CN111521365B - 基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置 - Google Patents

基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，包括引气口，缝栅进气流路，旋转缝栅，缝栅出气流路，驱动缝栅旋转发生器，控制射流喷口。通过设计引气流路，将外部高压气体引入角区两侧射流喷口，通过驱动缝栅旋转发生器带动一定相位差的缝栅旋转，在射流出口处产生脉冲射流，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。优点：本发明装置可在角区产生不对称流动分离的情况下，通过缝栅的相位差的优势，达到相位可调的不同频率的流动激励，这种较小的非定常控制激励能够依靠很小的射流量产生显著的控制流动分离情况。装置相位可调，频率可控，结构简单，体积重量小，工作性能可靠。

Description

基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置
技术领域
本发明是基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，属于压气机技术领域。
背景技术
航空发动机技术水平对国防武器建设发展乃至国家安全与战略都具有极其重要的地位，是衡量一个国家综合工业水平和科技实力的重要标志，被冠以“现代工业皇冠上的明珠”称号。压气机的压缩能力和效率从根本上决定了航空发动机的整机性能水平，是衡量流体机械性能的重要标志。随着压气机单级负荷的提升，极易造成压气机叶片吸力面的附面层分离、角区分离等流动，进而引发角区失速现象，对压气机的稳定工作范围和气动效率产生严重的影响。由于压气机内部逆压梯度大，在叶背和角区处易产生流动分离现象，从而制约了压气机性能的进一步提升。
三维的角区失速问题本质上是两个相互正交的横向涡层发生失稳而引发的拟序分离流结构问题，涉及到两个正交方向的相位组织问题，如何通过简单高效的控制装置来产生相位和频率可调的周期性抽吸或射流，进而对两横向涡层的运动方式进行合理的调控是非定常流动控制在角区分离控制时面临的一个难题，也是非定常流动控制实验过程中急需解决的一个关键问题。要实现相位可控的双侧非定常流动控制，其应包括两个核心部件的设计问题，
1、周期性的非定常激励信号问题。如何通过简单可靠的装置来产生频率可控的脉冲射流或抽吸。2、相位控制装置问题。在产生了周期性激励信号的基础上，采用相对简单的机械装置或管路设计从而实现对两侧双扩张通道进行相位可控和调整。
发明内容
本发明提出的是基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其目的在于针对现有技术存在的缺陷，通过一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制实验装置来产生相位和频率可调的周期性射流，利用非定常流动控制对两横向涡层的运动方式进行合理的调控，从而达到对角区流动分离的控制，进一步提高航空动力推重比，进一步实现压缩系统（风扇/压气机、进气道）在更少级数、更短流道内的大压比压缩。
本发明的技术解决方案：一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制实验装置，其结构包括引气口5、射流喷口2、旋转缝栅6、缝栅进气流路8、缝栅出气流路7和驱动缝栅旋转发生器；其中，引气口5与外部高压气体相连，将外部高压气体引入角区两侧射流喷口2，旋转缝栅6的相位和频率可调，通过驱动缝栅旋转发生器带动一定相位差的旋转缝栅6进行旋转，缝栅进气流路8和缝栅出气流路7通过旋转缝栅6形成相位差能够在0~360度、频率为数十赫兹到数千赫兹之间的非定常控制射流，通过射流喷口到达分离位置，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。
所述叶背和端壁轮毂处均开有射流缝，射流喷口2中心位置位于角区分离点1前后10%射流喷口进口支撑面高度H1的特征长度，射流喷口的气流出口角度可进行0-90度的调整；射流喷口进口宽度W1为射流喷口进口长度L1的0.1%～20%，射流喷口进口长度L1为射流喷口进口支撑面高度H1的1%-100%。
所述引气口5采用的是渐缩型流路，在最外界与高压气源相连，与旋转缝栅6接触的缝栅进气流路8的直径R8小于旋转缝栅6开缝宽度W3的10%～20%，从而保证进入缝栅的气流气密性；进气口的面积大小与缝栅的投影面积大小基本一致，保证有足够进入缝栅的气流量。
所述驱动缝栅旋转发生器转速可调，通过改变驱动缝栅旋转发生器的转速从而调节旋转缝栅6的转动速度，能够调节旋转缝栅6在频率为数十赫兹到数千赫兹之间，实现非定常调节的作用。
所述旋转缝栅6采用分段连接或一体化加工方式，采用分段连接方式的旋转缝栅6左右两侧的单一缝栅之间加装一个错位接口，并在两段开口缝栅的中间连接部分设有一个封岩蓖齿，保证缝栅的左右两侧的气流相互不影响。
所述采用分段连接方式的旋转缝栅6两侧缝栅的开口数目不一致，从而达到产生两侧频率不一致的非定常激励。
所述旋转缝栅6开缝部分与未开缝部分交错排布，达到非定常的控制效果，未开缝部分的宽度为射流出口流路宽度W2的100%-500%之间，保证旋转缝栅6在不通气时候的气密性，旋转缝栅开缝宽度W3为出口流路宽度W2的100%-200%，旋转缝栅开缝长度L3大于出口流路长度L2的10%～20%。
所述错位接口角度为n度，保证相位差能够在0度、n度、2n度、3n度…360度的相位变化，达到相位可调的缝栅控制方法.
