CN115419609A - 一种超声速叶栅激波损失控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声速叶栅激波损失控制领域，具体是涉及到一种超声速叶栅激波损失控制装置，包括相互连通的射流槽和抽吸槽，射流槽和抽吸槽设置在压气机中超声速叶栅的压力面上，且射流槽和抽吸槽位于相邻超声速叶栅尾缘部分，所述射流槽和抽吸槽分别布置在超声速叶栅流场中的尾缘激波的上游和下游，本发明所提供的超声速叶栅激波损失控制装置，无需配备外部高压气源即可控制调节尾缘激波的形态，降低尾缘激波造成的流动损失，结构简洁可靠，能耗低，符合发动机向高推重比发展的趋势和绿色环保的理念。

Description

一种超声速叶栅激波损失控制装置及方法

技术领域

本发明属于超声速叶栅激波损失控制领域，具体是涉及到一种超声速叶栅激波损失控制装置及方法。

背景技术

在发动机研发过程中，为了提高推重比，需要提升其中压气机单级性能。超声速压气机可以有效提升单级压比并减少压气机重量，从而提升发动机的推重比，例如引入超声速进气道原理设计的冲击型超声速叶栅可以利用叶片通道中形成多次反射斜激波对来流高效地减速增压。而超声速叶栅中的激波与激波边界层干扰(SWBLI)导致激波损失，并使流动更容易分离。激波在超声速叶栅通道中的结构和位置对叶栅的性能影响较大，不合理的激波结构会造成较大的激波损失，甚至有可能导致叶栅不启动。

有研究表明，合理的主动流动控制方案可以影响超声速叶栅的激波结构，减少超声速叶栅内的流动损失，从而提高压气机叶栅的性能。经典的控制方式包括对边界层吸气或者对边界层进行吹气，吸气或吹气的装置一般放置在叶栅端壁或者吸力面侧，且位于激波/边界层干扰区域下游，主要提升边界层能量或消除边界层低能流体，从而提升边界层抗分离能力，但是常规的控制方法不能改变激波结构，无法明显减少激波损失。另外，常规的控制方式必须分别考虑使用高压气源的能耗和捕获流量的损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无需配备外部高压气源即可被动控制调节尾缘激波的形态超声速叶栅激波损失控制装置及方法。

本发明提供一种超声速叶栅激波损失控制装置，包括相互连通的射流槽和抽吸槽，射流槽和抽吸槽设置在压气机中超声速叶栅的压力面上，且射流槽和抽吸槽位于相邻超声速叶栅尾缘部分，所述射流槽和抽吸槽分别布置在超声速叶栅流场中的尾缘激波的上游和下游。

本装置还包括射流激励器，所述射流激励器设置在压气机中环状端壁的内侧，射流激励器的两个出口分别贯穿环状端壁与射流槽和抽吸槽连通。

更进一步地，所述射流激励器包括壳体和振动膜片，所述壳体内设置有空腔，振动膜片设置在空腔内且将空腔分割为两个腔体，两个所述出口均连通两个腔体，还包括连接振动膜片的驱动电源。

更进一步地，所述壳体由上壳体和下壳体组成，所述下壳体有圆形镂空结构，且圆形镂空结构边缘设置有台阶，所述振动膜片设置在台阶上。

更进一步地，所述振动膜片为圆盘形结构的压电陶瓷片。

更进一步地，两个所述出口设置在壳体的同一侧。

更进一步地，所述射流槽和抽吸槽背离超声速叶栅的压力面一端通过连通槽相互连通。

更进一步地，所述连通槽内等距设置有加强筋。

本发明还提供一种超声速叶栅激波损失控制方法，使用超声速叶栅激波损失控制装置，通过控制不同的电信号驱动射流激励器以不同的振幅、频率、相位工作，控制抽吸槽吸收流体和射流槽喷射流体的强度，对超声速叶栅激波进行调节。

本发明的有益效果是，本发明利用尾缘激波与超声速叶栅压力面边界层干扰区上游与下游的压差，下游部位的来流会由于高压进入到抽吸槽并从上游低压区的射流槽流出，在无需配备外部高压气源的前提下利用压差为射流槽提供喷射气源；

且射流槽设置在超声速叶栅流场中的尾缘激波的上游，从射流槽流出的气流对两相邻超声速叶栅之间的通道内的来流形成阻碍作用，使得来流发生偏转，从而形成控制激波，控制激波有效减缓来流的流速，消除尾缘激波中的马赫杆，弥补了反射激波因强度减弱而无法有效给来流减速的不足，控制激波在减缓来流的流速的同时有效地给来流增压，通过给来流增压，从而减小尾缘激波前后的压比，进而减弱尾缘激波强度；

