等离子体激励器用于威尔斯涡轮机失速控制的实验研究

一、 主要作者、研究机构及发表信息 本研究由以色列理工学院（Technion–Israel Institute of Technology）的 David Greenblatt（通讯作者）、Omer Pfeffermann、David Keisar 与德国 Electrofluidsystems 公司的 Berkant Göksel 合作完成。研究成果以论文形式《Wells Turbine Stall Control Using Plasma Actuators》发表于 AIAA Journal 期刊，刊载于 2021 年 3 月，第 59 卷第 3 期，第 765-772 页。DOI：10.²⁵¹⁴⁄₁.J060278。

二、 研究的学术背景与研究目的 本研究属于流体力学与流动控制领域，具体聚焦于涡轮机械（尤其是轴流式涡轮机）的失速控制问题，并探索了一种新型主动流动控制技术在可再生能源设备上的应用潜力。

• 研究背景：

  • 威尔斯涡轮机（Wells Turbine）的困境：威尔斯涡轮机是振荡水柱（Oscillating Water Column, OWC）式波浪能发电装置的核心能量转换部件。其固有特点是结构简单，无需整流阀门即可将交变气流转换为单一方向的旋转运动（自整流）。然而，其性能受到严重失速问题的限制。在振荡气流中，叶片的有效攻角会在非常大的正负值之间变化，导致固定转速和固定几何形状的叶轮在非设计工况下（尤其是大攻角时）发生深度失速。这造成峰值功率大幅下降、运行带宽显著减小、噪音和机械振动加剧，使得实际安装机组的峰值效率（约35%）远低于实验室理想条件下的效率（约65%）。为了缓解失速，研究者提出了多种方案，如进口导叶、变桨距叶片、气流控制等，但各有其局限性。
  • 等离子体流动控制技术（Plasma Flow Control）：介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）等离子体激励器是一种无运动部件的主动流动控制装置。通过在绝缘体表面施加高压交变电场，使周围空气电离产生离子风（或诱导流动），从而对边界层施加可控的动量。当以脉冲调制模式运行，且脉冲频率与流场特征频率（无量纲约化频率 (f^+ \approx O(1))）相匹配时，激励器能有效激发分离剪切层的不稳定性，产生一系列展向涡，将高动量流体输送到壁面附近，从而抑制或延迟流动分离，显著提升翼型等部件在大攻角下的气动性能。由于其功耗低（低占空比下功率消耗与占空比成正比）、响应快、结构简单，被视为一种极具潜力的流动控制技术。

• 研究目的：本文的主要目标是首次通过实验，论证在威尔斯涡轮机叶轮叶片上应用脉冲DBD等离子体激励器，通过直接控制前缘流动分离来提升涡轮机性能的可行性。研究旨在探索在威尔斯涡轮机这种攻角变化范围极大、流场极其复杂的旋转机械中，等离子体激励控制分离的有效性及潜在工程价值。

