专利名称：利用等离子体激励控制轴流压气机静叶端壁气体流动的方法
技术领域：
本发明属于燃气涡轮发动机领域的主动流动控制技术，涉及一种利用等离子体激励控制轴流压气机静叶端壁气体流动的方法，以及用于该方法的等离子体气动激励器。
背景技术：
轴流压气机是航空燃气涡轮风扇发动机的核心部件之一，其发展趋势是更高的压比、效率和稳定性，更少的级数。由于流动方向的强压力梯度和叶片通道内的附面层横向流动，低能流体在静子叶片吸力面/端壁角区积聚，进而形成显著的角区流动分离。角区分离一方面限制压气机负荷和静压升能力的提高，另一方面导致压气机效率和失速裕度的下降，并且给多级轴流式压气机的级间匹配带来不利影响。因此，角区分离是制约压气机压比、效率和稳定性提升的重要因素之一，如何抑制角区分离，是高性能压气机设计中一个具有挑战性的关键问题。叶片弯掠、端壁翼刀等被动流动控制方法，可以在典型的工作条件下有效抑制角区分离，但是，由于压气机的工作状态变化范围宽，这些方法很难适应不同的工作条件。采用主动流动控制方法是一个重要的发展趋势，并将作为一个新的自由度，融合于压气机的气动设计。附面层吹/吸是目前广泛研究的一种典型的主动流动控制激励方式，在抑制角区分离方面取得了很好的效果。但是，由于需要比较复杂的气路系统，很难产生快速的、宽频带的激励，将成为限制其发展的一个主要障碍。
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用等离子体激励控制轴流压气机静叶端壁气体流动的方法，以及用于该方法的等离子体气动激励器。可以解决其他流动控制手段不能解决或难以解决的快速主动控制激励等问题，为实现实时自适应流动控制提供了良好的基础条件。技术方案—种利用等离子体激励控制轴流压气机静叶端壁气体流动的方法，其特征在于步骤如下步骤I :在轴流压气机静子叶片通道端壁铺设等离子体气动激励器，等离子体气动激励器电极的前缘和尾缘分别与静子叶片的前缘和尾缘平齐，电极的方向与静子叶片的中弧线平行；步骤2 :当发动机控制器检测到流动失稳先兆时，采用脉冲等离子体电源将电信号加载于等离子体气动激励器的电极；所述电信号的输出电压波形为正弦波，电压在I 30kV之间，放电频率在I 40kHz之间，脉冲频率在IO-IOOOHz之间，占空比在1% -100% 之间；
步骤3 :当发动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。一种用于所述方法的等离子体气动激励器，其特征在于包括上表面电极、下表面电极和绝缘材料；在绝缘材料上平行设有多组电极对；所述的电极对是在绝缘材料的两个表面上设有上表面电极和下表面电极，两个电极之间具有间距Ad,;使用时,上表面电极与脉冲等离子体电源联接，下表面电极接地，在上表面电极边缘产生等离子体。所述上表面电极和下表面电极的厚度he为O. 018mm,宽度为2mm。所述绝缘材料厚度hd为O. 5mm。所述间距Ad为1_。所述绝缘材料为聚酰亚胺。所述电极材料为铜箔。有益效果本发明提出的一种利用等离子体激励控制轴流压气机静叶端壁气体流动的方法， 以及用于该方法的等离子体气动激励器。等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的一种新型主动流动控制方法，利用气体放电产生等离子体的过程中对流场施加的可控扰动， 改变流场的速度和涡量边界条件，进而实现流动控制，在抑制角区分离方面具有显著技术优势。本发明提出的控制方法，可以有效抑制轴流压气机静叶角区流动分离，并且激励响应时间短、频带宽，对于降低静叶尾迹总压损失，提高压气机稳定性和效率具有重要作用。风洞实验表明，端壁等离子体气动激励可以在来流速度90m/s的条件下有效抑制NACA 0065压气机叶栅角区流动分离，将70%叶高处的叶片尾迹总压损失最大降低13%。本方法的主要优点是激励频带宽、作用迅速、没有运动部件、结构简单、能耗较低。