同时在控制激波的下游，来流会重新附着到叶片表面，形成膨胀波，膨胀波削弱了尾缘激波强度，显著改变超声速叶栅尾缘激波的形态，将尾缘激波从马赫反射变成规则反射，使得尾缘激波波前后的流体参数变化较为温和，有效降低尾缘激波造成的流动损失；

本发明所提供的超声速叶栅激波损失控制装置，无需配备外部高压气源即可被动控制调节尾缘激波的形态，降低尾缘激波造成的流动损失，结构简洁可靠，能耗低，符合发动机向高推重比发展的趋势和绿色环保的理念。

附图说明

附图1为常规超声速叶栅和环状壁端的结构示意图；

附图2为常规超声速叶栅二维工作示意图；

附图3为本发明其中一个实施例的结构示意图；

附图4为图3中的局部示意图；

附图5为本发明中射流激励器的爆炸示意图；

附图6为本发明中射流激励器的正剖视图；

附图7为图3状态下超声速叶栅二维工作示意图；

附图8为本发明另一个实施例超声速叶栅二维工作示意图；

附图9为施加本发明装置前后的二维流场密度梯度云图；

附图10为施加本发明装置前后的二维流场马赫数云图；

附图11为施加本发明装置前后的二维流场总压损失系数云图；

附图12为施加不同流动控制装置的控制示意图；

附图13为施加不同控制装置的叶片压力侧的壁面压力曲线；

附图14为施加不同控制装置的叶片压力侧的壁面温度曲线。

在图中，1-超声速叶栅；11-射流槽；12-抽吸槽；13-连通槽；14-压力面；2-环状端壁；21-通孔；3-射流激励器；31-壳体；311-上壳体；312-下壳体；32-振动膜片；33-出口；34-空腔。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示，压气机包括若干个超声速叶栅1和环状端壁2，若干个超声速叶栅1倾斜且呈环形阵列均布设置在环状端壁2外侧，超声速叶栅1和环状端壁2朝图示方向旋转，如图2所示，来流会通过相邻两个超声速叶栅1之间的通道，而撞击超声速叶栅1端部的来流发生偏转形成前缘激波，前缘激波以一定角度进入相邻两个超声速叶栅1之间的通道并往复反射形成反射激波，反射激波对来流减速增压，提高压气机的性能；超声速叶栅1的尾缘位置会形成尾缘激波，尾缘激波包括中间的马赫杆和马赫杆两端的斜激波，如图10(a)所示，其中马赫杆会带来较大的流动损失，对叶栅的性能影响较大。

如附图3-8所示，本发明提供一种超声速叶栅激波损失控制装置，包括相互连通的射流槽11和抽吸槽12，射流槽11和抽吸槽12设置在压气机中超声速叶栅1的压力面14上，且射流槽11和抽吸槽12位于相邻超声速叶栅1尾缘部分，所述射流槽11和抽吸槽12分别布置在超声速叶栅1流场中的尾缘激波的上游和下游，具体如图7和图8所示，射流槽11和抽吸槽12分别在相邻超声速叶栅1尾缘投影方向的两侧。

本发明利用尾缘激波与超声速叶栅压力面边界层干扰区(尾缘激波与压力面相互作用的部分)上游与下游的压差(上游为低压区，下游为高压区)，下游部位的来流会由于高压进入到抽吸槽12并从上游低压区的射流槽11流出，在无需配备外部高压气源的前提下利用压差为射流槽11提供喷射气源；

且射流槽11设置在超声速叶栅1流场中的尾缘激波的上游，如图7和图8所示，从射流槽11流出的气流对两相邻超声速叶栅1之间的通道内的来流形成阻碍作用，使得来流发生偏转，从而形成控制激波，控制激波有效减缓来流的流速，消除尾缘激波中的马赫杆，弥补了反射激波因强度减弱而无法有效给来流减速的不足，控制激波在减缓来流的流速的同时有效地给来流增压，通过给来流增压，从而减小尾缘激波前后的压比，进而减弱尾缘激波强度；

同时在控制激波的下游，来流会重新附着到叶片表面，形成膨胀波，膨胀波削弱了尾缘激波强度，显著改变超声速叶栅1尾缘激波的形态，将尾缘激波从马赫反射变成规则反射，使得尾缘激波波前后的流体参数变化较为温和，有效降低尾缘激波造成的流动损失；

本发明所提供的超声速叶栅激波损失控制装置，无需配备外部高压气源即可被动控制调节尾缘激波的形态，降低尾缘激波造成的流动损失，结构简洁可靠，能耗低，符合发动机向高推重比发展的趋势和绿色环保的理念。

