压气机的主动流动控制技术

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1、本文涉及的流动控制是通过采用小流量的射流或零流量的合成射流来改变主气流的流动特性，以延缓气流分离、减少气流阻力，从而大幅度提高发动机性能和减轻其重量。这项技术几乎可以应用于航空推进系统的每一个重要部件　　德国流体力学专家普朗特早在1904年就提出用吹/吸附面层的办法来延缓气流分离的流动控制概念，并且已在超音速进气道中得到应用。　　这里采用的流动控制定义为：用细小的修改（例如只占主流流量百分之几的流体射流或零流量的合成射流）来改变一股大得多的流动的特性，以延缓分离、加强或减弱混合、建立"虚拟"形状，以及减少阻力。　　合成射流作为主

2、动流动控制的一种潜在方法引起广泛关注。　　合成射流是由面向主气流的底面封闭的空腔产生的。这种装置称为合成射流作动器。底面用压电、静电或电磁方法可做上下运动。当底面向下运动时，主气流内的部分空气进入空腔；当底面向上运动时，进入的空气又被排出，进入主气流。因此，这种人工射流的质量流量为零，而动量不为零，可用来进行流动控制。　　风扇/压气机　　吸气风扇/压气机　　风扇/压气机的主要研究目标是提高级压比，改善工作稳定性或适用性，避免高周疲劳，以及降低噪声。　　研究表明，在叶片表面吸气，可以延缓气流分离，从而提高级压比。　　从1993年开

3、始，美国空军科研局在麻省理工学院实施一项相关的叶轮机研究项目。1998年，这个项目又获得国防部预研局的资金，进行吸气风扇的大尺寸模型验证。麻省理工学院与NASA格林研究中心、普惠公司和联信公司合作，成功地发展了性能估算以及气动和应力分析方法，进行了吸气风扇的详细设计和试验。结果得出两个方案，一个是低速风扇，可以大大降低民用涡扇发动机的风扇噪声和重量；另一个是高速方案，可以在军用涡扇发动机上用一级风扇代替三级风扇。　　用1%～4%的吸气量，分别可获得1.6和3.5的压比。前者已经试验验证，后者已用三维粘性数值计算方法验算证实。该项

4、目的长远目标是用3排叶片达到30的总压比。如果把吸气风扇/压气机与对转技术结合起来，将在减少压缩系统的级数方面取得更大的好处。　　压气机主动稳定性控制　　流动控制在燃气涡轮发动机中的首批应用之一是主动压气机稳定性控制。这里，主要指在叶尖处喷射空气的流动控制，并在一个单级压气机模型上做了试验。通过在压气机前设置的静压传感器和空气喷嘴，对即将发生的失速和喘振进行闭合回路控制。　　在叶尖附近喷射空气的主动失速控制也已经在单转子涡喷发动机和双转子涡扇发动机上进行并取得了重要结果。经验证，用总流量的1.5%的喷射空气,至少可以降低压气机失

5、速裕度要求的50%。据仿真研究，采用主动稳定性控制后，发动机耗油率可降低3%，推力提高15%。　　主动间隙控制　　研究表明，利用"虚拟形状"可减小实际间隙。在机匣内壁开一系列空腔以产生"合成射流"，并采用叶片通过频率加以同步激励，就能产生一种"虚拟形状"来堵塞叶尖间隙，使实际间隙减小。　　美国麻省理工学院已经用E3发动机压气机转子叶片做了平面叶栅试验。试验结果表明，当间隙为弦长的3%时，叶尖间隙减少50%。　　高周疲劳抑制　　在过去25年中,军用涡轮发动机的高周疲劳(HCF)故障急剧增加。在1982～1996年间的美国空军发生的

6、与发动机有关的A级事故中，有56%由HCF引起。HCF有关的维修费用估计每年超过4亿美元。　　转子叶片的高周疲劳主要是由于上游静子叶片尾涡的强迫激励引起的。通过研究各种减小尾涡的流动控制方法，结论是在减弱粘性涡方面，尾缘吹气（TEB）比附面层吸除更有效。TEB是从涡源的尾缘喷射空气，以提高涡区的平均速度和降低扰动速度。在TEB方面，做过的平面叶栅试验表明，用总流量的1.4%的空气喷射时，转子叶片的应力降低多达90%。　　对一个有33个转子叶片的跨音速级进行的试验表明，在喷射空气量为总流量的0.8%的条件下，转子叶片的应力降低46

7、%～87%。　　此外，主动流动控制还可用于减小中介机匣的气流分离和风扇噪声。　　燃烧室　　低污染流动控制　　燃烧室设计主要要求是均匀的出口温度场和低的排气灌溉。当然，也要求在低的油气经下有高的稳定性。流动控制在这些方面都有用武之地。　　现代高温升燃烧室的主燃区通常被设计成富油，因此需要一股气流来燃烧剩余的燃油。从富油的主燃区向贫油的二次补燃区之间要经过一个化学恰当比的点，在这个点上的火焰温度最高，最容易产生NOx。加快油气混合能减少NOx的生成，但在低温下容易产生CO。随着温度升高，CO又化学反应生成CO2。因此，减弱混合是有利

8、的，这样可以增加在最高温度下的时间，但结果是生成较多的CO，这对污染和效率都有不利影响。因此，除了增强混合技术外，一般更希望能控制燃烧室混合。　　有关部门正在研究在主燃孔和掺混孔采用脉冲空气喷射的技术来增加射流深度并改变混合，对声学激励的脉冲空气喷射与受约束热流