自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28883

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究

张健¹, 张敏²^,³^,⁴^,⁵, 杜娟²^,³^,⁴^,⁵(), 黄伟亮⁶, 聂超群²^,³^,⁴^,⁵

^1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 100096
^2.中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室，北京 100190
^3.中国科学院先进能源动力重点实验室，北京 100190
^4.中国科学院轻型动力创新研究院，北京 100190
^5.中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
^6.江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013

收稿日期:2023-04-18 修回日期:2023-05-12 接受日期:2023-06-07 出版日期:2023-11-25 发布日期:2023-06-16
通讯作者: 杜娟 E-mail:dujuan@iet.cn
基金资助:
国家科技重大专项(2017-II-0004-0017);中国科学院战略性先导科技专项(XDA29050000)

Experimental investigation into adaptive Coanda jet control in highly loaded compressor

Jian ZHANG¹, Min ZHANG²^,³^,⁴^,⁵, Juan DU²^,³^,⁴^,⁵(), Weiliang HUANG⁶, Chaoqun NIE²^,³^,⁴^,⁵

^1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 100096，China
^2.Advanced Gas Turbine Laboratory，Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^3.Key Laboratory of Advanced Energy and Power，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^4.Innovation Academy for Light-Duty Gas Turbine，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^5.School of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^6.School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China

Received:2023-04-18 Revised:2023-05-12 Accepted:2023-06-07 Online:2023-11-25 Published:2023-06-16
Contact: Juan DU E-mail:dujuan@iet.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project(2017-II-0004-0017);Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA29050000)

摘要/Abstract

摘要：

未来航空发动机的发展要求其压缩系统级负荷不断增大，由此将使得压气机内部出现较强的角区分离、附面层流动分离等二次流。提出了一种新型的自适应康达喷气流动控制（ACJC）方法，更加智能且高效地抑制压气机内部流动分离并提升压气机的扩压能力，进而拓宽高负荷压气机稳定、高效运行范围。为构建自适应康达喷气流动控制系统并在高负荷压气机上验证其控制效果，首先，选取了扩压因子为0.66的压气机静叶叶栅为研究对象，并优化设计了单缝康达喷气静叶叶栅；然后，基于数值计算结果采用方差分析法、主成分分析法和神经网络算法建立了单缝康达喷气静叶叶栅来流攻角预测模型和最佳喷气量预测模型；最后，搭建了基于自适应康达喷气流动控制系统的试验平台，验证了其对高负荷叶栅流动分离控制的有效性和准确性。试验结果表明：在不同攻角和不同来流马赫数条件下，自适应康达喷气流动控制系统能够实时准确地预测来流攻角，并瞬间做出喷气量实时调节与反馈。此外，在5°来流攻角下，当来流马赫数为0.4、0.5和0.6时，相比于无康达喷气叶栅，康达喷气的引入使得总压损失系数分别降低了11.5%、9.8%和8.0%。

关键词: 航空发动机, 高负荷压气机, 自适应康达喷气, 流动控制, 总压损失

Abstract:

Future development of aeroengines requires continuous increase in the compressor stage load， which will result in strong secondary flows such as corner separation and boundary layer flow separation in the compressor. In this paper， a new Adaptive Coanda Jet Control （ACJC） technology is proposed to intelligently and efficiently restrain the flow separation in the compressor and improve the diffusion capacity of the compressor， and the stable and efficient operation range of the highly loaded compressor is dramatically broadened. To construct the ACJC system and verify its control effect in a highly loaded compressor， we first employ a highly loaded compressor stator cascade constructed based on the Zierke & Deutsch airfoil to investigate the ACJC system， with the diffusion factor of 0.66 at the design point. Then， the variance analysis method， principal component analysis method and neural network algorithm are adopted to establish the incidence angle prediction model and the optimal injection mass flow rate prediction model of the Coanda jet flap. Finally， an experimental platform based on the ACJC system is built to verify the effectiveness and accuracy of flow separation control for the highly loaded cascade. The experimental results indicate that the ACJC system can accurately predict the incidence angle and adjust the Coanda jet mass flow rate in real time at different incidence angles and different incoming Mach numbers. In addition， compared to the cascade without the ACJC system at the incidence angel of 5°， the total pressure loss coefficient is reduced by 11.5%， 9.8% and 8.0% for incoming Mach numbers of 0.4， 0.5 and 0.6， respectively.

Key words: aeroengine, highly loaded compressor, adaptive Coanda jet, flow control, total pressure loss

中图分类号:

V231.3

张健, 张敏, 杜娟, 黄伟亮, 聂超群. 自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究[J]. 航空学报, 2023, 44(22): 128883-128883.

