叶栅动叶顶部漏流量与能量损失系数明显减小，有效抑制泄漏流动。

附图说明

图1是本发明所述具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构示意图；

图2是等离子体激励器的构造示意图；

图3是等离子体激励器的数学模型示意图；

图4是为本发明的一个实施例的阵列式等离子体激励电极分段分布示意图；

图5是采用本发明的阵列式等离子体激励与无阵列式等离子体激励方案的涡轮叶栅叶顶出口截面能量损失系数径向分布对比图；

图6是采用本发明的阵列式等离子体激励与无阵列式等离子体激励方案的叶栅性能参数对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明：

结合图1所示，本发明所述具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构，它包括叶顶1和多个等离子体激励器4，多个等离子体激励器4在叶顶1上表面的多条轮廓线上按阵列式排布；所述轮廓线为由叶顶1的前缘点2至尾缘点6形成的线条；每条轮廓线上等离子体激励器4的裸露电极长度方向与所在轮廓线平行，并且每条轮廓线上裸露电极的长度小于或者等于所在轮廓线的长度。

本实施方式中，每条轮廓线上裸露电极的长度上限为轮廓线的长度，即轮廓线在前缘点2至尾缘点6之间宽度允许的范围内；所述裸露电极长度方向为沿前缘点2至尾缘点6的延伸方向。所述轮廓线可以不是真实存在的线条，而是代表等离子体激励器4在叶顶1上的排布位置状态。

本实施方式中，选择性的打开等离子体激励器4的开关，能够灵活的控制叶顶泄漏流动，并且其产生的诱导力方向与所在轮廓线垂直并且与泄漏流动的方向相反，从而能够明显减小泄漏流量。实际使用中，选择性的打开或关闭等离子体激励器，还能够提高装置的经济性。

进一步地，所述轮廓线包括叶顶1的吸力边3和中弧线5。所述轮廓线还可以是叶顶1上表面由前缘点2至尾缘点6形成的其它线条，例如处于吸力边3和中弧线5之间位置的线条，从而形成等离子体激励器4的多排布置，多排布置的等离子体激励器4可以实现对叶顶流动的更好控制，从而更有利于控制泄漏流动。

进一步地，每一条轮廓线上包括多个等离子体激励器4，多个等离子体激励器4沿相应轮廓线的延伸方向布置。当每一条轮廓线上设置多个等离子体激励器4时，每个等离子体激励器4的裸露电极长度方向与轮廓线的相应分段平行，所有裸露电极的总长度小于或者等于轮廓线的曲线长度。

每个等离子体激励器4的裸露电极包括多个电极分段，每个电极分段具有单独的控制开关。每个等离子体激励器4的裸露电极可以是整体式也可以是分段式，分段数目可根据实际使用需要进行选择，裸露电极的激励电压为恒定值。使电极分段的控制开关互相独立，有利于根据不同来流情况对电极分段进行选择性激励，灵活添加或减少等离子体气动激励。

图4为多个等离子体激励器4在叶顶1的阵列式分布的一种示意图，多排布置的等离子体激励器4产生的控制效果能更大程度的减小泄漏损失。当等离子体激励器4的裸露电极为分段式，并对电极分段设置独立的开关后，可以根据不同来流情况灵活打开或关闭开关，从而增加或减少等离子体气动激励。

图2所示，等离子体激励器由高压电源、绝缘介质以及一对金属电极(分别裸露于空气和植入于绝缘介质中)构成，金属电极包括裸露电极和植入电极。当两个电极施加上足够强度的电压后，能激励周围的空气弱电离出带电粒子。带电粒子在电场力的作用下定向移动并同周围的中性气体分子进行动量交换，从而产生诱导流动。

图3以简化的方式示意出等离子体激励器的电场力作用区域，电场力的作用区域简化表示为三角形区域OAB，电场强度随着距O点的距离增大而线性减小，当电场强度小于临界值时不再有等离子体产生。其中a、b分别为三角形区域的两直角边长，d为两电极之间的距离。

具体实施例：

为了验证本发明的效果，进行以下数值模拟，具体模拟参数和结果如下：

模拟的涡轮叶栅叶型主要参数如表1所示：

表1

如图5所示，施加阵列式等离子体激励方案的工况与无阵列式等离子体激励方案的工况相比，泄漏涡的尺寸明显减小。故表明本发明方案可以有效的控制叶顶间隙流动，减小泄漏流量。

如图6所示，通过数值模拟的泄漏流量与能量损失系数的结果可以看出，施加阵列式等离子体激励方案的工况与无阵列式等离子体激励方案的工况相比，泄漏流量下降了45.2％，能量损失系数下降了21.6％。

可见，本发明通过在涡轮上布置阵列式等离子体激励，能够抑制涡轮叶栅叶顶泄漏流动。将等离子体激励器按阵列式布置在涡轮叶顶，能够削弱泄漏涡的形成和发展，使泄漏涡与主流的掺混损失减小，从而有效降低叶顶泄漏流量以及出口能量损失系数，对涡轮叶顶的泄漏流动产生明显的抑制作用。

Claims (4)

1.一种具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构，其特征在于，它包括叶顶(1)和多个等离子体激励器(4)，

多个等离子体激励器(4)在叶顶(1)上表面的多条轮廓线上按阵列式排布；所述轮廓线为由叶顶(1)的前缘点(2)至尾缘点(6)形成的线条；

每条轮廓线上等离子体激励器(4)的裸露电极长度方向与所在轮廓线平行，并且每条轮廓线上裸露电极的长度小于或者等于所在轮廓线的长度。

2.根据权利要求1所述的具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构，其特征在于，所述轮廓线包括叶顶(1)的吸力边(3)和中弧线(5)。

3.根据权利要求1或2所述的具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构，其特征在于，每一条轮廓线上包括多个等离子体激励器(4)，多个等离子体激励器(4)沿相应轮廓线的延伸方向布置。

4.根据权利要求3所述的具有阵列式DBD等离子激励布局的涡轮叶栅叶顶结构，其特征在于，每个等离子体激励器(4)的裸露电极包括多个电极分段，每个电极分段具有单独的控制开关。