阅读说明：本技术 基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法 (Turbine blade top active flow control method based on sweep frequency type ejector ) 是由 陈绍文 李伟航 孟庆鹤 王松涛 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法,包括以下步骤：获取涡轮内的三维流场结构以及各个涡系的作用频率；根据高性能涡轮的三维流动特征选取满足条件的扫频式射流器；建立叶栅内涡系结构频率与扫频式射流器频率之间的关联,分析非定常射流对涡轮叶栅内泄漏涡以及通道涡的作用规律及作用机理,以发出控制指令。该方法在涡轮机匣壁面适当的位置增加单个扫频射流器可以有效的控制叶顶泄漏流的通过,并且具有更大的控制范围,可以有效的减缓间隙泄漏涡的生成与发展,提高涡轮叶栅的气动性能,并且通过不同的扫频射流器入口压力实现不同的扫掠频率,进一步控制流场中主流流体的频率,使得整个流场更加有序。(The invention discloses a turbine blade top active flow control method based on a sweep frequency type ejector, which comprises the following steps of: acquiring a three-dimensional flow field structure in the turbine and the action frequency of each vortex system; selecting a sweep frequency type ejector meeting the conditions according to the three-dimensional flow characteristics of the high-performance turbine; and establishing the correlation between the structural frequency of the vortex system in the blade cascade and the frequency of the sweep-frequency ejector, and analyzing the action rule and the action mechanism of the unsteady jet flow on the leakage vortex and the channel vortex in the turbine blade cascade to send a control command. According to the method, the single frequency-sweeping ejector is added at a proper position on the wall surface of the turbine casing, so that the passing of the leakage flow at the blade top can be effectively controlled, the control range is wider, the generation and development of the clearance leakage vortex can be effectively slowed down, the aerodynamic performance of the turbine blade cascade is improved, different sweeping frequencies are realized through different inlet pressures of the frequency-sweeping ejectors, the frequency of the main flow in the flow field is further controlled, and the whole flow field is more orderly.)

基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法

技术领域

本发明涉及叶轮机械中涡轮叶顶的气体流动控制技术领域，特别涉及一种基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法。

背景技术

非定场的主动流动控制方法研究是航空航天研究的主要热点之一，并在内流领域中引起了广泛的关注，其中扫频式射流技术是非定常主动流动控制方法的一种。

近年来，扫频式射流器作为一种新的流动控制方式得到了广泛的研究。由于其具有高频率、高动量变化范围，尺寸可伸缩性等特性可以将稳定的气源以一定震荡频率喷射出去，此外扫频式射流器结构简单并且没有阀门和其他部件，近些年来已成功的用于控制机翼和风力叶片上的流动分离。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法，该方法可以减少间隙泄漏涡的尺度，降低涡轮动叶内的气动损失，提高涡轮级的气动性能。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法，包括以下步骤：获取涡轮内的三维流场结构以及各个涡系的作用频率；根据高性能涡轮的三维流动特征选取满足条件的扫频式射流器；建立叶栅内涡系结构频率与所述扫频式射流器频率之间的关联，分析非定常射流对涡轮叶栅内泄漏涡以及通道涡的作用规律及作用机理，以发出控制指令。

本发明实施例的基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法，将扫频式射流器作为一种非定场主动流动控制方法应用于涡轮动叶叶顶泄漏流动控制上，通过扫频式脉动射流器射出扫掠的高频高能流体来抑制间隙泄漏流的通过，减少间隙泄漏涡的尺度，降低涡轮动叶内的气动损失，提高涡轮级的气动性能；通过合理的射流扫掠频率与流场中的涡系相互配合可以实现涡轮内非定场涡系时间域的锁频，扫频式射流器其应用到高负荷涡轮中，在提高涡轮级气动性能的同时，可以有效的对端壁和叶顶进行气模冷却。

另外，根据本发明上述实施例的基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述满足条件为尺寸、扫掠频率和喷射位置均满足对应预设条件。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：在叶顶机匣不同的位置布置相应扫频式射流器，以使得不同扫频射流位置控制叶顶内不同区域的泄漏流体。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的扫频射流器工作原理示意图；

图2为根据本发明实施例的基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法的流程图；

图3为根据本发明实施例的几个扫频射流器的布置位置示意图；

图4为根据本发明实施例的增加扫频射流器后涡轮叶栅流动示意图；

图5为根据本发明实施例的扫频射流器控制涡轮叶顶泄漏流机理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：

相比于传统的定常主动流动控制手段，扫频式射流器对流场的影响范围更大，并且采用合理、恰当的非定场流动控制设计参数、可以将其控制效果大大优于定常流动控制。如图1所示，扫频式射流器的工作原理是当流体流入到扫频式射流器内部时，由于柯恩达效应的存在，流体总会附着在扫频式射流器内部两个柯恩达面中的一个。而相应的反馈通道中的流体从反馈通道中流出时会改变扫频式射流器内主流流体的流动方向，使得主流流体附着于另一个柯恩达面，如此往复的循环实现了扫频射出的目的。扫频式射流器通过一定的扫掠频率与流场中的流体进行相互作用实现了主动流动控制的目的。