所述的缝栅进气流路8与旋转缝栅6中心轴平行进口长度要满足小于或等于旋转缝栅长度，宽度也小于或等于旋转缝栅宽度，左右两侧的流路保证光滑平顺；视需要可采用对称或不对称设置，若要产生同步的激励信号，则需保证流路相同；缝栅出口与射流出口的流路之间采用贴合设计，从而保证流路的气密性。
本发明的有益效果：
1）本发明可以在角区产生不对称流动分离的情况下，通过缝栅的相位差的优势，达到相位可调的不同频率的流动激励，这种较小的非定常控制激励能够依靠很小的射流量产生比较显著的控制流动分离情况。
2）在压缩系统流道内的逆压梯度大幅增加的情况下，用于减弱和抑制角区分离。从而使压缩系统（风扇/压气机、进气道）在更少级数、更短流道内实现大压比压缩。使系统的压缩效率和稳定工作范围都大幅提高，进一步提高压缩系统增压能力。为先进航空动力提供更高性能。
3）本发明只使用了一根旋转缝栅，不仅能够产生双侧频率一致的周期性激励信号，通过合理的设计缝栅的开口数目还可以实现两侧频率不同的周期性信号。
4）实验装置相位可调，频率可控，结构简单，体积重量小，工作性能可靠。
附图说明
附图1是一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的控制角区分离和压气机叶背分离的示意图。
附图2是压气机中出现角区分离和压气机叶背分离的非定常流动的流线图。
附图3是一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置射流喷口放大示意图。
附图4是一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制的流路结构示意图。
附图5是一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置两侧缝栅数目一致时的可调相位和频率旋转缝栅放大示意图和A-A, B-B截面剖面图。
附图6是一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置两侧缝栅数目不一致的可调相位和频率旋转缝栅放大示意图和A-A, B-B截面剖面图。
附图7是应用一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的实验示意图。
图中1表示的是压气机的角区分离和压气机叶背分离分离点，2表示的是一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置射流喷口，5表示的是可调频率和相位的角区非定常流动控制装置引气口，8表示的是可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的与缝栅接触的进气流路，7表示的是可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的缝栅出口流路，6表示的是可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的可调相位和频率旋转缝栅，S表示的是由射流喷口喷出的频率和相位可调的气流，W1表示的射流喷口的进口宽度，L1表示的是射流喷口的进口长度，W2表示的是缝栅出口流路7与射流喷口接触的宽度，L2表示的是缝栅出口流路7与射流喷口接触的长度，H1表示的是射流喷口进口支撑面高度，W3表示的是可调相位和频率旋转缝栅的开缝宽度，L3表示的是可调相位和频率旋转缝栅的开缝长度，S5表示的是引起口5的垂直投影面积，S6表示的是缝栅的投影面积。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制实验装置抑制角区的分离方法，是将外部高压气体引入角区的两侧射流喷口2，通过驱动缝栅旋转发生器带动一定相位差的缝栅进行旋转，在射流出口流路7处产生一定频率的脉冲射流，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。其实验装置包括引气口，缝栅进气流路，旋转缝栅，缝栅出气流路，驱动缝栅旋转发生器，控制射流喷口。其中进气口采用的是渐缩型流路，在最外界与高压气源相连通过设计引气流路，将外部高压气体引入角区的两侧射流喷口，通过驱动缝栅旋转发生器带动一定相位差的缝栅进行旋转，改变旋转速度从而达到不同频率的非定常控制射流。同时可以通过设计两侧旋转缝栅的开口数目不一致，以达到产生两侧频率不一致的非定常激励。在射流出口处产生一定频率的脉冲射流，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。
