航空燃气涡轮发动机喘振问题分析(2)

航空燃气涡轮发动机喘振问题分析

设计值，即Ca = Ca≈

0

，

气

设，这时相对速度方向与叶片前缘方向基本一致，冲角接近于零，i

流基本不分离，如图-1a所示。

图-1a

当流量系数大于设计值（如转速一定，轴向速度增大），即Ca > Ca

设 时，相对速度方向变平，冲

角减小，i < 0 ，如图-1b所示。此时，气流撞击叶背，如果负冲角较大，气流就会在叶盆发生分离。不过，由于气流具有惯性，当流过弯曲叶片通道时，总

有压向叶盆的趋势，因此，气流分离不容易扩大。但是，若流量系数过大，相对速度的方向就会变得过平，负冲角过大，进气的实际面积F1增加较大，此时叶盆的分离区就 要扩大，从而占去一部分通道面积，可能使通道变成 图-1b 收敛形，出现F最小，如-2所示。

图-2

当出现F1 > F最小时，空气就如同流过涡轮叶片一样，气体不但没有受过压缩，反而膨胀了，因此，这种状态叫做涡轮状态。如果气流在通道中膨胀加速得很厉害，在F最小处的气流速度就可能扩大到音速，这时通过叶栅的流量是不可能用增大气流速度的办法来达到，这种工作状态就称为堵塞状态。

当流量系数小于设计值（如转速一定，轴向速度减小），即Ca < Ca

设 时相对速度方向变陡，冲角增

大，i > 0，如图-1c所示。此时，气流撞击叶盆，如果正冲角过大，则会在叶背分离。由于气流的惯性，在流过弯曲的叶片通道时，本来就有脱离叶背的趋

势，再加上冲角加大，使扭速ΔWu增大，即压气机功增 图-1c

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大，叶栅前后压力差增大，所以气流更容易分离，而且

极易扩大。

总之，在压气机中，当流量系数小于设计值时，气流就会出现分离而且极易扩大；当流量系数大于设计值时，叶片通道又可能出现涡轮状态或堵塞状态。而气流之所以会出现分离，就其实质而言，在于叶片通道的扩散性。就是说，气体是有黏性的，当气流流过压气机叶片时，在叶片表面形成附面层，由于压气机内沿轴向的压力是提高的，在逆压差作用下附面层就与叶片表面分离。 3.喘振的形成

如上所述，当流量系数小于设计值时，气流容易分离，且分离区容易迅速扩大，如果这种现象只发生在压气机一级中的少数叶片通道内，那只会使气流的流动损失增大，不至于破坏整台压气机的正常工作。但是，随着Ca继续减小，失速分离就要向径向和轴向发展，失速分离发展到一定程度时，整台压气机通道就会出现堵塞，气流瞬时增大。由于后面的高压气体在逆压差的作用下，始终有一种回冲的趋势时，当气流因严重分离后，总会损失很大，向后流动的动能不足以克服气流回冲的趋势时，气体就要倒流。这一倒流的结果就减小了压气机前后的压差，气流在叶轮的推动下，又向后流动。此时，由于进口Ca仍很小，失速分离仍很严重，通道再次堵塞，气流又瞬时中断。这样，在压气机的工作过程中，就出现了流动、分离、中断，然后再流动、再分离、再中断的周期性的气流沿轴向来回震荡（通常叫做纵向振荡）的现象。这种气流脉动现象，使空气流量时大时小，压力忽高忽低，压气机的稳定工作遭到破坏，更严重时甚至出现

倒流。 4.压气机流量特性曲线

为了直观地分析压气机的性能,我们通过地面实验将压气机∏k随发动机转速n和空气流量的变化绘制在图上,即得到压气机流量特性曲线。由于在发动机实际工作中，在一定的大气条件及发动机转速下，进入发动机的空气流量是唯一的，所以在转速线上必然对应一个发动机的稳定工作点（如A点），将各等转速线上的发动机工作点连线起来，即得到发动机的稳定工作线。如图-3a所示为某单轴高增压比压气机的流量特性线。

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图-3a

压气机的流量特性曲线是一定的大气条件下的实验曲线。为了将一定大气条件下的压气机特性曲线转换成通用曲线，我门运用相似理论原理对特性曲线进行修正，从而该发动机的通用曲线。如图-3b所示。

