航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)喘振淺析

張萍

摘 要：喘振是航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的一種不正常工作，嚴(yán)重的喘振不僅會(huì)危及到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全，而且會(huì)危及到飛行安全。該文從闡述軸流式壓氣機(jī)基本工作原理入手，嚴(yán)格按照軸流式壓氣機(jī)喘振的定義詳細(xì)介紹了喘振發(fā)生和曼延的現(xiàn)象，并分析了壓氣機(jī)喘振的原因和產(chǎn)生喘振的條件。根據(jù)分析總結(jié)了發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上采取的防止喘振的措施及其優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī) 壓氣機(jī) 喘振 防喘

中圖分類號(hào)：V233 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（b）-0066-02

1 軸流式壓氣機(jī)的特性

根據(jù)壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和氣流的流動(dòng)特點(diǎn)，航空燃?xì)廨啓C(jī)用的壓氣機(jī)中，氣流沿離開葉輪中心方向流動(dòng)的葉做離心式壓氣機(jī)；氣流沿與葉輪軸平行方向流動(dòng)的叫做軸流式壓氣機(jī)。以下重點(diǎn)介紹軸流式壓氣機(jī)。

軸流式壓氣機(jī)由帶有許多翼型截面葉片的一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子和與機(jī)匣固定在一起不動(dòng)的靜子組成，靜子也有許多翼型截面葉片。轉(zhuǎn)子對(duì)空氣做功，壓縮空氣提高空氣壓力。這種壓氣機(jī)是一個(gè)多級(jí)裝置，以為每一級(jí)的壓力升高量很小。每一級(jí)包含一排旋轉(zhuǎn)葉片和隨后的一排靜子葉片。轉(zhuǎn)子軸支撐在滾珠軸承或滾珠軸承中，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器連接，從而形成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子。

為了保證壓氣機(jī)工作穩(wěn)定，有的在第1級(jí)工作葉輪前還有一排不動(dòng)的葉片稱為進(jìn)氣導(dǎo)向葉片。其功用是引導(dǎo)氣流的流動(dòng)方向產(chǎn)生預(yù)旋，使氣流以合適的方向流入第1級(jí)工作葉輪。

2 壓氣機(jī)的喘振

2.1 失速和喘振

工作葉輪進(jìn)口處相對(duì)速度的方向與葉片弦線之間的夾角叫攻角。影響攻角的因素有兩個(gè)：一個(gè)是轉(zhuǎn)速，另一個(gè)是工作葉輪進(jìn)口處的絕對(duì)速度（包括大小和方向）。正攻角過大會(huì)使氣流在葉背出處發(fā)生分離；負(fù)攻角過大會(huì)使氣流在葉盆處發(fā)生分離，而造成渦輪狀態(tài)。

流量系數(shù)小于設(shè)計(jì)值，呈正攻角，會(huì)使氣流在葉背處分離；流量系數(shù)大于設(shè)計(jì)值，呈負(fù)攻角，會(huì)使氣流在葉盆處發(fā)生分離，而形成渦輪狀態(tài)。

當(dāng)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，如果由于某種原因壓氣機(jī)的空氣流量減少，導(dǎo)致工作葉輪進(jìn)口處絕對(duì)速度在發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向上的分量下降，使功角上升。在功角過大的情況下，氣流在葉背處發(fā)生分離，這種發(fā)生在葉背上的現(xiàn)象叫失速[1]。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，由于某種原因使工作葉輪進(jìn)口處絕對(duì)速度在發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向上的分量上升，使攻角下降，如果負(fù)攻角過大，氣流在葉盆處分離，使葉片通道變小，甚至出現(xiàn)喉道發(fā)生堵塞。

當(dāng)壓氣機(jī)空氣流量減小而使動(dòng)葉攻角增大到臨界功角附近時(shí)，動(dòng)葉中的某幾個(gè)葉片可能首先發(fā)生分離。于是在這些出現(xiàn)分離區(qū)的葉片前面出現(xiàn)明顯的氣流堵塞現(xiàn)象。這個(gè)受阻滯的氣流區(qū)使周圍的流動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起上面葉片攻角增大并分離。同時(shí)，下面葉片的功角減小并解除分離使分離區(qū)相對(duì)于葉片向上傳播。因此，失速區(qū)就朝著與葉片旋轉(zhuǎn)方向相反的方向移動(dòng)。這種移動(dòng)速度比圓周速度要小，所以站在絕對(duì)坐標(biāo)系上觀察時(shí)，失速區(qū)以較低的轉(zhuǎn)速與壓氣機(jī)葉輪作同方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為旋轉(zhuǎn)時(shí)速。