如附图1-7所示，可调频率和相位的角区非定常流动控制实验装置，其结构包括可调频率和相位的角区非定常流动控制装置引气口5，可调频率和相位的角区非定常流动控制装置射流喷口2，可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的与缝栅接触的进气流路8，可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的缝栅出口流路7，可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的可调相位和频率旋转缝栅6。其中可调频率和相位的角区非定常流动控制装置引气口5（见图3）与外部高压气体相连，从而满足产生的相位和频率可调的气流能够到达射流喷口的需要；可调频率和相位的角区非定常流动控制装置射流喷口2（见图2）位于分离点前后10%H1特征长度，可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的缝栅接触的进气流路8，可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的缝栅出口流路7，通过可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的可调相位和频率旋转缝栅6，形成相位差能够在0度，15度，30度，45度，60度等相位的变化，频率为数十赫兹到数千赫兹之间的射流，产生比较显著的控制流动分离情况，从而来减弱或消除角区的分离情况。
所述的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置射流喷口2位于角区分离点1前后10%H1特征长度，射流喷口的气流出口角度可依据需要进行0-90度的调整。可调频率和相位的角区非定常流动控制装置引气口5（见图3）与外部高压气体相连。由于外界的气体压力高，在可调频率和相位的角区非定常流动控制装置引气口5与位于角区分离点可调频率和相位的角区非定常流动控制装置射流喷口2之间形成一定压力差。这股压力是形成非定常控制射流动力气源。
所述的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的可调相位和频率旋转缝栅6在驱动缝栅旋转机构的带动下，通过改变旋转机构的转速从而调节缝栅的转动速度，从而使缝栅控制流路的开闭频率达到数十赫兹到数千赫兹之间，这样就产生了一股非定常的射流，达到了非定常控制效果。
所述的一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置引气口4采用的是渐缩型流路，在最外界与高压气源相连，与缝栅接触的进气流路直径R8小于缝栅宽度W3的10%～20%，从而保证进入缝栅的气流气密性，进气口的面积大小与缝栅的投影面积大小基本一致，这样保证有足够进入缝栅的气流量。
所述一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制实验装置角区分离控制射流喷口2，射流喷口中心位置位于分离点前后10%特征长度，射流喷口的气流出口角度可依据需要进行0-90度的调整。射流喷口的宽度W1取为特征长度L1的0.1%～20%，射流缝的高度L1取为通道高度H1的1%-100%。具体取值在确保达到非定常流动控制的效果再按照结构强度和加工制造需求来决定。
一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的可调相位和频率旋转缝栅6，可调频率和相位的缝栅长宽设定，开缝宽度与具体的进口流路和出口流路相关，开缝部分是与未开缝部分交错排布，达到非定常的控制效果，缝栅的宽度W3要取为进出口流路的宽度W2的100%-200%，缝栅的缝长L3要大于缝栅出气流路L2的10%～20%，以此保证缝栅的出气量能够满足射流喷口的气流需求量，未开缝部分的宽度取为射流出口流路宽度W2的100%-500%之间，这样保证旋转缝栅在不通气时候的气密性，具体缝栅的取值由需要控制激励的强弱和频率来决定。
一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的设计方法：
一.一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的引气口，采用渐缩型流路，在最外界与高压气源相连，与缝栅接触的进气流路直径R8小于缝栅宽度W3的10%～20%
二.一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的射流喷口，分离点1前后10%H1特征长度，射流喷口的气流出口角度可依据需要进行0-90度的调整。射流喷口的宽度W1取为特征长度L1的0.1%～20%，射流缝的高度L1取为通道高度H1的1%-100%
三.一种基于旋转缝栅的可调频率和相位的角区非定常流动控制装置的可调相位和频率旋转缝栅的长L3宽W3的选取是缝栅的宽度W3要大于进出口流路的宽度W2，缝栅的缝长L3要大于缝栅出气流路L2的10%～20%，以此保证缝栅的出气量能够满足射流喷口的气流需求量，缝栅的宽度W3也要取为缝栅出气流路W2的100%～200%，开缝的条数保证开缝部分是与未开缝部分交错排布，达到非定常的控制效果。
实施例1
利用上述的发明装置，已开展了针对双侧扩压通道的角区分离流的非定常控制研究，如图5，在两扩张段的初始分离位置开有1mm的射流缝。其中引气的管路与一根高速的微型电机带动的旋转缝栅相贯，在旋转缝栅上分布式的总共开有6条缝，其中旋转缝栅的上部分（包含3条缝）与之相贯的气路通道通往扩张通道的一侧射流出口，下半部分与之相贯的气路与另一侧射流出口相连，通过微型电机带动旋转缝栅旋转产生周期性的开闭流路，进而形成周期性的脉冲射流，通过设计旋转缝栅上分布式的缝的交错位置来控制角区射流的相位。本实施例的射流气源来自于大气，通过对射流口的几何约束，非定常射流的动量系数约为0.8%。结果已初步表明该发明装置可以产生相位可控的角区非定常射流，且发现：当两侧非定常射流的相位差在0至90度之间变化时，随着两侧非定常射流相位差的逐渐增大，非定常控制的效果逐渐降低。非定常射流相位差为零度时能够取得最好的控制效果，使得流场的总压损失系数下降大约8%。