本发明实施例针对涡轮动叶中的叶顶间隙泄漏引起的流动损失问题，将扫频射流器作为一种新的非定常主动流动控制技术引入到控制涡轮叶顶间隙流动问题的方法中。在涡轮机匣壁面适当的位置增加单个扫频射流器可以有效的控制叶顶泄漏流的通过，并且具有更大的控制范围，可以有效的减缓间隙泄漏涡的生成与发展，提高涡轮叶栅的气动性能。并且通过不同的扫频射流器入口压力实现不同的扫掠频率，进一步控制流场中主流流体的频率，使得整个流场更加有序。丰富了涡轮动叶中的主动流动控制方法，不仅能够为涡轮气动性能改善方向提供理论技术储备，并且具有使用的工程价值。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法。

图2是本发明一个实施例的基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法的流程图。

如图2所示，该基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法包括以下步骤：

在步骤S201中，获取涡轮内的三维流场结构以及各个涡系的作用频率。

可以理解的是，利用理论分析、数值仿真、实验测量等手段对高性能涡轮的流场进行初步的模拟和测量。获取该涡轮内详细的三维流场结构以及各个涡系的作用频率。

在步骤S202中，根据高性能涡轮的三维流动特征选取满足条件的扫频式射流器。

其中，在本发明的一个实施例中，满足条件为尺寸、扫掠频率和喷射位置均满足对应预设条件。

可以理解的是，本发明实施例的方法是一种将扫频式射流器作为一种非定常主动流动控制方法应用于涡轮机匣上控制叶顶间隙流动的射流技术，利用扫频式射流器射出的高能流体阻挡泄漏流的通过叶顶区域，并且相比于定常射流技术，扫频式射流器具有更大的扫掠范围，控制更多的泄漏流通过叶顶。

具体而言，本发明实施例根据高性能涡轮的三维流动特征，选取适当尺寸、扫掠频率、喷射位置的扫频式射流器，从而根据非定常流动控制的设计参数与实际流场结构的匹配关系及基本设计要求，建立一种综合考虑气动和传热特性的复杂三维流道内合理的扫频射流方案，改善流场中三维分离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：在叶顶机匣不同的位置布置相应扫频式射流器，以使得不同扫频射流位置控制叶顶内不同区域的泄漏流体。

可以理解的是，本发明实施例可以在叶顶机匣不同的位置布置扫频式射流器，如图3所示，不同扫频射流位置控制叶顶内不同区域的泄漏流体。

在步骤S203中，建立叶栅内涡系结构频率与扫频式射流器频率之间的关联，分析非定常射流对涡轮叶栅内泄漏涡以及通道涡的作用规律及作用机理，以发出控制指令。

可以理解的是，通过建立扫频式射流器参数与流场中涡系结构的非定常耦合关系，进一步提升涡轮叶栅的气动性能。其中，增加扫频射流器后涡轮叶栅流动示意图如图4所示，扫频射流器控制涡轮叶顶泄漏流机理示意图如图5所示。

具体而言，建立叶栅内涡系结构频率与扫频式射流器频率之间的关联，分析非定常射流对涡轮叶栅内泄漏涡以及通道涡等涡系的作用规律及作用机理，以便最大程度的通过非定常射流激励来控制叶栅的泄漏涡损失以及通道涡损失，提高涡轮的气动性能。

需要说明的是，本发明实施例应用于叶轮机械中涡轮叶顶的气体流动控制领域，具体涉及到亚音速、高亚音速、跨音速等涡轮叶顶流动控制中，考虑扫频式射流器对涡轮叶顶间隙内的流场控制效果。

综上，在高性能涡轮中，由叶顶间隙所带来的气动损失占据了涡轮整体损失的重要部分，而叶顶间隙引起的间隙泄漏涡和上通道涡的涡系相互耦合，进一步恶化叶尖流动，有必要引入全新高效的主动流动控制方法，对涡轮叶顶间隙内的流动进行流动控制，减少泄漏涡和通道涡等涡系结构的发展，提高涡轮的气动性能。本发明实施例将扫频射流器作为一种新的非定常主动流动控制技术引入到控制涡轮叶顶间隙流动中。在涡轮机匣壁面适当的位置增加单个扫频射流器可以有效的控制叶顶泄漏流的通过，并且具有更大的控制范围，可以有效的减缓间隙泄漏涡的生成与发展，提高涡轮叶栅的气动性能。并且通过不同的扫频射流器入口压力实现不同的扫掠频率，进一步控制流场中主流流体的频率，使得整个流场更加有序。

根据本发明实施例提出的基于扫频式射流器的涡轮叶顶主动流动控制方法，将扫频式射流器作为一种非定场主动流动控制方法应用于涡轮动叶叶顶泄漏流动控制上，通过扫频式脉动射流器射出扫掠的高频高能流体来抑制间隙泄漏流的通过，减少间隙泄漏涡的尺度，降低涡轮动叶内的气动损失，提高涡轮级的气动性能；通过合理的射流扫掠频率与流场中的涡系相互配合可以实现涡轮内非定场涡系时间域的锁频，扫频式射流器其应用到高负荷涡轮中，在提高涡轮级气动性能的同时，可以有效的对端壁和叶顶进行气模冷却。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。