三、 研究的详细工作流程 本研究是一个实验性的概念验证研究，主要包括实验装置设计构建、激励器标定、实验过程与数据采集分析几个核心环节。

1. 实验装置与叶轮设计：

   • 实验设施：构建了一个由透明亚克力管（内径490mm）构成的直流道实验系统。上游为钟形收缩入口，下游连接一台1.5kW的抽吸风机，以产生稳定的轴向气流。通过标定风机性能曲线（(p_s = 111Q - 339)），并结合质量守恒，计算得到叶轮上游的轴向流速 (U_x)。
   • 叶轮模型：叶轮包含6片对称的NACA 0015翼型叶片，弦长 (c = 100mm)，展长 (b = 140mm)。叶片通过3D打印（ABS材料）制造，并以90°安装角径向安装在轮毂上。轮毂直径200mm，叶尖半径 (r_t = 0.24m)，轮毂半径 (r_h = 0.1m)，半径比 (\zeta = r_t/r_h = 2.4)。每个叶片前缘均设计有凹槽，以便在不改变原始翼型几何形状的前提下粘贴激励器。
   • 测量系统：
     • 测功计：定制设计，包括扭矩传感器（Kistler 4502 a）和磁滞制动器（Magtrol HB-140），用于测量和施加叶轮轴扭矩 (T)。
     • 转速传感器：光学频率传感器，测量叶轮旋转角速度 (\omega)。
     • 功率计算：涡轮输出功率 (P_{out} = T\omega)。
   • 等离子体激励系统：
     • 激励器设计：每个叶片前缘安装一个DBD等离子体激励器。激励器由一层20μm厚的埋入式铜电极、一层300μm厚的透明硅橡胶介电层和一层10μm厚的裸露铜电极组成。硅橡胶因其抗氧化性和良好的耐候性被选为介电材料。
     • 驱动与供电：所有激励器由一个改进的Minipuls 2高压发生器（GBS Elektronik GmbH）并联驱动。发生器由恒压直流电源（20-35V）供电。通过监测驱动电流 (I) 计算输入等离子体激励器的总功率 (P{in} = V{dc} I)。
     • 高压传输：为了解决旋转叶轮的高压电信号输入问题，研究使用了两个滑环（上游端部型，下游贯穿孔型）将高压信号传输至旋转的叶轮上。
     • 运行参数：激励器在电离频率 (f_{ion} = 11,900 Hz) 下工作，并进行脉冲调制，调制频率 (f_p) 在10 Hz到1000 Hz之间扫描，占空比（Duty Cycle）在1.5%到10%之间。目的是覆盖从 (O(0.1)) 到 (O(10)) 两个数量级的约化频率 (f_t^+) 范围。

2. 激励器标定：根据文献[18]描述的方法，对激励器在100%占空比下的推力 (Fp)（单位：N/m）进行了标定。得到了两个经验关系式：推力与施加电压均方根值 (V{rms}) 的关系（(Fp \propto V{rms}^{3.88})），以及推力与输入电功率 (P_{in}) 的关系（(Fp \propto \ln(P{in}))）。这些标定数据用于计算动量系数 (C_{\mu})，并估算实验中激励器消耗的实际功率。

3. 实验流程与数据分析方法：

   • 工况设定：实验开始时，将抽吸风机设定在1500 rpm，让叶轮自行加速至稳态转速（通常为240-260 rpm）。此状态下，叶轮处于深度失速（Massive Stall） 状态，叶尖攻角 (\alpha_t \approx 50^\circ)，流量系数 (\phi \approx 1.3)。此时叶轮产生的扭矩仅能平衡系统（滑环、轴承、未通电制动器）的摩擦扭矩，无法进一步加速。
   • 控制实验：在稳定的深度失速基础上，启动脉冲等离子体激励。实验分为两部分：
     • 名义空载性能：不施加外部机械负载（制动器不通电），仅依靠等离子体激励观察叶轮的动态响应。在多个脉冲频率下（如 (f_p = 60, 100, 200, 500, 900 Hz)）进行实验，记录叶轮转速 (\omega)、系统压降（用于反推流量 (Q) 和 (U_x)）随时间的变化。当叶轮加速至500 rpm（为避免超设计转速）时，停止激励，观察叶轮减速过程。
     • 负载性能：在等离子体激励使叶轮加速后，施加磁滞制动器负载，试图将叶轮稳定在某一转速（低于设计上限1200 rpm），并测量此时的输出扭矩和功率。记录叶轮在负载下的加速、减速过程，并在激励停止后观察其响应。
   • 数据处理与参数计算：基于测量的转速 (\omega)、扭矩 (T)、以及由压降计算的轴向速度 (U_x)，计算以下关键性能与流场参数：
     • 涡轮输出功率 (P_{out} = T\omega)。
     • 流量系数 (\phi = U_x / (\omega r_t))。
     • 沿叶片展向不同半径处的相对速度 (W®) 和攻角 (\alpha®) [基于公式(1)和(2)]。
     • 叶尖和轮毂处的约化频率 (f_t^+) 和 (f_h^+) [基于公式(4)和(5)]。
     • 功率输出输入比 (P{out}/P{in})。
   • 逻辑衔接：实验首先在空载下验证了等离子体激励能够“唤醒”并加速深度失速的叶轮。在此基础上，进一步通过负载实验，量化在控制作用下涡轮机能够输出的净功率，并与激励输入功率对比，评估技术的能量效益。

