流动控制技术在航空涡轮推进系统上的应用第16卷2003正第2期5月燃气涡轮试验与研究GasTurbineExperimentandResearchVo1.16NO.2May.2003摘要:介绍了主动流动控制在风扇/压气机,主燃烧室,涡轮和排气系统中的应用情况.阐明了流动控制在大幅度地提高发动机的性能,增加发动机的稳定性,减轻发动机的重量等方面的巨大潜力.同时指出分步实施流动控制的过程也就是应对其重大技术挑战的过程.关键词:航空发动机;流动控制技术;合成射流;主动控制;吸附式风扇;流体喷射喷管:V233.7文献标识码:A:1672—2620(2003)02—0001—06ApplicationofFlowControlTechnologyinAeroTurbinePropulsionSystemFANGChang—de(AviationIndustryDevelopmentResearchCenterofChina,Bei激ng100029)Abstract:Applicationofactiveflowcontrolinfan/compressor,combustor,turbineandexhaustsystemisintroducedinthispaper.Greatpotentialsofflowcontrolarepresentedinsignificantlyimprovingenginecapability,stabilityandreducingweight.Alsopresentedarethestepsofap—plyingthetechnology,whichwillbeagreatchallengetokeytechnologyimprovement.Keywords:aeroengine;flowcontroltechnology;syntheticjet;activecontrol;aspiratedfan;flu—idieietnozzle1引言流动控制的概念并不新,普朗特早在1904年就已经提出用吹/吸附面层来延缓气流分离的办法,并在超音速进气道中得到应用.本文所述流动控制定义为:用细小的流动变化(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)来改变一股比其大得多的流动的特性,如延缓分离,加强或减弱混合,建立”虚拟”形状,以及减少阻力等.在该定义中,有意地使其适用的范围足够广,以便不排除纯粹的被动流动控制.被动流动控制是在设计中就固定下来的,如机翼边条和涡流发生器;而主动流动控制则是在使用或工作过程中根据具体情况所采用的控制,如飞机前后缘襟翼和进气道附面层吸除[1].近年来,随着在材料,电子和微型传感器/作动器等方面进展的加快和人们对三维非定常流动机理了解的加深,已经为宏观和微观尺度流动特性的主动控制开辟了道路,产生了以微机电系统(MEMS)技术为基础[2],将气动热力学,材料,结构和控制多个学科结合起来的微观自适应流动控制技术——一种先进的主动流动控制技术.它可以应用于航空航天器,舰船和其他流体机械.合成射流作为主动流动控制中一种潜在的方法,已经引起了广泛的关注.合成射流是由面向主气流的底面封闭的空腔产生的,这种装置被称为合成射流作动器.采用压电,静电或电磁方法可使底面做上下运动.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.本文将对主动流动控制在航空燃气涡轮推进系收稿日期:2003—03?31;修回日期:2003—04—22作者简介:方昌德(1936?),男,江苏吴江人.研究员.一直从事情报研究工作.燃气涡轮试验与研究第16卷统各部件上的应用做介绍.2风扇/压气机吸附式风扇/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,低周疲劳,以及降低噪声.2.1吸附式风扇/压气机研究表明,在叶片表面吸气,可以延缓气流分离,提高扩散度,从而提高级压比.从1993年开始,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助,进行了吸附式风扇的大尺寸模型验证.麻省理工学院与NASA格林研究中心,普惠公司和联信发动机公司合作,成功地发展了性能估算以及气动和应力分析方法,进行了吸附式风扇的详细设计和试验.从而提出了两个设计方案:一个是低速风扇,可以大大降低民用涡扇发动机风扇的噪声和重量;另一个是高速风扇,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,可分别获得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进行了验算.长远目标是用3级压气机使总压比达到30.如果把吸附式风扇/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,如图1所示.图1对转吸附式发动机与现代发动机的比较Fig.1Comparisonofcounter-rotatingaspiratedeng...