CN109681475A - 高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，基于附面层抽吸流动控制方法实现，包括：所述非定常振荡抽吸流动控制方法引入合成射流技术作为人为非定常激励，促发附面层抽吸流动控制中的吸气流量产生周期性振荡变化，进而在抽气过程中引入非定常激励效应，调节流场的非定常特性。本发明方法可以达到有效抑制流道内复杂三维流动分离的目的，并降低损失，增大折转角，从而能够大幅度提升压气机的气动性能，减少流动堵塞。

Description

高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法

技术领域

本发明涉及压气机附面层抽吸流动控制技术领域，尤其涉及一种高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法。

背景技术

当代高性能航空飞行器强调的高机动性、高飞行速度、短距离起降等性能要求，必将主导航空发动机继续向着高推重比的方向迈进。为了满足推重比的发展需求，压气机在满足效率与失速裕度的前提下始终向着减少级数、提升级负荷的方向发展。单级压比的提高不外乎两种方式：一是提高叶片速度；二是增加扭速，提升叶栅负荷。由于受到叶片材料和结构强度的限制，叶片速度不能无限制提高。要实现更高的单级压比就要求大幅提升级负荷。压气机级负荷的提升一方面会提高单级压比，但同时会引发流道中逆压力梯度大大增强，使得附面层厚度迅速增长，低能流体积聚，从而引发压气机喘振甚至失速。为解决高负荷压气机叶栅中的流动分离问题，研究人员提出各种主动、被动流动控制方法，包括叶片三维造型(弯扭掠)、等离子激励、附面层吹吸气等等。基于以上流动控制方法，高效高负荷压气机设计得以实现。

附面层抽吸技术是未来能够大幅提升压气机负荷水平的重要技术途径之一，具有巨大的应用潜力。但是依目前附面层抽吸技术的发展现状来看，相对于巨大的应用潜力，其突出的技术局限性同样不可忽视。附面层抽吸的控制效果强烈地依赖于特定的控制参数，因此固定的附面层抽吸位置以及在给定工况下定常的附面层抽吸方式，导致变工况条件下的附面层抽吸难以得到满足设计要求的流动控制效果。

施加附面层定常抽吸(保持抽吸流量恒定)控制时，流场的非定常特征迅速弱化并呈现准定常的发展趋势，并且附面层定常抽吸的控制效果越明显，上述规律表现的越突出，即附面层定常抽吸在成功实现流动控制的同时其自身的定常属性也被同步附加给待控流场。附面层定常抽吸极为敏感的变工况适应性可能正是源于其对流场非定常特征的弱化。因此，将流体的非定常特性与定常抽吸技术有机结合，会进一步提升附面层抽吸技术控制分离流动的效果。

目前，在高负荷压气机可调静叶或悬臂式静叶中，叶尖间隙泄漏流的存在常引发流动堵塞、匹配、损失增大等一系列问题。

因此，针对以上不足，需要提供一种新的流动控制方法，通过合成射流技术将流体的非定常特性引入到现有的附面层抽吸技术中，以实现对间隙流动的合理控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中叶尖间隙泄漏流的存在会引发流动堵塞，造成气动性能差的缺陷，提供一种高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，基于附面层抽吸流动控制方法实现，包括：

所述非定常振荡抽吸流动控制方法引入合成射流技术作为人为非定常激励，促发附面层抽吸流动控制中的吸气流量产生周期性振荡变化，进而在抽气过程中引入非定常激励效应，调节流场的非定常特性。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，所述吸气流量的周期性振荡变化通过调节控制参数实现调控。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，所述合成射流技术通过以下方式引入：

在所述附面层抽吸流动控制的引气系统管道上加装合成射流激励器。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，所述合成射流激励器包括腔室，所述腔室通过能够形成射流的狭窄出口与所述引气系统管道连通。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，所述合成射流激励器还包括压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设置在腔室的底部，压电陶瓷片在给定的电信号下做往复运动。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，所述附面层抽吸流动控制方法中，在叶片表面开槽或孔，引气系统管道与所述槽或孔连通。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，所述附面层抽吸流动控制方法中，在叶栅端壁开槽或孔，引气系统管道与所述槽或孔连通。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，所述附面层抽吸流动控制方法中，在叶片表面和叶栅端壁联合开槽或孔，引气系统管道与所述槽或孔连通。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，所述合成射流激励器包括多个。

在根据本发明所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，多个合成射流激励器在引气系统管道两侧对称布置。

实施本发明的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，具有以下有益效果：本发明方法对现有附面层抽吸流动控制技术进行改进，引入合成射流技术，对间隙流动进行合理控制，它在抽气过程中引入了非定常激励效应，可调节流场的非定常特性。本发明方法可以达到有效抑制流道内复杂三维流动分离的目的，并降低损失，增大折转角，从而能够大幅度提升压气机的气动性能，减少流动堵塞。

