压气机原理喘振
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压气机原理
06 喘振
压气机中发生喘振的原因
▪ 流量变化时，在叶栅的流道中出现的气流脱离现象
压气机中发生喘振的原因
▪ 当空气流量增大时 ，气流的轴向速度就要加大。假如压 气机的转速恒定不变，那么，1和2也会增大，由此产生 了负冲角。当空气流量继续增大，而使负冲角加大到一定 程度后，在叶片内弧表面上就会发生气流附面层的局部脱 离现象。但是，这个脱离区不会继续发展。这是由于当气 流沿着叶片的内弧侧流动时，在惯性力的作用下，气流的 脱离区会朝着叶片的内弧面方向挤拢和靠近，因而，会阻 止脱离区的进一步发展。此外，在负冲角的工况下，压气 机的级压比有所减小（流量增加，压比减少），在这时， 即使产生了气流的局部脱离区，也不至于进一步发展形成 气流的倒流现象。
旋转脱离
▪ 上述气流脱离现象，往往并不是在压气机工作叶栅沿圆周 整圈范围内同时发生的。试验研究表明：一般来说，由于 叶栅中叶片形状和分布不均匀性以及气流沿周向分布不均 匀性，在小流量大冲角的工况下，气流的脱离往往总是在 某一个或几个叶片上发生的。一般情况，在整个环形叶栅 沿圆周方向范围内，可以同时产生几个比较大脱离区，而 这些脱离区的宽度只不过涉及到一个或几个叶片通道而已。 这些脱离区并不是固定不动的，这些脱离区会依次沿着与 叶轮旋转方向相反的方向转移。因而，这种脱离现象又称 为旋转脱离。
▪ 压气机中出现旋转脱离后，压比和效率都要下降，而且由于气流参数的周向 不均匀分布而引起脉动。一般把单级压气机开始发生旋转脱离时那个流量作 为该级的稳定工作界限。出现旋转脱离还不等于喘振。
旋转脱离进一步发展——喘振
▪ 当空气流量继续减小，致使旋转脱离进一步发展之后，在 整台压气机中才能出现不稳定的喘振现象。那时，压气机 的流量和压力就会发生大幅度的低频周期性波动，并伴随 有怒吼似的喘振声响，甚至会有气流从压气机的进口处倒 流出来，这时，会使整台机组产生强烈地振动。在这种情 况下，压气机就完全不能正常工作了，这时往往就会进一 步导致机组严重毁坏事故的发生。
转速偏离设计值时，哪些级中最容易 发生旋转脱离现象
▪ 当实际工作转速比设计转速有所下降时，压气机的压比要下降。这时 末几级中的空气压力和密度降低了。而在前几级中，与设计工况相比 较，其压力和密度却均有所增加。因为在大气压力恒定不变的前提下， 随着空气流量的减小，气流在压气机进口收敛器中的降压加速效应减 弱了。同时，由于进气流道中气流速度的降低，流动的压力损耗又略 有所下降，因而，在压气机的第一级入口处，气流的压力和密度，反 而比设计工况下的数值要高。这样就使轴向分速比czz/c1z增加了。这 意味着，当转速减小时，Biblioteka Baidu向分速czz下降得比c1z 慢些。在轴流式压 气机中，由于各级的直径变化不大，可以近似地认为各级圆周速度相 等。结果使各级中的流量系数=cz/u发生变化，流入各级的气流方向 就发生变化。
旋转脱离
▪ 压气机叶栅中的旋转脱离现象
旋转脱离
▪ 假如压气机的叶栅如图上所示，正以速度u 朝右侧方向移动。当时，由于空 气流量的减少，在叶片2 的背弧面上首先出现了气流的强烈脱离现象。可以 设想：这时，处于叶片2和叶片3 之间的那个通道就会部分地，或是全部地 被脱离的气流所堵塞。这样就会在这个通道的进口部分，形成一个气流停滞 区（或称为低流速区），它将迫使位于停滞区附近的气流，逐渐改变其原有 的流动方向，即：使位于停滞区右边的那些气流的冲角减小，因而，叶片1 的绕流情况得到改善，气流的脱离现象将逐渐消失；同时，使位于停滞区左 边的那些气流的冲角加大，从而促使在叶片3 的背弧侧开始发生气流的脱离 现象。由此可见，气流的脱离区并不是恒定地固定在某一个叶片上的，而是 它会以某一个与叶栅的运动方向相反的速度，从右侧朝左侧方向逐渐转移。 试验表明：脱离区的转移速度一般要比叶栅的圆周速度低。因此若你是站在 地面上去观察，脱离区是沿着与叶轮转向相同的方向而以较小的速度转动着。
压气机中发生喘振的原因
