航空燃气涡轮发动机喘振问题分析(3)

航空燃气涡轮发动机喘振问题分析

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升高。 和P1 T1对涡轮导向器燃气比重的影响相反。由于飞行M数增大时，速度冲压

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使比重增大的程度比T1升高的影响程度大，所以涡轮导向器处的燃气比重还是增大，即发动机的空气流量是增加的。但是，由于T1升高的影响，涡轮导向器处燃气比重的增大程度要比压气机进口空气比重的增大程度小些，为了保持流量连续，压气机进口气流的轴向速度要减小，因为n = 常数，故进口流量系数也要减小。后面级，由于T1升高，∏k减小，也使各级流量系数逐渐增大，如发生喘振，仍是“前喘后涡”引起的。 5.3.发动机空气流量骤然减小

发动机空气流量骤然减小，同样使压气机前几级的空气轴向速度减小，流量系数减小相，对速度方向变陡而进入喘振状态，导致整台压气机发生喘振。

5.3.1.发动机从慢车状态加速时，如果推油门速度过快过猛，供油量将增加得过快、过多，涡轮前燃气温度突然升高，燃气比容增大，不容易从涡轮流过。而理论分析和实验结果都表明：由于当把多级轴向式压气机安装到发动机上时，发动机内并没有安装节气门，因而不能任意控制空气流量，这时，流过压气机的空气流量即发动机的空气流量，主要决定于涡轮导向器能通过多少气体。因此，造成发动机空气流量减少，从而引起喘振。

5.3.2.着陆滑跑速度减至小速度时仍使用反推，反推装置朝前喷出的高温燃气会被发动机吸入，使发动机空气流量减小，这样就容易引起喘振。例如：三叉戟飞机在着陆滑跑过程中规定，当表速小于70海里/小时应停止使用反推。在实际使用中，常在表速80海里/小时时，就将油门扳回至反推慢车位置，5秒后把油门恢复到正推慢车位置，可以避免由于吸入高温燃气而引起喘振。

5.3.3.喷水系统（在燃烧室进口处喷水的）出故障，使喷水量过多，这样燃气中的水流量过大，气体流量大增，不容易从涡轮导向器叶栅通过，致使进气流量减小，因而也会引起喘振。

5.3.4.拉杆过猛，使发动机进气口与气流之间的夹角突然改变过大，使进气道有效面积减小，同时在进气口产生大量涡流，堵塞了空气顺利地进入进气道，使空气流量骤然减小，可能引起喘振。

5.3.5.其他：进气道结冰等会使进气道有效面积减小，压气机进口流场紊乱；飞行中进入前面飞机的尾流区，吸进高温废气，使空气流量减小。这些都是造成压气机喘振的原

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因。

5.4.发动机损伤和翻修质量差

随着发动机使用时间的增加，由于砂石打伤、腐蚀、脏污或翻修质量差，都会使气流通道表面粗糙、变形，流动阻力增大，使进入压气机的气流提早分离。因此，这一类发动机更易于发生喘振。

6.轴向式压气机的防喘措施

6.1.压气机中间级放气

压气机中间级放气是指在一定条件下从压气机中间级释放出部分空气，从而防止发动机喘振。通常是在压气机中间级机匣上沿着整个圆周有一排放气孔，通过放气机构控制的放气带来开启或关闭放气孔（或放气活门）。压气机中间级放气由于结构简单，效果显著，是最常见的防喘措施之一。如图-6所示。

图-6

压气机放气是通过专门的放气机构进行自动控制的。由于在低转速时压气机容易喘振，所以在发动机起动时，放气系统一直打开（也有助于发动机起动），直到发动机转速已经达到一定的转速为止。在转速减小到一定的值时，放气系统随即自动打开。

放气孔可以排成一排或多排，其位置应该适中。如果放气孔太靠前，则防喘放弃的效果不明显；如果太靠后，则放出的空气压力较高，浪费太大。通常都把它安排在压气机中间的某一级之后，或者分成数排，分布于中间各级，以便在不同的发动机转速错开使用。

下面以发动机转速降低过多而引起的喘振为例，说明压气机中间级放气的防喘机

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理。前面已经指出，发动机转速低于设计转速时的喘振现象，压气机前后级呈前“喘”后“涡”状态，即前级的流量系数过小，后级的流量系数过大。所以当发动机转速降低时，防喘放气机构使放弃系统打开，部分压缩空气沿放弃孔（或放弃活门）流出，相当于在压气机的通道中多开了一条通路，有效减小了压气机空气通路的阻力，压气机进空流量得以显著增加，所以前级压气机气流的轴向速度和流量系数便可显著增大，从而避免了压气机前级喘振状态；同时压气机后级空气流量由于放气分流而减小，从而使压气机后级流量系数回落，使压气机后级避免堵塞状态。