图-3b

经理论推导，对同一台压气机，只要保持压气机进口周向和轴向马赫数(M1u 、M1a)不变，则可保证在不同大气条件下，气流在压气机中流动的相似。由此，可以得出：

换算转速： n换 = n/( T1)

*1/2

= f(M1u) , 即n换是压气机进口周向马赫数的函数。

换算空气流量：

m换 = m空( T1)/ P1 = f(M1a) , 即m换是压气机进口轴向马赫数的函数。

*1/2

*

从单转子高增压比发动机压气机流量特性曲线，我们可以看出:

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4.1.当发动机换算转速一定时，随着换算空气流量的减小，压气机工作点从A点沿等转速线移动，压气机增压比增加；当换算空气流量减小到一定值时（如B点），工作点进入了喘振状态。

4.2.当发动机换算转速减小时，压气机工作点从A点沿压气机工作线移动，压气机增压比减小；当换算转速减小到一定值时（如C点）工作点进入喘振边界，压气机就进入了喘振状态。

需要说明的是：对于一定的压气机，其喘振边界并不是固定不变的，如当发生压气机积污、进气道结冰、发动机遭外来物击伤等情形，都会使压气机内气流分离加剧，使压气机喘振边界沿工作线方向移动，使压气机的工作稳定性变差。 5.多级轴向式压气机发生喘振的条件 5.1.发动机转速减小而偏离设计值

多级轴向式压气机转速变小时,一方面,压气机前后各级的圆周速度均要减小；另一方面，要引起压气机增压比减小。而压气机增压比减小，对各级轴向速度有两个影响：一是空气流量减小，使各级轴向速度减小；二是从压气机第一级开始气流轴向速度要逐级增大。这样，压气机的第一级的轴向速度减小，以后又逐级增大。由于发动机的空气流量大致与增压比成正比，也就是压气机增压比的迅速降低，导致了空气流量也迅速减小，所以，发动机的空气流量减小的程度比转速减小的程度要大一些，即空气流量与转速的比值减小。因此，压气机第一级的轴向速度比圆周速度下降的要快，流量系数减小，使叶轮进口处气流相对速度W1的方向变陡，如图-4a所示。由于气流轴向速度要逐级增大，到中间某一级时，轴向速度与圆周速度下降的程度相同，流量系数正好等于设计值，相对速度W1的方向保持不变，如图-4b所示。到后面几级，轴向速度比圆周速度下降得慢，于是流量系数大于设计值，相对速度W1的方向变平，如图-4c所示。

从上面的分析中可以看出，当发动机转速下降偏离设计值过多时，压气机前几级因相对速度方向变得过陡而进入喘振状态；后几级则因相对速度变得过平而进入“涡轮”状态，即通常所说的“前喘后涡”。

压气机的设计增压比越高，压气机各级间的相互影响就越大,当转速下降偏离设计值时,就

越容易发生喘振；反之，设计增压比低的，当转 图-4

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速下降时不容易发生喘振。所以，对于设计增压比高于6以上的压气机都设有专门的防喘装置。

5.2.压气机进口空气总温升高

大气温度升高、飞行高度下降或飞行M数增大，三者对压气机工作的影响，总的效果相同，都会是压气机出现“前喘后涡”状态，如图-5所示。但在具体的形成过程中，情况又有区别，必须注意其特点，现分别简要地分别如下：

图-5

当大气温度升高时，由于空气难以压缩，因而∏k降低，发动机空气流量减小，压气机进口气流的轴向速度就减小，在n = 常数时，进口流量系数也就减小。后面级由于∏k*的降低，各级的流量系数逐渐增大。因此，如发生喘振，就是“前喘后涡”引起的。

当飞行高度下降时，大气压力和大气温度（在11公里以下）都升高。大气压力的升高，使空气比重增大；大气温度升高（在11公里以下），又使空气比重减小，由于前者影响大于后者，所以发动机进口空气比重增大，故涡轮导向器处的燃气比重相应增大。大气温度升高，使降低∏k，又会使涡轮导向器处燃气比重减小。这样，涡轮导向器处燃气比重增大的程度要比压气机进口空气比重的增大程度小，此时，空气流量还是增大的，但为了保持流量连续，压气机进口的轴向速度要减小。由于n = 常数，进口流量系数也就减小。后面级因降低∏k，各级流量系数逐渐增大。故如发生喘振，也是“前喘后涡”引起的。

当飞行M数增大时，由于速度冲压的结果，使压气机进口的总压P1增大，总温T1

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