在其中一个实施例中，如图8所示，所述射流槽11和抽吸槽12背离超声速叶栅1的压力面14一端通过连通槽13相互连通，射流槽11和抽吸槽12通过连通槽13连接其路径短，便于气流快速从射流槽11到抽吸槽12。

本实施例中，所述连通槽13内等距设置有加强筋，保证超声速叶栅1的整体强度。

在另一个实施例中，如图3-6所示，本装置还包括射流激励器3，所述射流激励器3设置在压气机中环状端壁2的内侧，射流激励器3的两个出口33分别贯穿环状端壁2与射流槽11和抽吸槽12连通，本实施例中，如图7所示，射流槽11和抽吸槽12通过射流激励器3相互连通，可以省去连通槽13提高超声速叶栅1的强度，同时射流激励器3设置在环状端壁2的内侧，不会对超声速叶栅1的性能产生影响，更重要的是，射流槽11和抽吸槽12通过射流激励器3连通，可以通过射流激励器3辅助增加经过的气流的能量，进一步增强控制激波的强度，对射流槽11的射流和抽吸槽12的抽吸实施主动控制。本实施例中，环状端壁2上设置有连通射流激励器3与射流槽11、抽吸槽12的通孔21。

本实施例中，所述射流激励器3包括壳体31和振动膜片32，所述壳体31内设置有空腔34，振动膜片32设置在空腔34内且将空腔34分割为两个腔体，两个所述出口33均连通两个腔体，还包括连接振动膜片32的驱动电源，通过控制驱动电源给振动膜片32加以不同的电信号使振动膜片32以不同的振幅、频率、相位工作，控制抽吸槽12吸收流体和射流槽11喷射流体的强度，对超声速叶栅1激波进行调节。本实施例中，气流在两个腔体内的流通主要利用外部压差驱动，振动膜片32交替改变两个腔体的容积可辅助激励气流的强度。

具体地，壳体31由上壳体311和下壳体312组成，可简化射流激励器3的拆装，所述下壳体312有圆形镂空结构，且圆形镂空结构边缘设置有台阶，所述振动膜片32设置在台阶上，且所述振动膜片32为圆盘形结构的压电陶瓷片，即中间为金属片，上下表面贴附压电陶瓷材料，驱动效果好，调节快捷简易。

两个所述出口33设置在壳体31的同一侧，简化与射流槽11和抽吸槽12的连接难度。

本发明还提供一种超声速叶栅激波损失控制方法，使用超声速叶栅激波损失控制装置，通过控制不同的电信号驱动射流激励器3以不同的振幅、频率、相位工作，控制抽吸槽12吸收流体和射流槽11喷射流体的强度，对超声速叶栅1激波进行主动调节。

本发明的具体工作原理及效果验证：

图2为本无控制情况下的二维工作示意图，常规当超声速叶栅1处于高来流马赫数和高背压工况时，尾缘激波中间形成了一道强度较高的马赫杆，马赫杆一端的斜激波与上方超声速叶栅1的压力面14表面相互作用。激波上游和下游形成较大的压力差，上游为低压区，下游为高压区。图7和图8为本发明装置的二维工作示意图。利用尾缘激波与超声速叶栅压力面边界层干扰区上游与下游的压差，超声速叶栅1通道内的来流从抽吸槽12进入连通槽13或者射流激励器3的空腔34，从射流槽11流出，从而形成控制激波控制超声速流场。在设置射流激励器3时，本发明装置可同时对超声速叶栅1施加射流控制和抽吸控制，激励器内部的振动膜片32增加腔体内的流体的能量，进一步增强射流强度。

图9为施加本发明装置前后的二维流场密度梯度云图和反应流场中的激波结构，其中，图9(a)为无控制时二维流场密度梯度云图，图9(b)为施加本发明装置的二维流场密度梯度云图。无控制的超声速叶栅1形成的前缘激波在通道中形成多个反射激波，对叶片通道内的流体进行减速和增压。在高背压工况下在叶片尾缘形成尾缘激波，尾缘激波在超声速叶栅1表面分叉为两个斜激波和马赫杆。垂直射流显著改变了尾缘激波的模式。施加本装置后，超声速叶栅1通道中形成控制激波(图中黑色部分)和膨胀波(图中白色部分)，其中的控制激波有效降低通道内来流的流速，并有效地给来流增压，膨胀波削弱了尾缘激波强度，显著改变超声速叶栅尾缘激波的形态，斜激波向上游移动，且马赫杆消失，变为交叉形态的激波成为规则反射。

