抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器制造技术

本发明专利技术涉及的是抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其结构包括引气口、脉冲射流喷口、固定缝栅、振动缝栅、压电驱动杆。其中，脉冲射流喷口位于叶片背风侧；吸气口位于叶盆面；两个缝栅及压电驱动杆位于引气口和喷口间的气路中，通过两个缝栅形成的通流或节流效果形成一定频率的脉冲射流，以此来减弱甚至消除叶背侧的气流分离。优点：本发明专利技术装置可以在叶背易于控制气流分离的敏感区生成射流速度足够大的脉冲射流，且适当频率的脉冲射流与分离区具有特定频率的涡结构发生相干作用后能够依靠很小的射流量就可以产生显著的控制分离的作用；这样基本可以不改变叶盆压力分布，也就不降低压气机扩压度；并且该射流器不需要外接气源，结构简单、体积重量小、长期工作可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，使压气机在大 扩压度下可以避免或减弱叶背的气流分离，能显著地扩大这类压气机的增压 能力，从而为使用压气机的系统提供更高的性能。属于压气机

技术介绍
在以航空燃气涡轮发动机为代表的各类轴流压气机中，以单级压气机获 得尽可能高的压比是压气机领域长期以来的发展方向，国内外的发展趋势都 体现为压气机级数越来越少，平均级压比越来越高。长期以来，增大压气机 的扩压能力主要都是采用各种先进的设计方法来获得更优化的三维几何造 型。但是，这种设计思路目前已接近技术可实现的极限，当试图将单级压气 机的扩压负荷提高到显著超过当前水平时，会因为出现叶背气流分离等而产 生损失剧增和工作不稳定等致命的问题，如图l所示的大扩压度叶栅中，图 中上部所示的流线和下部所示的马赫数分布都可以看出流动产生了一个很 大的分离区。因此，如通过对叶片表面附面层采用吹除或吸除控制气流分流 的研究重新引起了研究人员的重视，综合国内外在此领域已有的工作，相关 技术主要有3类I类以美国麻省理工学院为代表的科研单位近年来提出的直接采用外接气路的吸附式压气机设计方案；n类国内外较早已研究过的压 气机叶片开槽设计方案；ni类对分离流场控制的零质量流量合成射流技术。这些技术都从各方层面推动了大扩压度压气机叶片设计能力的进步，但是，为满足今后更高扩压度压气机叶片设计的需要，这些技术都存在以下不 足i ，被称为吸附式压气机的技术原理是通过外接高压气源来对叶背侧的 气流分离点附近的附面层进行吹气，或外接低压的吸气源来吸除将分离的低 能气流。需要通往每个叶片的复杂的气路和外接的吹/吸气源是这类技术走 向应用的最大困难。这不仅会增加相关机构的复杂性和重量，而且外接气源 还面临较大的技术障碍如单独接一个额外的气源，无论结构还是重量都不 太现实；如采用从多级压气机的压力不同的其它级来代替，又会带来匹配工作的问题。ii，采用压气机叶片幵槽设计来抑制大扩压度压气机叶片气流分离的原理是依靠一股由叶盆面(类似机翼下翼面)经过开槽吹向叶背面， 并由此控制叶背气流分离。这与在外流中得到广泛应用的飞机机翼的襟翼或 多段翼型技术是基本相同的，因此该工作原理已得到有效验证。但是，在压 气机中如要依靠这类定常引气射流来有效控制叶背气流分离，需要较大的气 流量，这样实际上将降低叶盆叶背的压差，也就降低了压气机的作功能力和扩压度。iii，采用零质量流量合成射流技术控制分离流场是近年来出现的新 技术，具有两个明显的优点， 一是该技术采用一个不需外接气源(即与外界 无质量流量)的机构往复振动形成合成的射流；二是该类射流是具有一定频 率的非定常脉冲射流，这样在调整到合适频率时，可能依靠明显小于定常射 流的气流量就有效控制叶背气流分离。但是，这类方法目前的最大困难是-在合成射流装置的体积重量不放大到影响在压气机叶片中应用的情况下，所 形成的射流无论流量、还是射流速度都太小，以至于对工程中需要控制的绝 大多数气流分离都起不到显著的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为让单级压气机获得更高的压比，以使叶轮机械具有 更大的推重比(或功重比)和更高的效率，提出一种抑制压气机叶背分离的 无源脉冲射流器的设计概念和设计方法。通过此无源脉冲射流器有效抑制大 扩压度压气机叶片的气流分离(见图2)。