如果失速的葉片過多會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振。

2.2 喘振的現(xiàn)象

喘振是氣流沿壓氣機(jī)軸線方向發(fā)生的低頻率、高振幅的震蕩現(xiàn)象。當(dāng)壓氣機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一系列的外部特征及儀表特征指示[4]。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度升高，排氣溫度表指示增大。這是由于喘振時(shí)，進(jìn)入燃燒室空氣量減小了，使燃燒室出口的燃?xì)鉁囟壬咚隆?/p>

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)的功率下降，表現(xiàn)為扭矩壓力表指示值減小。這時(shí)由于喘振發(fā)生后，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量減小而造成的。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)而引起較強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)。這是由于喘振時(shí)，氣流在壓氣機(jī)中的軸向振蕩而引發(fā)的。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音由正常工作的連續(xù)嘯聲變?yōu)榈统恋臄嗬m(xù)聲。

（5）氣流有倒流現(xiàn)象，進(jìn)氣口有時(shí)看到冒白煙。這是由于嚴(yán)重喘振發(fā)生時(shí)壓氣機(jī)通道嚴(yán)重堵塞，使已壓縮的部分氣體從進(jìn)氣口倒流出來，急劇膨脹，溫度驟降而使周圍水汽凝結(jié)而形成的白霧。

（6）尾噴口噴火，伴有放炮聲。這是由于發(fā)生喘振后，進(jìn)入燃燒室的空氣量減小，燃油不能完全燃燒，但溫度較高，當(dāng)?shù)轿矅娍谟龅娇諝舛匦驴焖偃紵霈F(xiàn)火舌和伴有放炮聲。

3 喘振的根本原因

喘振的根本原因是由于氣流攻角過大，在葉背處發(fā)生分離而且這種氣流擴(kuò)展到整個(gè)葉柵通道。此時(shí)，壓氣機(jī)葉柵完全失去擴(kuò)壓能力，不能將氣流推向后方，克服后面較強(qiáng)的反壓。于是流量急劇下降。不僅如此，由于動(dòng)葉葉柵是去擴(kuò)壓能力，后面的高壓氣體可能倒流至前面。這樣，壓氣機(jī)后面的反壓降得很低，整個(gè)壓氣機(jī)流路這一瞬間變得通暢。而且由于壓氣機(jī)仍保持原來的轉(zhuǎn)速，大量的氣流被重新吸入壓氣機(jī)，流入動(dòng)葉的氣流由負(fù)功角很快增加到設(shè)計(jì)值，壓氣機(jī)后面也建立起高壓氣流，這是喘振過程中氣流重新吸入狀態(tài)。然而，發(fā)生喘振的流動(dòng)條件并沒有改變，隨著壓氣機(jī)后面的反壓不斷升高，壓氣機(jī)流量又開始減小，過程又重復(fù)。

壓氣機(jī)喘振的探測目前主要是依據(jù)壓氣機(jī)出口壓力的下降率或轉(zhuǎn)子的減速率來判斷。

4 防喘措施

4.1 壓氣機(jī)中間級(jí)放氣

在壓氣機(jī)中間級(jí)放氣，有許多不同的結(jié)構(gòu)型式，有的是在壓氣機(jī)匣上中間級(jí)處，沿著整個(gè)圓周有一排放氣孔，用鋼質(zhì)放氣閥來開啟或者關(guān)閉這些放氣孔，也有在中間級(jí)處安裝放氣活門，放氣帶和放氣活門都是自動(dòng)操縱的，也可以人工操縱。（見圖1）