由此，压气机放气的结果是使压气机前后级都朝有利的工作状态变化，使压气机工作协调，改善了压气机的工作特性和稳定工作范围，保证了发动机安全、可靠地工作。但同时我们也应看到，消耗了涡轮功得到的压缩空气从放气带（或放气活门）排出而未加以利用，最终必然对发动机其它性能造成不利影响，如推力减小，燃油消耗率增加，涡轮前温度升高等。 6.2.调节静子叶片的安装角

压气机处于非设计工作状态时，进入各排叶栅的气流方向将发生不同的变化：有的变陡，有的变平；有的气流冲角变成正值，有的变成负值。从理论上讲，如果能够调节各排静子叶片的安装角，如图-7所示，使流入下排叶栅的气流方向及其冲角不受发动机及飞行条件的影响，这样就可以从根本上改善压气机的工作特性，避免发生喘振。

图-7

为了解释这个问题，现在以第一级的工作情形为例，如果导流叶片固定不动而进口空气流量减小时，由于气体流量系数减小，叶轮进口相对速度方向变陡，将在叶片叶背产生气流分离。如果此时导流叶片的安装角可以调节，就可以随着流量系数的变化而适

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当地转动导流叶片，使气流的预旋量增加，使相对速度的方向保持不变，从而避免发生喘振。如图-8a所示。相反地，当空气流量增加，气流流量系数过大时，也可以将导流叶片向相反的方向如图-8b所示，使气流的预旋量减小，以保持相对速度的方向不变，避免出现涡轮或堵塞状态。

a b

图-8

总的来说，可能够调静子叶片能够使压气机喘振边界左移，也可以避免某些叶栅出现涡轮状态和气流阻塞现象，从而提高了压气机工作效率，扩大了压气机的稳定工作范围。所以这种防喘措施在目前的涡轮发电机上得到广泛应用，但同时结构也较为复杂。 6.3.双转子（三转子）

把多级压气机分成～两个转速不同的转子，这两个转子装在同心轴上，前面的叫低压压气机，后面的叫高压压气机，分别由低、高压涡轮带动，并组成低、高压转子。这种包含低压、高压两个转子的压气机，就是双转子压气机。如图-9所示。

图-9

根据实验和理论分析，在压气机的设计增压比不超过4～4.5时，所有各级叶轮在非设计状态下的工作还比较协调，它们偏离设计工作状态都不太远，压气机工作的稳定性较好。双转子发动机的压气机由两个彼此没有机械联系的压气机所组成，因此，可以把高增压比的双转子压气机看成是由两个低增压比的压气机组成。如果双转子压气机

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的设计增压比为9～16，则其每个单转子压气机的设计增压比不过为3～4左右，所以压气机各级都比较协调地工作，从而保证了高增压比的发动机在非设计状态压气机的稳定工作。

由于双转子压气机具有一系列优点，如：不容易发生喘振，可以在宽广的范围内工作而仍可保持较高的效率，容易启动等等，所以在高增压比的压气机中，双转子结构得到广泛采用。目前，还成功制造了包括风扇在内的三转子压气机，使效率更高，防喘性能更好。但是，双转子（三转子）压气机也存在缺点，那就是构造复杂，而且重量也较大。

7.在使用、维护中如何防止和消除喘振

为了避免喘振的发生，在使用、维护中，应注意以下问题： 7.1.在使用发动机过程中，应注意以下几点：

（1） 操纵油门的动作要柔和，不能过猛；

（2） 注意协调杆、舵的操纵量，避免侧滑，防止进气道内气流分离以提高进气道

效率，避免喘振；

（3） 一旦发生喘振，应缓慢地收油门，直至油门位置与转速相适应或喘振消除时

为止；

（4） 密切注意喘振时的排气温度，必要时应收小油门，防止超温； （5） 减小飞机迎角，增大飞行速度可有助于消除喘振；

（6） 如发动机装有空中点火装置，在喘振时应将电门放在连续点火位置，减少空

中熄火的可能性；

（7） 如在高空发生喘振，必要时，可降低高度；

（8） 如喘振现象不能制止，则应立即停车或尽快就近着陆。 7.2.在维护发动机过程中应注意以下几点

（1） 防止压气机叶片被外来物打伤或腐蚀；

（2） 要保证防喘系统机构的正常工作，防止由于防喘机构发生故障而引起喘振； （3） 停放牵引飞机时，一定要按规定加盖、加罩；

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