本发明适用于高负荷可调静叶或高负荷悬臂式静叶间隙流动的控制。

附图说明

图1为根据本发明的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法中，在引气系统管道上加装合成射流激励器的示例性示意图；

图2为根据本发明的高负荷压气机叶栅中，采用叶片表面非定常振荡抽吸的示例性示意图；

图3为根据本发明的高负荷压气机叶栅中，采用端壁非定常振荡抽吸的示例性示意图；

图4为根据本发明的所述吸气流量的周期性振荡变化规律曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一、本发明提供了一种高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，结合图1所示，基于附面层抽吸流动控制方法实现，包括：

所述非定常振荡抽吸流动控制方法引入合成射流技术作为人为非定常激励，促发附面层抽吸流动控制中的吸气流量产生周期性振荡变化，进而在抽气过程中引入非定常激励效应，调节流场的非定常特性。

所述合成射流技术的基本原理为：在具有狭窄出口的有限大小的空腔中，在特定方向上通过激励促发周期性流动能够在腔体出口下游形成稳定的湍流射流，这种射流的一个显著特征即为射流的质量能量为零，但动量不为零，所以该射流通常被称为零质量射流。又由于该射流从形成过程来看，可以认为是利用环境流体合成而得，因此又被称为合成射流。

进一步，所述吸气流量的周期性振荡变化通过调节控制参数实现调控。

对所述吸气流量的周期性振荡变化规律可以通过对控制参数的选取，实现主观上的调控。结合图4所示，抽吸振荡速度u(t)为：

式中U₀为一个周期内激励速度的最大值，f为激励频率，为初始相位角，t为时间，U_S为常数。

图4中，实线条BLOS表示非定常振荡抽吸曲线，点线划条BLS表示定常振荡抽吸线，C_a为叶片轴向弦长，Z_s为叶片上抽吸槽的开设位置，抽吸槽用于与引气系统管道连通；m_s为定常抽吸流量，Δm_s为一个周期内非定常抽吸流量与定常抽吸流量差值的最大值。

曲线的横坐标为时间t，纵坐标抽吸流量m_jet的单位为kg/s。

再进一步，结合图1、图2和图3所示，所述合成射流技术通过以下方式引入：

在所述附面层抽吸流动控制的引气系统管道1上加装合成射流激励器2。

所述合成射流技术的引入，主要通过在附面层抽吸引气系统管道1上加装合成射流激励器2实现。通过合成射流激励器2实现周期性地改变引气系统管道1内抽吸流量的变化。

再进一步，结合图1、图2和图3所示，所述合成射流激励器2包括腔室21，所述腔室21通过能够形成射流的狭窄出口与所述引气系统管道1连通。

例如，腔室21可以为一比较短的长条形管路，在所述长条形管路的中间位置开一出口，出口通过狭窄的管路与引气系统管道1连通，以形成射流。在叶片表面的中间位置开槽与引气系统管道连通可以获得最好的射流效果；也可以在叶片表面20％～75％弦长范围内开槽，即图4中，Z_s/C_a范围在20％～75％之间。

再进一步，结合图1、图2和图3所示，所述合成射流激励器2还包括压电陶瓷片22，所述压电陶瓷片22设置在腔室21的底部，压电陶瓷片22在给定的电信号下做往复运动。

所述压电陶瓷片22设置在腔室21的底部外表面。

所述压电陶瓷片22在给定电信号下产生的往复运动，可使腔室21的狭窄出口处产生非定常射流。在该射流的影响下，引气系统管道1内的抽吸流量将会产生周期性脉动，基于此，可以实现叶栅中非定常振荡抽吸的控制效果。

在相同的控制条件下，非定常振荡抽吸较传统的附面层抽吸技术具有更为优异的变工况适应特性，可以显著降低流动控制效果对抽吸位置等外部条件的敏感响应特性，同时能够在更宽广的冲角范围内可靠地维持叶栅具有较高的气动性能，从而大幅提升压气机的气动性能，包括提升效率、增大压比，同时增加喘振裕度。

本发明的流动控制机理为：定常附面层抽吸控制下的流场中，吸力面分离涡呈稳定的层状结构分布，同时具有较为突出的旋涡强度与尺度，仍是叶栅损失的主要来源。在非定常振荡抽吸控制下的流场中，抽吸流量往复振荡产生的非定常激励效应促发层状吸力面分离涡发生离散并卷起形成环状结构，同时向下游做周期性脱落，这将有效限制吸力面分享涡产生不利影响的范围；同时振荡抽吸在连续吸除低能流体的同时，提升了附面层自身所具备的能量水平，这将削弱卷起的吸力面分离涡在下游输运过程中的粘性耗散。上述两点作用综合后能够产生较好的流动控制效果，在振荡抽吸控制下的吸力面分享涡具有相对较高的能量，不再是叶栅流场损失的主要来源，正是这种流场漩涡结构的显著变化导致了巨大的控制效果。

