等离子体流动控制及其在压气机中的应用研究

作     者：杨凌元 

作者单位：中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 

学位级别：硕士

导师姓名：朱俊强;李钢

授予年度：2013年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：等离子体流动控制 介质阻挡放电 低速轴流压气机 流动失稳 失速裕度 叶顶泄漏流 简化模型 

摘      要：随着航空发动机各项性能指标的日益提高,作为核心部件之一的压气机也向着高压比、高效率及宽稳定工作范围的方向发展。近年来,随着对压气机叶顶间隙泄漏流动的深入认识,研究者认为合理组织叶顶间隙泄漏流动对于拓宽压气机的稳定工作范围,提高航空发动机的性能和可靠性都具有十分重要的意义。传统的流动控制手段,如机匣处理、微喷气等,虽然对合理控制泄漏流动有着明显的作用,但都会带来附加的损失,而且给加工带来难度,等离子体流动控制采用等离子体激励器,该控制方法结构简单、响应迅速且激励频带宽,目前已经成为内流主动流动控制技术领域的新热点。 本文利用介质阻挡放电产生的等离子体激励,抑制叶顶间隙泄漏流动的发展,推迟压气机失速的发生,以达到提高压升的前提下扩大压气机稳定工作范围的目的。首先,本文基于文献[23]和文献[31]推导了两种表征气流场中等离子体激励作用的简化模型,结合商业软件Fluent,建立了等离子体激励作用于气体流场的数值计算方法,分析了等离子体激励对平板附面层及压气机叶顶间隙泄漏流动的影响;其次,本文设计并完善了等离子体激励器处理机匣,借助低速轴流压气机试验台,实验研究了等离子体激励器中激励电源的定常与非定常、激励器的敷设方式及位置、激励电压及激励频率等关键参数在不同转速下对压气机稳定工作范围的影响。主要结论如下： 1.等离子体流动控制对平板附面层的作用效果随着激励电压幅值、激励频率、最大电荷密度的增大而显著增强;并且发现等离子体的诱导作用是产生由裸露电极指向掩埋电极的射流,最大诱导速度出现在裸露电极尾缘处,这为后续进行的等离子体激励在压气机扩稳上的应用提供了敷设位置的有效参考;2.对等离子体流动控制压气机叶顶间隙泄漏流动的数值模拟发现,等离子体激励的加入为叶顶通道注入了能量,缓解了叶顶区域的堵塞;同时在维持扩稳效果一定的情况下,不同的压气机转速则对应着不同的等离子体激励电压;3.将等离子体激励器敷设于压气机机匣内壁上,压气机失速裕度增大,压升系数提高,并且这种扩稳效果随等离子体激励参数的不同而发生变化,另外压气机转速的改变对等离子体流动控制的扩稳效果也有着显著的影响。