实施例2
利用上述的发明装置，同时开展了缝栅开口数目不一致针对双侧扩压通道的角区分离流的非定常控制研究，同样在两扩张段的初始分离位置开有1mm的射流缝。同样引气的管路与一根高速的微型电机带动的旋转缝栅相贯。不同的是在上半部位采用三条缝，在下半部分采用两条缝，其中旋转缝栅的上部分（包含3条缝）与之相贯的气路通道通往扩张通道的一侧射流出口，下半部分（包含2条缝）与之相贯的气路与另一侧射流出口相连，通过微型电机带动旋转缝栅旋转产生周期性的开闭流路，进而形成周期性的脉冲射流，通过设计旋转缝栅上分布式的缝的交错位置来控制角区射流的相位。通过这样选择开口数目不一致的缝栅设计，达到了，在两侧不同角度扩压通道内的非定常控制效果更真实，也让外界的高压气源需求量降低。真正达到了使实际流场的总压损失系数下降的结果。
另外说明，上述实施例仅是对于角区分离非定常激励装置的初步解释，而不作为对本发明的限制。比如在实际的压气机应用中，在静叶的机匣或轮毂上开缝的方式将产生的非定常抽吸的控制效果，该设计思路和本发明专利一致，均在本专利的保护范围。

Claims (9)

1.基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是其结构包括引气口(5)、射流喷口(2)、旋转缝栅(6)、缝栅进气流路(8)、缝栅出气流路(7)和驱动缝栅旋转发生器；其中，引气口(5)与外部高压气体相连，将外部高压气体引入角区两侧射流喷口(2)，通过驱动缝栅旋转发生器带动一定相位差的旋转缝栅(6)进行旋转，缝栅进气流路(8)和缝栅出气流路(7)通过旋转缝栅(6)形成相位差为0~360度、频率为数十赫兹到数千赫兹之间的非定常控制射流，通过射流喷口到达分离位置，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。
2.根据权利要求1所述的基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是所述实验装置中设有叶背和端壁轮毂，叶背和端壁轮毂处均开有射流缝，射流喷口(2)中心位置距角区分离点(1)前后10%射流喷口进口支撑面高度H1，射流喷口的气流出口角度可进行0-90度的调整；射流喷口进口宽度W1为射流喷口进口长度L1的0.1%～20%，射流喷口进口长度L1为射流喷口进口支撑面高度H1的1%-100%。
3.根据权利要求1所述的基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是所述引气口(5)采用的是渐缩型流路，在最外界与高压气源相连，与旋转缝栅(6)接触的缝栅进气流路(8)的直径R8小于旋转缝栅(6)开缝宽度W3的10%～20%，从而保证进入缝栅的气流气密性；进气口的面积大小与缝栅的投影面积大小基本一致，保证有足够进入缝栅的气流量。
4.根据权利要求1所述的基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是所述驱动缝栅旋转发生器转速可调，通过改变驱动缝栅旋转发生器的转速从而调节旋转缝栅(6)的转动速度，能够调节旋转缝栅(6)在频率为数十赫兹到数千赫兹之间，实现非定常调节的作用。
5.根据权利要求1所述的基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是所述旋转缝栅(6)采用分段连接或一体化加工方式，采用分段连接方式的旋转缝栅(6)左右两侧的单一缝栅之间加装一个错位接口，并在两段开口缝栅的中间连接部分设有一个封岩蓖齿，保证缝栅的左右两侧的气流相互不影响。
6.根据权利要求5所述的基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是所述采用分段连接方式的旋转缝栅(6)两侧缝栅的开口数目不一致，从而达到产生两侧频率不一致的非定常激励。
7.根据权利要求5所述的基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是所述旋转缝栅(6)开缝部分与未开缝部分交错排布，达到非定常的控制效果，未开缝部分的宽度为射流出口流路宽度W2的100%-500%之间，保证旋转缝栅(6)在不通气时候的气密性，旋转缝栅开缝宽度W3为出口流路宽度W2的100%-200%，旋转缝栅开缝长度L3大于出口流路长度L2的10%～20%。
8.根据权利要求5所述的基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是所述错位接口角度为n度，保证相位差能够在0度、n度、2n度、3n度…360度的相位变化，达到相位可调的缝栅控制方法。
9.根据权利要求1所述的基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，其特征是所述的缝栅进气流路(8)与旋转缝栅(6)中心轴平行进口长度小于或等于旋转缝栅长度，宽度小于或等于旋转缝栅宽度，左右两侧的流路保证光滑平顺；视需要可采用对称或不对称设置，若要产生同步的激励信号，则需保证流路相同；缝栅出口与射流出口的流路之间采用贴合设计，从而保证流路的气密性。
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