作为示例，结合图2所示，所述附面层抽吸流动控制方法中，在叶片表面开槽或孔，图2中所示为在叶片表面开抽吸槽11，引气系统管道1与所述抽吸槽11连通。可依据加工工艺选择在叶片表面开槽或孔。

作为示例，结合图3所示，所述附面层抽吸流动控制方法中，还可以在叶栅端壁开槽或孔，图3中所示为在端壁上开抽吸孔12，引气系统管道1与所述抽吸孔12连通。

根据实际使用情况，可以将以上两种开槽或孔的方法相结合，以满足不同的使用需求。作为示例，所述附面层抽吸流动控制方法中，在叶片表面和叶栅端壁联合开槽或孔，引气系统管道1与所述槽或孔连通。

上述三种不同的抽吸位置，主要依据压气机实际情况而定，例如：考虑强度的情况下，小尺寸叶片不适合表面开孔或槽，可选用端壁开槽；大尺寸叶片选用叶片开槽，端壁开槽加工复杂，可降低成本；联合开槽或孔控制效果最好，工艺复杂。

本实施方式中，针对不同的抽吸配置方案，例如以上所述的在叶片表面或端壁设置抽吸槽或孔的方案，在压气机结构强度允许的情况下，在引气系统管道1上设置合成射流激励器2，可以实现非定常振荡抽吸，进一步提升叶栅性能，减小流动控制成本，改善传统抽吸控制变工况的适应性。

以上开槽或孔的方案中，槽或孔的数量可以根据需要选定，并可以开在叶片的不同位置处；也可以开在端壁的不同位置处；还可以将两种方式相结合；除此以外的其他方案中，加装类似本发明所述合成射流激励器的方案同样适用。

本发明还可以包括其它通过合成射流激励器引起叶栅流道内抽吸流量振荡的方案。

作为示例，合成射流激励器2在引气系统管道1上可以设置一个，也可以根据欲达到的技术效果，设置多个，具体数量可依据抽吸流量的振荡效果确定。

作为示例，结合图1所示，多个合成射流激励器2在引气系统管道1两侧可以呈对称布置。

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

1、利用数值手段对高负荷压气机流场进行模拟，获取该压气机主流详细的流场结构、分离形态。

2、根据叶栅角区分离区域的大小，位置，结合其他三维流动特征，并结合压气机结构设计对机械强度的要求，选取合适的抽吸结构配置，包括在叶片表面或端壁开槽或孔等方式，以实现有效的附面层抽吸控制。可在叶片表面开槽或孔，在叶片表面开槽时，结合图4所示，Z_s/C_a范围在20％～75％之间；在端壁开槽时，需要贴近吸力面。

3、选择好抽吸结构后，再进行数值建模、仿真，根据计算出的三维流场及总气动参数(级计算时的效率、单列静叶计算的总压损失系数)确定主要的非定常振荡抽吸的主要参数，如时均抽吸量，非定常激励的频率，振幅等。确定抽吸量后，预估抽吸速度：

然后改变激励频率及振幅等。

4、在叶栅流场数值仿真结果的基础上，合理布置抽吸的引气系统，并在引气管道上根据需要布置若干合成射流激励器。合成射流激励器的尺寸，数量等方面可通过对管道内流量进行数值计算而后决定。

综上所述，本发明在附面层抽吸技术的引气环节加装合成射流激励器以实现非定常振荡抽吸，能够大幅提升压气机的气动性能，同时增加喘振裕度。具有结构简单，激励效果显著，不影响时均抽吸流量的优势，并且便于维修更换，具有广阔的应用前景。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，基于附面层抽吸流动控制方法实现，其特征在于包括：

所述非定常振荡抽吸流动控制方法引入合成射流技术作为人为非定常激励，促发附面层抽吸流动控制中的吸气流量产生周期性振荡变化，进而在抽气过程中引入非定常激励效应，调节流场的非定常特性。

2.根据权利要求1所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

所述吸气流量的周期性振荡变化通过调节控制参数实现调控。

3.根据权利要求1或2所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

所述合成射流技术通过以下方式引入：

在所述附面层抽吸流动控制的引气系统管道上加装合成射流激励器。

4.根据权利要求3所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

所述合成射流激励器包括腔室，所述腔室通过能够形成射流的狭窄出口与所述引气系统管道连通。

5.根据权利要求4所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

所述合成射流激励器还包括压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设置在腔室的底部，压电陶瓷片在给定的电信号下做往复运动。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

所述附面层抽吸流动控制方法中，在叶片表面开槽或孔，引气系统管道与所述槽或孔连通。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

所述附面层抽吸流动控制方法中，在叶栅端壁开槽或孔，引气系统管道与所述槽或孔连通。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

所述附面层抽吸流动控制方法中，在叶片表面和叶栅端壁联合开槽或孔，引气系统管道与所述槽或孔连通。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

所述合成射流激励器包括多个。

10.根据权利要求9所述的高负荷压气机附面层非定常振荡抽吸流动控制方法，其特征在于：

多个合成射流激励器在引气系统管道两侧对称布置。