Jian ZHANG, Min ZHANG, Juan DU, Weiliang HUANG, Chaoqun NIE. Experimental investigation into adaptive Coanda jet control in highly loaded compressor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(22): 128883-128883.

图/表 19

表 1

图 1

图2

图3

图 4

图 5

图 6

图 7

表2

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

参考文献 24

1	ZHENG X Q， LI Z H. Blade-end treatment to improve the performance of axial compressors： An overview［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2017， 88： 1-14.
2	LU H W， YANG Y， GUO S， et al. Control of corner separation via dimpled surface for a highly loaded compressor cascade under different inlet Mach number［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 85： 48-60.
3	张健，杜娟，陈泽，等. 高负荷压气机叶栅流动分离的主动控制方法综述［J］. 工程热物理学报， 2022， 43（5）： 1190-1202.
	ZHANG J， DU J， CHEN Z， et al. Active flow control concepts of secondary flow on a highly loaded compressor cascade［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2022， 43（5）： 1190-1202 （in Chinese）.
4	DU J， LI Y W， LI Z H， et al. Performance enhancement of industrial high loaded gas compressor using Coanda jet flap［J］. Energy， 2019， 172： 618-629.
5	PENDAR M R， PÁSCOA J C. Numerical investigation of plasma actuator effects on flow control over a three-dimensional airfoil with a sinusoidal leading edge［J］. Journal of Fluids Engineering， 2022， 144（8）： 081208.
6	FIETZKE B， MIHALYOVICS J， KING R， et al. Binary repetitive model predictive active flow control applied to an annular compressor stator cascade with periodic disturbances［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2022， 144（1）： 011029.
7	张博涛，刘波，王何建. 端壁抽吸控制下攻角对压气机叶栅叶尖泄漏流动的影响［J］. 航空动力学报， 2020， 35（11）： 2400-2412.
	ZHANG B T， LIU B， WANG H J. Impact of incidence angle on tip leakage flow control by endwall suction in a compressor cascade［J］. Journal of Aerospace Power， 2020， 35（11）： 2400-2412 （in Chinese）.
8	李铮，徐聪，张健，等. 等离子体合成射流激励器高速流场逆向喷流控制［J］. 航空学报， 2022， 43（S2）： 228-235.
	LI Z， XU C， ZHANG J， et al. Reverse jet flow control by plasma synthetic jet actuator in high speed flow field［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（S2）： 228-235 （in Chinese）.
9	MACK M， NIEHUIS R， FIALA A， et al. Boundary layer control on a low pressure turbine blade by means of pulsed blowing［J］. Journal of Turbomachinery， 2013， 135（5）： 051023.
10	叶志贤，方元祺，邹建锋，等. 合成射流激励器流场PIV实验及模态分析［J］. 推进技术， 2021， 42（2）： 258-271.
	YE Z X， FANG Y Q， ZOU J F， et al. Synthetic jet actuator PIV experiments and modal analysis［J］. Journal of Propulsion Technology， 2021， 42（2）： 258-271 （in Chinese）.
11	HOU Z S， XIONG S S. On model-free adaptive control and its stability analysis［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2019， 64（11）： 4555-4569.
12	BECKER R， KING R， PETZ R， et al. Adaptive closed-loop separation control on a high-lift configuration using extremum seeking［J］. AIAA Journal， 2007， 45（6）： 1382-1392.
13	OLIVETT A， CORRAO P， KARAMI M A. Flow control and separation delay in morphing wing aircraft using traveling wave actuation［J］. Smart Materials and Structures， 2021， 30（2）： 025028.
14	BESELT C， ECK M， PEITSCH D. Three-dimensional flow field in highly loaded compressor cascade［J］. Journal of Turbomachinery， 2014， 136（10）： 101007.
15	NGUYEN N T， BRIGHT M M， CULLEY D. Adaptive feedback optimal control of flow separation on stators by air injection［J］. AIAA Journal， 2007， 45（6）： 1393-1405.
16	STAATS M， NITSCHE W， STEINBERG S J， et al. Closed-loop active flow control of a non-steady flow field in a highly-loaded compressor cascade［J］. CEAS Aeronautical Journal， 2017， 8（1）： 197-208.
17	LANDSBERG T J， KRASNOFF E. An experimental study of rectilinear jet-flap cascades［J］. Journal of Basic Engineering， 1972， 94（1）： 97-104.
18	FISCHER S， SAATHOFF H， RADESPIEL R. Two-dimensional RANS simulations of the flow through a compressor cascade with jet flaps［J］. Aerospace Science and Technology， 2008， 12（8）： 618-626.
19	VORREITER A， FISCHER S， SAATHOFF H， et al. Numerical investigations of the efficiency of circulation control in a compressor stator［J］. Journal of Turbomachinery， 2012， 134（2）： 021012.
20	ZHANG J， DU J， ZHANG M， et al. Aerodynamic performance improvement of a highly loaded compressor airfoil with coanda jet flap［J］. Journal of Thermal Science， 2022， 31（1）： 151-162.
21	DEUTSCH S， ZIERKE W C. The measurement of boundary layers on a compressor blade in cascade： Part 1—A unique experimental facility［J］. Journal of Turbomachinery， 1987， 109（4）： 520-526.
22	FISCHER S， SAATHOFF H， RADESPIEL R. Numerical and experimental investigation on a low-speed compressor cascade with circulation control［C］∥Proceedings of ASME Turbo Expo 2008： Power for Land， Sea， and Air. New York： ASME， 2009： 219-228.
23	王心毅. 康达喷气叶栅流动分离机理及喷气量控制方法研究［D］. 北京：北京科技大学， 2020.
	WANG X Y. Research on the Coanda jet cascade flow separation mechanism and jet volume control method［D］. Beijing： University of Science and Technology Beijing， 2020 （in Chinese）.
24	李艺雯. 康达喷气叶型设计方法及其在高负荷压气机中的应用研究［D］. 北京：中国科学院大学， 2018.
	LI Y W. Design method of Coanda jet blade profile and its application in high load compressor［D］.Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2018 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
栅距/mm	37.7
弦长/mm	80.8
展弦比	1.61
安装角/（°）	20.5
弯角/（°）	65
进口几何角/（°）	53
出口几何角/（°）	-12