四、 研究的主要结果 实验结果非常显著，证明了等离子体激励对控制威尔斯涡轮机失速、提升其性能的有效性。

1. 名义空载下的性能提升：

   • 显著加速效应：在深度失速状态下（初始 (\alpha_t > 50^\circ)），启动脉冲等离子体激励后，叶轮转速开始上升。在较低的脉冲频率（(f_p = 60, 100 Hz)，对应 (f_t^+ \approx 0.6, 1.0)）下，转速提升了20-30 rpm。在更高的频率（(f_p = 200, 500, 900 Hz)，对应 (f_t^+ \geq 2.0)）下，叶轮不仅加速，而且加速度 (d\omega/dt) 也在增加。这说明激励在更宽的约化频率范围内都有效，且在较高频率下效果更持续、更强。
   • 可逆性与因果关系证明：当激励脉冲在叶轮达到500 rpm时被终止，叶轮迅速减速，回到接近初始的无控制状态转速。这一“开关”效应强有力地证明了叶轮的加速是由等离子体激励直接引起的。
   • 初步功率平衡：以 (fp = 200 Hz) 为例，在叶轮从250 rpm加速到500 rpm的过程中，激励器输入功率 (P{in}) 计算为2.5 W。而叶轮克服系统摩擦（仅滑环摩擦估算至少2.5 W，未计轴承和制动器残余摩擦）所需的额外功率超过了2.5 W。这意味着，在加速过程中，等离子体激励产生的净功率增益已经达到了盈亏平衡点。由于实验在加速过程中终止了激励，实际可获得的功率增益潜力更大。

2. 负载下的性能与能量效益：

   • 可控运行与高功率输出：在负载实验中，首先让等离子体激励（(f_p = 200 Hz)）驱动叶轮加速。当转速接近500 rpm时，逐步加载制动器。即使在高达约700 N·mm的扭矩负载下，叶轮仍能维持较高转速。在激励作用下，涡轮峰值净轴输出功率达到72 W。
   • 惊人的功率增益比：此时，激励器的输入功率 (P{in}) 仍为2.5 W。因此，**功率输出输入比 (P{out}/P_{in} \approx 29)**。这是一个极其显著的能量效益，表明等离子体控制能以极小的能量输入，换取巨大的气动性能改善和功率输出提升。
   • 激励停止的直接影响：在负载状态下，当激励在204秒被终止时（见图8小图），叶轮立即并迅速减速直至停止。这再次确凿地证明了是等离子体激励在驱动和控制着涡轮的运行。
   • 流场参数变化：分析负载实验过程（图9，图10）显示，随着叶轮加速，叶尖和轮毂攻角 (\alpha_t, \alpha_h) 均显著下降（如从初始的约72°/51°降至约15°/32°），流量系数 (\phi) 也从约1.3降至0.27。同时，叶尖约化频率 (f_t^+) 下降，而轮毂约化频率 (f_h^+) 保持相对稳定，导致两者比值从约1.3增大到2.1。关键发现在于：尽管攻角和约化频率在叶片展向（空间）和随时间（叶轮加速）上都存在巨大变化，等离子体脉冲激励仍然能有效地控制分离。这暗示着，在叶片各个径向位置，激励可能以类似二维翼型的方式作用于分离剪切层，且径向流速分量（计算和文献表明有效偏航角β ≤ 16°）的影响可能是次要的。