图10为施加本发明装置前后的二维流场马赫数云图，其中，图10(a)为无控制时二维流场马赫数云图，图10(b)为施加本发明装置的二维流场马赫数云图。可见本装置形成的斜激波对流体减速效果明显，弥补了无控制的超声速叶栅1通道内反射激波强度减弱的缺陷，证明本装置可使得尾缘激波前后的流体参数变化更加温和，有效降低激波造成的流动损失。

图11为施加本发明装置前后的二维流场总压损失系数云图。其中，图11(a)为无控制时二维流场总压损失系数云图，图10(b)为施加本发明装置的二维流场总压损失系数云图。图中，横坐标中的x/c表示到叶栅前缘的距离/弦长。使用本装置后由于马赫杆消失，超声速叶栅1通道内的损失状态得到有效改善。

图12为施加不同流动控制装置的控制示意图，图中，横坐标中的x/c表示到叶栅前缘的距离/弦长，用本发明与单独射流控制装置、单独抽吸控制装置的控制效果进行比较。射流控制装置的射流槽位置与本装置的射流槽位置一致，抽吸控制装置的抽吸槽位置与本装置的抽吸槽位置一致。

图13为施加不同控制装置的超声速叶栅1压力侧的壁面压力曲线，图中，横坐标中的x/c表示到叶栅前缘的距离/弦长。本发明和射流装置产生的射流对叶片壁面附近流体形成阻碍作用，使得射流槽前后的静压阶跃从一次变为两次。第二次增加更缓和。抽吸装置使得斜激波脚向后移动，因而壁面压力增加比其他情况出现得更晚。因此，抽吸槽前部的压力要低得多，但逆压梯度更剧烈。由于射流激励器3的连通性效应，射流槽和抽吸槽附近的压力是相似的。通过本发明的控制，超声速叶栅1表面的压力负载更加均匀，整体壁压变化更为温和。

图14为施加不同控制装置的叶片压力侧的壁面温度曲线，图中，横坐标中的x/c表示到叶栅前缘的距离/弦长，用于研究叶片表面上热通量的分布。在使用本装置后，在吹气槽和抽吸槽附近，由于复杂的流动和高湍流动能，局部热通量增加。与抽吸装置相比，本装置不会产生局部高热区域。而在超声速叶栅1中，局部高热负荷会导致局部疲劳、烧蚀，威胁压气机安全工作，故本装置具有更佳的可靠性。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种超声速叶栅激波损失控制装置，其特征是，包括相互连通的射流槽(11)和抽吸槽(12)，射流槽(11)和抽吸槽(12)设置在压气机中超声速叶栅(1)的压力面(14)上，且射流槽(11)和抽吸槽(12)位于相邻超声速叶栅(1)尾缘部分，所述射流槽(11)和抽吸槽(12)分别布置在超声速叶栅(1)流场中的尾缘激波的上游和下游。

2.如权利要求1所述的超声速叶栅激波损失控制装置，其特征是，还包括射流激励器(3)，所述射流激励器(3)设置在压气机中环状端壁(2)的内侧，射流激励器(3)的两个出口(33)分别贯穿环状端壁(2)与射流槽(11)和抽吸槽(12)连通。

3.如权利要求2所述的超声速叶栅激波损失控制装置，其特征是，所述射流激励器(3)包括壳体(31)和振动膜片(32)，所述壳体(31)内设置有空腔(34)，振动膜片(32)设置在空腔(34)内且将空腔(34)分割为两个腔体，两个所述出口(33)均连通两个腔体，还包括连接振动膜片(32)的驱动电源。

4.如权利要求3所述的超声速叶栅激波损失控制装置，其特征是，所述壳体(31)由上壳体(311)和下壳体(312)组成，所述下壳体(312)有圆形镂空结构，且圆形镂空结构边缘设置有台阶，所述振动膜片(32)设置在台阶上。

5.如权利要求3所述的超声速叶栅激波损失控制装置，其特征是，所述振动膜片(32)为圆盘形结构的压电陶瓷片。

6.如权利要求3所述的超声速叶栅激波损失控制装置，其特征是，两个所述出口(33)设置在壳体(31)的同一侧。

7.如权利要求1所述的超声速叶栅激波损失控制装置，其特征是，所述射流槽(11)和抽吸槽(12)背离超声速叶栅(1)的压力面(14)一端通过连通槽(13)相互连通。

8.如权利要求7所述的超声速叶栅激波损失控制装置，其特征是，所述连通槽(13)内等距设置有加强筋。

9.一种超声速叶栅激波损失控制方法，其特征是，使用如权利要求2-6任一项所述的超声速叶栅激波损失控制装置，通过控制不同的电信号驱动射流激励器(3)以不同的振幅、频率、相位工作，控制抽吸槽(12)吸收流体和射流槽(11)喷射流体的强度，对超声速叶栅(1)激波进行调节。

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