本专利技术的技术解决方案其结构是包括无源脉冲射流器的引气口、无源 脉冲射流器的喷口、无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝 栅、压电驱动杆，其中无源脉冲射流器的喷口位于叶片背风侧；无源脉冲射 流器的喷口吸气口位于叶盆面；无源脉冲射流器的喷口固定缝栅、无源脉冲 射流器的喷口振动缝栅及压电驱动杆位于无源脉冲射流器的引气口和无源 脉冲射流器的喷口间的气路中，通过无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲 射流器的振动缝栅形成的通流或节流形成频率的脉冲射流，以此来减弱甚至 消除叶背侧的气流分离。本专利技术的优点能够在不降低叶盆叶背的压差(也就是不降低压气机做功能力和扩压度)的情况下，在叶背侧生成射流速度足够大的脉冲射流，且 依靠适当频率脉冲射流与分离区具有特定频率的涡结构发生相干作用后能 够产生显著的控制分离的作用。并且，本专利技术不需要外接气源，因此结构上比较简单，可利用MEMS工艺将体积和重量控制在很小的范围。此外，本发 明通过压电驱动的振动缝栅来实现高频的节流，可靠性高，长期工作不易损 坏。附图说明附图1是大扩压度压气机叶背分离的流线和马赫数分布图。 附图2是采用无源脉冲射流技术的压气机叶片示意图。附图3是无源脉冲射流器的流路结构示意图。附图4-1是处于开启状态的无源脉冲射流器。附图4-2是处于开启状态的缝栅和驱动杆的俯视，图4-1中A-A。附图4-3是处于开启状态的缝栅放大图，图4-1中B。附图5-1是处于关闭状态的无源脉冲射流器。附图5-2是处于关闭状态的缝栅和驱动杆的俯视图，图5-1中A-A。 附图5-3是处于关闭状态的缝栅放大图，图5-1中B'。图中1表示的是压气机叶背侧的气流分离点，2表示的是分离区，3是 无源脉冲射流器的喷口， 4表示的是无源脉冲射流器的引气口， 5表示的是 无源脉冲射流器的固定缝栅，6表示的是无源脉冲射流器的振动缝栅，7表 示的是叶背侧接近分离点的低速气流，8表示的是叶盆侧压力较高的气流，9 表示的是由喷口喷出的脉冲射流，10表示的是压电驱动杆；Wl表示的是固 定缝栅的开缝宽度，W2表示的是振动缝栅的开缝宽度，hl表示的是振动缝 栅在振动至气路开通位置时与固定缝栅形成的缝隙宽度，h2表示的是振动缝 栅在振动至气路关闭位置时与固定缝栅形成的缝隙宽度，Ll表示的是压电驱 动杆在气路开通时的长度，L2表示的是压电驱动杆在气路关闭时的长度,WJ 表示的是射流器喷口的宽度。 具体实施例方式对照附图3、图4、图5，其结构包括无源脉冲射流器的引气口4、无源脉 冲射流器的喷口3、无源脉冲射流器的固定缝栅5、无源脉冲射流器的振动缝 栅6、压电驱动杆IO。其中无源脉冲射流器的引气口4 (见图3)位于叶盆面， 使该位置的静压满足射流速度的需要；无源脉冲射流器的喷口3 (见图3)位于叶片背风侧，无源脉冲射流器的固定缝栅5、无源脉冲射流器的振动缝栅6 及压电驱动杆10位于无源脉冲射流器的引气口4和无源脉冲射流器的喷口3 间的气路中，通过无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅 形成的通流或节流形成频率的脉冲射流，以此来减弱甚至消除叶背侧的气流 分离(见图4-l、图5-l)。所述的无源脉冲射流器的喷口3位于叶片背风侧气流分离点1上游的接 近该点处，无源脉冲射流器的引气口4的静压应满足射流速度的需要，由此 无源脉冲射流器的喷口3位于叶片背风侧气流分离点1与无源脉冲射流器的 引气口4间的压差驱动形成脉冲射流，不需要外接气源。所述的无源脉冲射流器的振动缝栅由压电驱动杆在几十赫兹至几千赫 兹的频率范围内振动。以具有大应变率的压电材料制作振动缝栅的压电驱动杆，利用细长杆状 放大变形量，再结合缝栅的多缝设计而使振动缝栅所需的位移量显著减小至 压电驱动杆可满足的程度(见图4-2、图5-2)。所述的无源脉冲射流器的吸气口在叶盆侧选择如下位置来开设引气量 口 在确定喷射气流本文档来自技高网...

【技术保护点】
抑制压气机叶背分离的无源脉冲射流器，其特征是包括无源脉冲射流器的引气口、无源脉冲射流器的喷口、无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅、压电驱动杆，其中无源脉冲射流器的喷口位于叶片背风侧；无源脉冲射流器的吸气口位于叶盆面；无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅、及压电驱动杆位于无源脉冲射流器的引气口和无源脉冲射流器的喷口间的气路中，通过无源脉冲射流器的固定缝栅、无源脉冲射流器的振动缝栅形成的通流或节流形成频率的脉冲射流，以此来减弱甚至消除叶背侧的气流分离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄国平，陈杰，夏晨，王家广，梁德旺，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]