五、 研究结论与意义 本研究成功论证了在威尔斯涡轮机叶片上应用脉冲等离子体激励器，通过流动分离控制来显著提升其性能的可行性。

• 主要科学结论：

  1. 控制极端失速：首次在威尔斯涡轮机叶片上，于极端深度失速条件（叶尖攻角 > 50°）下，通过等离子体脉冲扰动实现了对流动分离的有效控制，导致了叶轮的“自旋启动”和加速。这是前所未有的发现。
  2. 高效能量转换：在负载条件下，等离子体激励使涡轮机能够输出远高于激励输入功率的机械功，功率增益比接近30。这清晰地证明了该控制方法在能量效率上的巨大潜力。
  3. 机理假设：基于空气动力学中关于翼型分离控制的知识（如图11, 12所示的烟线流场显示，在 (f^+ \approx 0.5-2) 范围内能有效产生展向涡并再附流动），研究者假设，在静止翼型和机翼上观察到的剪切层激励机制，同样作用于旋转的叶轮叶片上。尽管叶片各处的攻角和约化频率不同，但该机制仍然有效。

• 工程应用价值与前景：

  • 变革性技术潜力：研究结论明确指出，脉冲DBD等离子体激励器应用于威尔斯涡轮机叶片，是一种具有潜在变革性的技术。它可以解决OWC波能转换装置长期存在的效率低下和运行带宽窄的核心问题。
  • 技术挑战与解决方案展望：论文探讨了实际应用中需克服的挑战，并提出了解决思路：
    • 双向流动：针对OWC中气流方向周期性反转的问题，提出了在叶片两侧前缘均布置激励器，或使用高压继电器交替接地一侧电极的方案。
    • 迟滞效应：研究表明周期性脉冲激励有望消除叶片性能的迟滞现象。
    • 尺寸与功率缩放：针对实际涡轮机更大的尺寸和流速（雷诺数更高），需按比例增加激励器推力和调整脉冲频率。可采用音频放大器/变压器组合或滑动放电等离子体激励器来获得更高的推力。
    • 环境适应性：针对海水环境，建议使用耐腐蚀材料（如含钼316不锈钢作为裸露电极，PVC或PET作为介电材料）。
  • 更广泛的应用前景：该技术不仅限于威尔斯涡轮机，也显示出应用于其他轴流式涡轮机械（如高空无人机低压涡轮、轴流风机和压缩机）分离控制领域的巨大潜力。

六、 研究的亮点 1. 研究对象新颖：首次将主动流动控制技术（DBD等离子体激励）应用于威尔斯涡轮机这一独特的、受严重失速问题困扰的波能转换设备上。 2. 极端工况下的有效性：实验在极端深度失速条件（攻角超过50°）下取得了成功，这大大扩展了已知的等离子体分离控制有效攻角范围。 3. 显著的性能提升与能量正收益：研究不仅展示了控制效果（叶轮加速），更在负载实验中量化出了高达近30倍的功率净增益，为技术的工程应用价值提供了强有力的数据支撑。 4. 精巧的实验设计与概念验证：研究通过设计“开关”实验（启停激励）和负载实验，清晰、有力地证明了性能改善与等离子体激励之间的因果关系，并成功测量了能量效益。 5. 对复杂三维旋转流场中控制机理的深入探讨：研究没有停留在现象描述，而是深入分析了在叶片展向和时变条件下，攻角与约化频率的巨大变化，并基于二维翼型控制的知识，对激励机制在三维旋转叶片上的有效性提出了合理的假设，体现了研究的深度。

七、 其他有价值的内容 研究还包含了详尽的无量纲参数推导（第II节），为将适用于二维翼型的动量系数 (C_{\mu}) 和约化频率 (f^+) 的缩放律，推广到威尔斯涡轮机这种旋转机械中提供了理论框架。这对未来在不同尺寸和工况的涡轮机上应用和优化等离子体控制参数具有重要指导意义。