参数	数值
马赫数	≤1.0
进口气流角/（°）	20~90
总压波动范围/%	±0.3
气流角波动范围/（°）	±0.3
进口湍流度/%	5
稳态压力测量精度/%	±0.05

[1]	王畅, 何龙, 徐栋霞, 唐敏, 马率, 吴希明. 共轴刚性旋翼桨毂流动控制减阻研究[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529084-529084.
[2]	尹泽勇, 李概奇, 石建成, 银越千. 先进通用核心机派生发展的理念、方法及实践[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 29713-029713.
[3]	谢玮, 罗振兵, 周岩, 刘强, 吴建军, 董昊. 高超声速双楔激波干扰定常射流控制试验研究[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 128813-128813.
[4]	李广佳, 王红波, 张凯, 仪志胜. 临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529644-529644.
[5]	黄维娜, 黎方娟, 祁宏斌. 航空发动机数字工程初步研究与发展思考[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529693-529693.
[6]	齐国宁, 吴宝海, 符江锋. 高速高压燃油齿轮泵典型卸荷槽对比分析[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529666-529666.
[7]	陈立芳, 孙亚冰, 周书华, 高强, 乔保栋, 李栋. 基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 628321-628321.
[8]	马瑞贤, 王鑫, 王开明, 李斌, 廖明夫, 王四季. 航空发动机篦齿⁃橡胶涂层机匣碰摩实验[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 628350-628350.
[9]	胡明辉, 高金吉, 江志农, 王维民, 邹利民, 周涛, 凡云峰, 王越, 冯家欣, 李晨阳. 航空发动机振动监测与故障诊断技术研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 630194-630194.
[10]	肖袁, 冯坤, 胡明辉, 江志农. 航空发动机转子非稳态振动分量提取方法[J]. 航空学报, 2024, 45(3): 228158-228158.
[11]	张超, 曹勇, 赵振强, 张海洋, 孙建波, 王志华, 蔚夺魁. 树脂基复合材料在民用航空发动机中的应用与关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 28556-028556.
[12]	胡应交, 徐峰, 杨志军. 航空发动机整机防结冰试验能力综述[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729449-729449.
[13]	高世琦, 丁博, 解旭祯, 李铮, 陈林, 钱首元, 焦子涵, 白光辉. 等离子体激励在高速流动中的减阻机制[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729373-729373.
[14]	王旺, 饶彩燕, 徐聪, 李思怡, 段毅, 张健. 激光能量沉积对超声速进气道流动的控制效果[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729424-729424.
[15]	郑新前, 王钧莹, 黄维娜, 伏宇, 程荣辉, 熊洪洋. 航空发动机不确定性设计体系探讨[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 27099-027099.

自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究

Experimental investigation into adaptive Coanda jet control in highly loaded compressor

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 19

参考文献 24

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价