RU2637235C1

RU2637235C1 - Pulse plasma heat actuator of ejector type

Info

Publication number: RU2637235C1
Application number: RU2016143067A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Петров; Георгий Григорьевич Судаков; Александр Владимирович Воеводин; Антон Андреевич Корняков; Даниэль Александрович Петров
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-12-01

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: invention relates to aircraft flow control systems at subsonic and nearsonic flight speeds. The pulse plasma heat actuator of the ejector type comprises an underwater channel with a check valve, a discharge chamber with built-in needle electrodes, an ejector nozzle, a mixing chamber, a rarefaction cavity with a slit connecting the rarefaction cavity with the surface of the wing, and an output diffuser. The actuator allows to create a high-speed pulsating jet of gas flowing from the nozzle without overheating of the working area in one area of the flow and simultaneously carry out the boundary layer exhaust into the other one.

EFFECT: expanded possibility of controlling the aircraft wing flow.

2 dwg

Description

Изобретение относится к системам управления обтеканием летательного аппарата (ЛА) при до - и околозвуковых скоростях полета.The invention relates to control systems for the flow around an aircraft (LA) at pre- and transonic flight speeds.

Для управления обтеканием крыла летательного аппарата с целью его перестройки в благоприятном направлении используются актуаторы различных типов. Наиболее изученными в настоящее время считаются плазменные актуаторы на диэлектрическом барьерном разряде (ДБР-актуаторы), создающие тангенциальную или нормальную к поверхности струю газа, импульс которой используется для управления обтеканием.Actuators of various types are used to control the flow around the wing of an aircraft for the purpose of its reconstruction in a favorable direction. The most studied are currently considered plasma actuators on a dielectric barrier discharge (DBD actuators), which create a gas stream tangential or normal to the surface, the pulse of which is used to control the flow around.

Известен импульсный плазменный актуатор, использующий для формирования управляющей струи газа тепло, выделяющееся при высоковольтном разряде: Lin Wang, Zhi-xun Xia, Zhen-bing Luo, Jun Chen. Three-Electrode Plasma Synthetic Jet Actuator for High-Speed Flow Control. AIAA JOURNAL, Vol. 52, No 4, April 2014. Основным недостатком данного актуатора является невозможность его работы при больших частотах повторения импульсов из-за перегрева активной зоны.Known pulsed plasma actuator that uses heat generated during high-voltage discharge to form a control gas jet: Lin Wang, Zhi-xun Xia, Zhen-bing Luo, Jun Chen. Three-Electrode Plasma Synthetic Jet Actuator for High-Speed Flow Control. AIAA JOURNAL, Vol. 52, No 4, April 2014. The main disadvantage of this actuator is the impossibility of its operation at high pulse repetition frequencies due to overheating of the core.

Принципиальным недостаткам ДБР-актуаторов является невозможность создания актуатора с достаточно большим импульсом, что является препятствием для использования актуаторов этих типов для высокоскоростных летательных аппаратов. Область их эффективного применения (при разумных ограничениях на напряжение питания 20-30 кВ) ограничена скоростями полета 10-30 м/сек.The principal disadvantages of DBD actuators are the impossibility of creating an actuator with a sufficiently large momentum, which is an obstacle to the use of these types of actuators for high-speed aircraft. The area of their effective application (with reasonable restrictions on the supply voltage of 20-30 kV) is limited by flight speeds of 10-30 m / s.

Еще один недостаток - предельно низкий КПД преобразования электроэнергии в механическую энергию струи газа. КПД этих групп актуаторов не превышает долей процента, так как основная часть энергии разряда преобразуется в тепло, которое бесполезно рассеивается в пространстве.Another drawback is the extremely low efficiency of converting electricity to mechanical energy of a gas jet. The efficiency of these groups of actuators does not exceed a fraction of a percent, since the bulk of the discharge energy is converted into heat, which is uselessly dissipated in space.

К недостаткам ДБР-актуаторов можно отнести также невозможность создания систем отсоса пограничного слоя на их основе, в то время как отсос пограничного слоя часто является более эффективным средством для управления обтеканием, чем выдув.The disadvantages of DBD actuators include the impossibility of creating systems for suctioning the boundary layer based on them, while suction of the boundary layer is often a more effective means for controlling flow than blowing.