▪ 当流经工作叶栅的空气流量减小时 ，情况就完全不同了。 那时，气流的1和2角都会减小。然而，当1和2角减小 到一定程度后，就会在叶片的背弧侧产生气流附面层的脱 离现象。只要这种现象一出现，脱离区就有不断地发展扩 大的趋势。这是由于当气流沿着叶片的背弧面流动时，在 （离心）惯性力的作用下，存在着一种使气流离开叶片的 背弧面而分离出去的自然倾向。此外，在正冲角的工况 下 ，压气机的级压比会增高，因此，当气流严重脱离时， 气流就会朝着叶栅的进口倒流，这就为发生喘振现象提供 了条件。
▪ 在喘振工况时，平均出口压力明显下降，压力与速度脉动 的振幅大大增加，说明气流流动的规律性已完全破坏了。
喘振
▪ 正常工况与喘振工况下压力与流速变化的波形图 ▪ a）──压气机在正常工况下b）──在喘振工况时
喘振
▪ 压气机的工作系统示意图 ▪ 1── 压气机2──工作系统3── 阀门
喘振
▪ 上面的图中，1表示压气机，2代表在压气机后具有一定容积的工作系统。在 燃气轮机中，這就相当于燃烧室和透平。流经压气机的流量可以通过装在容 器出口处的阀门3来调节。 当压气机的工作情况正常时，随着空气流量的减 小，容器中的压力就会升高。 当流量减少到一定程度时，在压气机的通流部 分中开始产生旋转脱离现象。 假如空气流量继续减小，旋转脱离就会强化和 发展，当它发展到某种程度后，由于气流的强烈脉动，就会使压气机的出口 压力突然下降。那时，容器 中的气体压力就会比压气机出口的压力高，这将 会导致气流从容器侧流到压气机中去；而另外一部分空气则仍然会继续通过 阀门 ，流到 容器外面去。由于这两个因素的同时作用，容器中的压力就会 立即降低下来。假如这时压气机的转速恒定不变，那么随着容器中压力的下 降，流经压气机的空气流量就会自动增加上去；与此同时，在压气机叶栅中 发生的气流脱离现象就会逐渐趋于消失。这就是说，压气机的工作情况将会 恢复正常。当这种情况继续一个很短的时间后，容器中的压力会再次升高， 流经压气机的空气流量又会重新减少下来，在压气机通流部分中发生的气流 脱离现象又会再出现。上述过程就会周而复始地进行下去。这种在压气机与 其后具有一定容积的工作系统之间发生的空气流量和压力参数的时大时小的 周期性振荡，就是压气机的喘振现象。
06 喘振
压气机中发生喘振的原因
▪ 流量变化时，在叶栅的流道中出现的气流脱离现象
压气机中发生喘振的原因
▪ 当空气流量增大时 ，气流的轴向速度就要加大。假如压 气机的转速恒定不变，那么，1和2也会增大，由此产生 了负冲角。当空气流量继续增大，而使负冲角加大到一定 程度后，在叶片内弧表面上就会发生气流附面层的局部脱 离现象。但是，这个脱离区不会继续发展。这是由于当气 流沿着叶片的内弧侧流动时，在惯性力的作用下，气流的 脱离区会朝着叶片的内弧面方向挤拢和靠近，因而，会阻 止脱离区的进一步发展。此外，在负冲角的工况下，压气 机的级压比有所减小（流量增加，压比减少），在这时， 即使产生了气流的局部脱离区，也不至于进一步发展形成 气流的倒流现象。
旋转脱离
▪ 上述气流脱离现象，往往并不是在压气机工作叶栅沿圆周 整圈范围内同时发生的。试验研究表明：一般来说，由于 叶栅中叶片形状和分布不均匀性以及气流沿周向分布不均 匀性，在小流量大冲角的工况下，气流的脱离往往总是在 某一个或几个叶片上发生的。一般情况，在整个环形叶栅 沿圆周方向范围内，可以同时产生几个比较大脱离区，而 这些脱离区的宽度只不过涉及到一个或几个叶片通道而已。 这些脱离区并不是固定不动的，这些脱离区会依次沿着与 叶轮旋转方向相反的方向转移。因而，这种脱离现象又称 为旋转脱离。
▪ 压气机中出现旋转脱离后，压比和效率都要下降，而且由于气流参数的周向 不均匀分布而引起脉动。一般把单级压气机开始发生旋转脱离时那个流量作 为该级的稳定工作界限。出现旋转脱离还不等于喘振。
旋转脱离进一步发展——喘振
▪ 当空气流量继续减小，致使旋转脱离进一步发展之后，在 整台压气机中才能出现不稳定的喘振现象。那时，压气机 的流量和压力就会发生大幅度的低频周期性波动，并伴随 有怒吼似的喘振声响，甚至会有气流从压气机的进口处倒 流出来，这时，会使整台机组产生强烈地振动。在这种情 况下，压气机就完全不能正常工作了，这时往往就会进一 步导致机组严重毁坏事故的发生。