图I :是等离子体气动激励电极在轴流压气机静子叶片端壁上布置的方案图；I-叶片前缘，2-叶片尾缘，3-端壁，4-等离子体激励器，5-等离子体激励器；图2 :是等离子体气动激励电极的布局图；6-上表面电极，7-下表面电极，8-绝缘材料，A-等离子体；图3 :是脉冲等离子体电源的输出波形图；图4 :是压气机叶栅在风洞实验台上的安装照片。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述步骤I :在轴流压气机静子叶片通道端壁铺设等离子体气动激励器，如图I中标注的静子叶片端壁部位。等离子体气动激励器电极的前缘和尾缘分别与静子叶片的前缘和尾缘平齐，电极的方向与静子叶片的中弧线平行；所述等离子体气动激励电极的电极采用铜电极，电极间用绝缘材料隔开，绝缘材料为聚酰亚胺。等离子体气动激励电极的布局如图2所示，上表面电极宽度Cl1为2mm，下表面电极宽度d2为2mm,上、下表面电极间距Δ d为Imm,上、下表面电极厚度he均为O. 018mm,绝缘材料厚度hd为O. 5mm。等离子体气动激励电极的两端分别于与脉冲等离子体电源的高压端和接地端相连。步骤2 :当发动机控制器检测到流动失稳先兆时，采用脉冲等离子体电源将电信号加载于等离子体气动激励器的电极；所述电信号的输出电压波形为正弦波，电压在I 30kV之间，放电频率在I 40kHz之间，如图3所示。激励脉冲重复频率f = I/Tcontrol, f = 10 1000Hz ;激励脉冲占空比 a = Tsignal/TcmtrolX 100%，α = 1% 100%。步骤3 :当发动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。本实施例中，在压气机叶栅风洞内定量考核了脉冲等离子体气动激励抑制角区分离的效果，如图4所示。来流速度90m/s的条件下，脉冲等离子体气动激励(激励电压为 10kV，脉冲频率为600Hz，占空比为70% )有效抑制NACA 0065压气机叶栅角区流动分离， 将70%叶高处的叶片尾迹总压损失最大降低13%。
权利要求
1.一种利用等离子体激励控制轴流压气机静叶端壁气体流动的方法，其特征在于步骤 如下步骤1:在轴流压气机静子叶片通道端壁铺设等离子体气动激励器，等离子体气动激 励器电极的前缘和尾缘分别与静子叶片的前缘和尾缘平齐，电极的方向与静子叶片的中弧 线平行；步骤2 :当发动机控制器检测到流动失稳先兆时，采用脉冲等离子体电源将电信号加 载于等离子体气动激励器的电极；所述电信号的输出电压波形为正弦波，电压在1 30kV 之间，放电频率在1 40kHz之间，脉冲频率在10-1000HZ之间，占空比在1% -100%之间； 步骤3:当发动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。
2.一种用于权利要求1所述方法的等离子体气动激励器，其特征在于包括上表面电 极、下表面电极和绝缘材料；在绝缘材料上平行设有多组电极对；所述的电极对是在绝缘 材料的两个表面上设有上表面电极和下表面电极，两个电极之间具有间距Ad,;使用时，上 表面电极与脉冲等离子体电源联接，下表面电极接地，在上表面电极边缘产生等离子体。
3.根据权利要求2所述的等离子体气动激励器，其特征在于所述上表面电极和下表 面电极的厚度he为0. 018mm,宽度为2mm。
4.根据权利要求2所述的等离子体气动激励器，其特征在于所述绝缘材料厚度hd为 0. 5mmo
5.根据权利要求2所述的等离子体气动激励器，其特征在于所述间距Ad为1_。
6.根据权利要求2所述的等离子体气动激励器，其特征在于所述绝缘材料为聚酰亚胺。
7.根据权利要求2所述的等离子体气动激励器，其特征在于所述电极材料为铜箔。
全文摘要
本发明涉及一种利用等离子体激励控制轴流压气机静叶端壁气体流动的方法，其特征在于步骤如下在轴流压气机静子叶片通道端壁铺设等离子体气动激励器，等离子体气动激励器电极的前缘和尾缘分别与静子叶片的前缘和尾缘平齐，电极的方向与静子叶片的中弧线平行；当发动机控制器检测到流动失稳先兆时，采用脉冲等离子体电源将电信号加载于等离子体气动激励器的电极；当发动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。本发明提出的控制方法，可以有效抑制轴流压气机静叶角区流动分离，并且激励响应时间短、频带宽，对于降低静叶尾迹总压损失，提高压气机稳定性和效率具有重要作用。
文档编号F04D27/00GK102606502SQ20121003700
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月19日 优先权日2012年2月19日
发明者吴云, 李军, 李应红, 贾敏, 赵小虎 申请人:中国人民解放军空军工程大学