Известен актуатор, принятый за прототип, работающий на газе высокого давления и содержащий подводной канал, сопло эжектора, камеру смешения, полость разрежения, выходной диффузор, осуществляющий формирование пульсирующего выдува в одной области течения и постоянного отсоса пограничного слоя в другой: Arwatz, G., Fono, I., and Seifert, A. "Suction and oscillatory blowing actuator modeling and validation," AIAA journal, Vol. 46, No. 5, 2008, pp. 1107-1117. Основным недостатком актуатора является необходимость отбора газа высокого давления от двигателя или от специального компрессора.The known actuator adopted for the prototype operating on high-pressure gas and containing an underwater channel, an ejector nozzle, a mixing chamber, a vacuum cavity, an output diffuser that generates pulsating blowing in one flow region and constant suction of the boundary layer in another: Arwatz, G., Fono, I., and Seifert, A. "Suction and oscillatory blowing actuator modeling and validation," AIAA journal, Vol. 46, No. 5, 2008, pp. 1107-1117. The main disadvantage of the actuator is the need for high-pressure gas from the engine or from a special compressor.

Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является создание импульсного плазменного теплового актуатора эжекторного типа для работы с высокой частотой повторения импульсов без перегрева активной зоны, который позволит формировать высокоскоростную управляющую струю газа путем выдува воздуха через диффузор в одной области течения и производить отсос пограничного слоя в другой.The objective and technical result of the present invention is the creation of an ejector-type pulsed plasma thermal actuator for operation with a high pulse repetition rate without overheating of the core, which will allow the formation of a high-speed control gas stream by blowing air through a diffuser in one flow region and suctioning the boundary layer to another.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что импульсный плазменный тепловой актуатор эжекторного типа, состоящий из подводного канала, сопла эжектора, камеры смешения, полости разрежения выходного диффузора, дополнительно содержит разрядную камеру со встроенными игольчатыми электродами, обратный клапан, полость разрежения выполнена со щелью, соединяющей ее с поверхностью крыла.The solution of the problem and the technical result are achieved by the fact that the pulsed plasma thermal actuator of the ejector type, consisting of an underwater channel, an ejector nozzle, a mixing chamber, a rarefaction cavity of the outlet diffuser, further comprises a discharge chamber with built-in needle electrodes, a check valve, a rarefaction cavity with a slot, connecting it to the wing surface.

На фиг. 1 приведена схема импульсного плазменного теплового актуатора эжекторного типа, установленного в крыло модели.In FIG. 1 shows a diagram of an ejector-type pulsed plasma thermal actuator installed in the model wing.

На фиг. 2 приведен общий вид действующей модели импульсного плазменного теплового актуатора эжекторного типа.In FIG. Figure 2 shows a general view of the current model of an ejector-type pulsed plasma thermal actuator.

Импульсный плазменный тепловой актуатор эжекторного типа состоит из (фиг. 1) подводного канала для подачи рабочего тела (газа) из области повышенного давления на нижней поверхности крыла 1 с обратным клапаном 2, разрядной камеры 3 со встроенными игольчатыми электродами 4, сопла эжектора 5, камеры смешения 6, полости разрежения 7 со щелью, соединяющей полость разрежения с поверхностью крыла 8, выходного диффузора 9.The pulsed plasma thermal actuator of the ejector type consists of (Fig. 1) an underwater channel for supplying a working fluid (gas) from the high pressure area on the lower surface of the wing 1 with a check valve 2, a discharge chamber 3 with built-in needle electrodes 4, an ejector nozzle 5, a chamber mixing 6, the rarefaction cavity 7 with a slit connecting the rarefaction cavity with the surface of the wing 8, the output diffuser 9.

Принцип работы импульсного плазменного теплового актуатора эжекторного типа следующий: Система управления подает на электроды 4 импульсное напряжение, превышающее напряжение пробоя. Величина напряжения пробоя зависит от расстояния между электродами. При пробое образуется низкотемпературная плазма и выделяется тепло, нагревающее воздух в разрядной камере 3. Обратный клапан 2 при разряде закрыт. Подведение тепла вызывает повышение температуры и давления в разрядной камере и истечение газа из эжекторного сопла 5. Скорость газа на выходе из сопла в зависимости от его конструкции может превышать скорость звука. При этом в камере смешения 6 и полости разрежения 7 со щелью 8 создается пониженное давление, вызывающее эжектирование (отсос) газа через щель. Из камеры смешения газ свободно истекает через диффузор 9 в окружающую среду. При этом полное давление выходящей из диффузора струи становится выше, чем изначальной. Предполагается располагать выход диффузора на нижней поверхности крыла в области задней кромки для реализации эффекта струйного закрылка.The principle of operation of an ejector-type pulsed plasma thermal actuator is as follows: The control system supplies a pulse voltage exceeding the breakdown voltage to the electrodes 4. The magnitude of the breakdown voltage depends on the distance between the electrodes. During the breakdown, a low-temperature plasma is formed and heat is generated that heats the air in the discharge chamber 3. The check valve 2 is closed during discharge. The addition of heat causes an increase in temperature and pressure in the discharge chamber and gas outflow from the ejector nozzle 5. The gas velocity at the outlet of the nozzle, depending on its design, may exceed the speed of sound. At the same time, a reduced pressure is created in the mixing chamber 6 and the rarefaction cavity 7 with the slit 8, which causes gas ejection (suction) through the slit. Gas flows freely from the mixing chamber through the diffuser 9 into the environment. In this case, the total pressure of the jet leaving the diffuser becomes higher than the initial one. It is supposed to place the diffuser outlet on the lower surface of the wing in the region of the trailing edge to realize the effect of the jet flap.