當(dāng)放氣帶打開時(shí)，有部份空氣經(jīng)放氣孔流出這相當(dāng)于壓氣機(jī)的通道中多開了一條通路，使前幾級(jí)的空氣流動(dòng)阻力減小，軸向分速隨之增大，這樣，使前幾級(jí)的流量系數(shù)也增大并接近設(shè)計(jì)值，從而可以避免因攻角過大而發(fā)生喘振；同時(shí)，由于放走一部份空氣，后幾級(jí)的空氣流量減小，軸向分速也隨之減小，這樣，使后幾級(jí)的流量系數(shù)也減小，并接近設(shè)計(jì)值，從而可以避免因沖角過小而出現(xiàn)的“渦輪”或者堵塞狀態(tài)。用中間級(jí)放氣來防止喘振的方法，就是通過改變進(jìn)入壓氣機(jī)的流量即改變工作葉輪進(jìn)口處絕對(duì)速度軸向分量Ca的大小來改變其相對(duì)速度的大小和方向。采用這種辦法，從而可以使前后各級(jí)的工作較為協(xié)調(diào)，以消除發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)計(jì)值時(shí)出現(xiàn)的喘振，擴(kuò)大它的穩(wěn)定工作范圍。

4.2 雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

把多級(jí)壓氣機(jī)分成兩個(gè)轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)子，這兩個(gè)轉(zhuǎn)子裝在同心軸上，前面的叫低壓壓氣機(jī)，后面的叫高壓壓氣機(jī)，分別由低、高壓渦輪帶動(dòng)，并組成低、高壓轉(zhuǎn)子，這種包含低壓、高壓兩個(gè)轉(zhuǎn)子的壓氣機(jī)，就是雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)。（見圖2）

雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之所以能防喘就在于把一個(gè)高增壓比壓氣機(jī)分力兩個(gè)彼此沒有機(jī)械聯(lián)系的低增壓比壓氣機(jī)，如果雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)增壓比為9～16，則每個(gè)單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)增壓比不過是3～4左右。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論分析，在壓縮的設(shè)計(jì)增壓比不超過4～4.5時(shí)，所有各級(jí)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的工作還比較協(xié)調(diào)，它們偏離設(shè)計(jì)工作狀態(tài)都不太遠(yuǎn)，因此，將高增壓比的壓氣機(jī)，分為兩個(gè)轉(zhuǎn)速不同的壓氣機(jī)使每個(gè)單轉(zhuǎn)子的增壓比降低到3～4左右。就能較有效防止喘振，此外，當(dāng)雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)偏離設(shè)計(jì)工作狀態(tài)時(shí)，高、低壓轉(zhuǎn)子會(huì)自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，使壓氣機(jī)各級(jí)進(jìn)口氣流相對(duì)速度W的方向變化不大，也能有效的防喘，單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)工作中，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)壓氣機(jī)前幾級(jí)氣流軸向速度Ca比壓氣機(jī)動(dòng)葉切向速度u減小的程度小，即流量系數(shù)增大，所以就會(huì)發(fā)生“前喘后渦”的現(xiàn)象，采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)后，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)低壓轉(zhuǎn)子（相當(dāng)于單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的前幾級(jí)）因壓氣機(jī)功增大。使轉(zhuǎn)速下降的多一些，從而使本來過大的沖角也相應(yīng)減小，高壓轉(zhuǎn)子（相當(dāng)于單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的后幾級(jí)）因壓氣機(jī)功減小，使轉(zhuǎn)速下降的少一些，從而可能過小的沖角也相應(yīng)增大。這樣，使得低壓壓氣機(jī)的軸向速度分別與各自的圓周速度，自動(dòng)趨于協(xié)調(diào)一致，也就是使流量系數(shù)基本等于設(shè)計(jì)值，因而沖角變化小，即消除了前幾級(jí)喘振，又防止了后幾級(jí)堵塞，可見，采用兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同的結(jié)構(gòu)來自動(dòng)調(diào)節(jié)壓氣機(jī)前后各級(jí)的工作狀態(tài)，就是一種通過改變壓氣機(jī)動(dòng)葉的切線速度u來改變工作葉輪進(jìn)口處氣流相對(duì)速度的方向而達(dá)到防喘的目的。目前，大多數(shù)渦輪燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)都是采用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

作為一名機(jī)務(wù)人員，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振具備一定的理解是很重要的，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，喘振的裕度將更大，加之三元流壓氣機(jī)的研究及非穩(wěn)態(tài)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）研究將使人們更好地理解發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振，現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)很少發(fā)生喘振。雖然如此，但在實(shí)際飛行和維護(hù)中由于喘振而引起的事故還是時(shí)有發(fā)生，因此該文試論了軸流式壓氣機(jī)的喘振及其現(xiàn)象、預(yù)防和排故注意的問題，以便于我們更加了解喘振及防喘，清楚喘振發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象及處置方法。

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