转速偏离设计值时，哪些级中最容易 发生旋转脱离现象
▪ 当实际工作转速比设计转速有所下降时，压气机的压比要下降。这时 末几级中的空气压力和密度降低了。而在前几级中，与设计工况相比 较，其压力和密度却均有所增加。因为在大气压力恒定不变的前提下， 随着空气流量的减小，气流在压气机进口收敛器中的降压加速效应减 弱了。同时，由于进气流道中气流速度的降低，流动的压力损耗又略 有所下降，因而，在压气机的第一级入口处，气流的压力和密度，反 而比设计工况下的数值要高。这样就使轴向分速比czz/c1z增加了。这 意味着，当转速减小时，Biblioteka Baidu向分速czz下降得比c1z 慢些。在轴流式压 气机中，由于各级的直径变化不大，可以近似地认为各级圆周速度相 等。结果使各级中的流量系数=cz/u发生变化，流入各级的气流方向 就发生变化。
旋转脱离
▪ 压气机叶栅中的旋转脱离现象
旋转脱离
▪ 假如压气机的叶栅如图上所示，正以速度u 朝右侧方向移动。当时，由于空 气流量的减少，在叶片2 的背弧面上首先出现了气流的强烈脱离现象。可以 设想：这时，处于叶片2和叶片3 之间的那个通道就会部分地，或是全部地 被脱离的气流所堵塞。这样就会在这个通道的进口部分，形成一个气流停滞 区（或称为低流速区），它将迫使位于停滞区附近的气流，逐渐改变其原有 的流动方向，即：使位于停滞区右边的那些气流的冲角减小，因而，叶片1 的绕流情况得到改善，气流的脱离现象将逐渐消失；同时，使位于停滞区左 边的那些气流的冲角加大，从而促使在叶片3 的背弧侧开始发生气流的脱离 现象。由此可见，气流的脱离区并不是恒定地固定在某一个叶片上的，而是 它会以某一个与叶栅的运动方向相反的速度，从右侧朝左侧方向逐渐转移。 试验表明：脱离区的转移速度一般要比叶栅的圆周速度低。因此若你是站在 地面上去观察，脱离区是沿着与叶轮转向相同的方向而以较小的速度转动着。
压气机中发生喘振的原因
▪ 当流经工作叶栅的空气流量减小时 ，情况就完全不同了。 那时，气流的1和2角都会减小。然而，当1和2角减小 到一定程度后，就会在叶片的背弧侧产生气流附面层的脱 离现象。只要这种现象一出现，脱离区就有不断地发展扩 大的趋势。这是由于当气流沿着叶片的背弧面流动时，在 （离心）惯性力的作用下，存在着一种使气流离开叶片的 背弧面而分离出去的自然倾向。此外，在正冲角的工况 下 ，压气机的级压比会增高，因此，当气流严重脱离时， 气流就会朝着叶栅的进口倒流，这就为发生喘振现象提供 了条件。
▪ 在喘振工况时，平均出口压力明显下降，压力与速度脉动 的振幅大大增加，说明气流流动的规律性已完全破坏了。
喘振
▪ 正常工况与喘振工况下压力与流速变化的波形图 ▪ a）──压气机在正常工况下b）──在喘振工况时
喘振
▪ 压气机的工作系统示意图 ▪ 1── 压气机2──工作系统3── 阀门
喘振
▪ 上面的图中，1表示压气机，2代表在压气机后具有一定容积的工作系统。在 燃气轮机中，這就相当于燃烧室和透平。流经压气机的流量可以通过装在容 器出口处的阀门3来调节。 当压气机的工作情况正常时，随着空气流量的减 小，容器中的压力就会升高。 当流量减少到一定程度时，在压气机的通流部 分中开始产生旋转脱离现象。 假如空气流量继续减小，旋转脱离就会强化和 发展，当它发展到某种程度后，由于气流的强烈脉动，就会使压气机的出口 压力突然下降。那时，容器 中的气体压力就会比压气机出口的压力高，这将 会导致气流从容器侧流到压气机中去；而另外一部分空气则仍然会继续通过 阀门 ，流到 容器外面去。由于这两个因素的同时作用，容器中的压力就会 立即降低下来。假如这时压气机的转速恒定不变，那么随着容器中压力的下 降，流经压气机的空气流量就会自动增加上去；与此同时，在压气机叶栅中 发生的气流脱离现象就会逐渐趋于消失。这就是说，压气机的工作情况将会 恢复正常。当这种情况继续一个很短的时间后，容器中的压力会再次升高， 流经压气机的空气流量又会重新减少下来，在压气机通流部分中发生的气流 脱离现象又会再出现。上述过程就会周而复始地进行下去。这种在压气机与 其后具有一定容积的工作系统之间发生的空气流量和压力参数的时大时小的 周期性振荡，就是压气机的喘振现象。