По окончании каждого цикла за счет избыточного давления на входе в подводной канал 1 клапан 2 открывается в сторону разрядной камеры, которая наполняется холодным газом. Далее происходит следующий искровой разряд и весь цикл повторяется. Таким образом формируется импульсная струя газа, вытекающая из диффузора, и осуществляется отсос пограничного слоя через щель в поверхности полости разрежения, которая может быть конструктивно совмещена с верхней поверхностью крыла.At the end of each cycle, due to excess pressure at the inlet to the underwater channel 1, valve 2 opens toward the discharge chamber, which is filled with cold gas. Next, the next spark discharge occurs and the entire cycle is repeated. Thus, a pulsed gas jet is formed, flowing out of the diffuser, and the boundary layer is sucked out through a slot in the surface of the rarefaction cavity, which can be structurally combined with the upper surface of the wing.

Все характеристики импульсного плазменного теплового актуатора эжекторного типа зависят от его геометрических размеров и параметров питания. Импульсный плазменный тепловой актуатор предполагается использовать, в первую очередь, для отсоса пограничного слоя через щель вдоль размаха крыла с целью предотвращения его отрыва, например, за скачком уплотнения. Диапазон скоростей, при которых импульсный плазменный тепловой актуатор эжекторного типа сможет обеспечить эффективное подавление отрыва, зависит от его геометрических параметров и системы питания. Варьируя их, можно получить требуемые величины скорости отсоса и скорости выхода из диффузора.All characteristics of an ejector-type pulsed plasma thermal actuator depend on its geometric dimensions and power parameters. The pulsed plasma thermal actuator is supposed to be used, first of all, for suctioning the boundary layer through a slit along the wing span in order to prevent its separation, for example, behind a shock wave. The range of speeds at which an ejector-type pulsed plasma thermal actuator can provide effective rejection suppression depends on its geometrical parameters and power system. By varying them, one can obtain the required values of the suction speed and the exit velocity from the diffuser.

Отсос пограничного слоя в одной из зон течения существенно расширяет возможности импульсного плазменного теплового актуатора эжекторного типа при управлении обтеканием летательного аппарата вплоть до больших дозвуковых скоростей потока. Расчетные исследования обтекания профиля П184-15 потоком со скоростью М=0.735 на углах атаки α от 0° до 5° с применением отсоса пограничного слоя при помощи импульсного плазменного теплового актуатора эжекторного типа показывают увеличение коэффициента подъемной силы С_у профиля примерно на 11%. При этом максимальное аэродинамическое качество профиля К_макс увеличивается на 4 единицы. В расчетах без учета упругих свойств крыла зафиксировано также устранение такого негативного эффекта, как бафтинг.The suction of the boundary layer in one of the flow zones significantly expands the possibilities of an ejector-type pulsed plasma thermal actuator for controlling the flow around an aircraft up to high subsonic flow velocities. Computational studies of the flow of a P184-15 profile at a flow rate of M = 0.735 at angles of attack α from 0 ° to 5 ° using suction of the boundary layer using an ejector-type pulsed plasma thermal actuator show an increase in the lift coefficient C of _the profile by about 11%. In this case, the maximum aerodynamic quality of the K _max profile increases by 4 units. In the calculations without taking into account the elastic properties of the wing, the elimination of such a negative effect as buffering was also recorded.

Claims

Pulsed plasma thermal actuator of the ejector type, consisting of an underwater channel, an ejector nozzle, a mixing chamber, a vacuum cavity and an output diffuser, characterized in that it further comprises a discharge chamber with built-in needle electrodes, a check valve, a vacuum cavity made with a slot connecting the cavity rarefaction with the wing surface.