压缩机稳定性的概念

第1章压缩机稳定性的概念

1.1 导论

气体涡轮机对于飞机性能和飞行范围的通用飞行能力的提升做出了特别的贡献。自从二次世界大战之后，主要通过提高循环压比和涡轮机进口温度来增加气体涡轮机的推进能力。压缩机是这个进展的关键，虽然提供压比，但是也限制了发动机的稳定运行。在一个给定的转动速度下，最大流量通过压缩机系统的一些部件的节流决定。如果质量流量减小，可能发生稳定流动的气流分离。并且可能出现喘振，这是强烈的不稳定状况的。由于压缩机内部或者外部的质量流量的变动，压比急剧振荡。在这些极端条件之间的流动是发动机运行的有效范围。

通过下游元件例如涡轮或者喷管的性能特性来规定流动稳定范围的需求量。在缺少了止动楔块的喷管里，通过压缩机的流动由通过驱动涡轮，如同在给定涡轮进口温度值的条件下与压缩机运行匹配的涡轮的流动/工作特性决定。在有止动楔块喷管的情况下，压缩机流动是通过喷管决定的，并且与之相配的涡轮是由压缩机运行和涡轮进口温度的选择决定。重要的分布范围位于的情况是在超出设计转速下的发动机运行可能出现接近喘振或者接近阻塞取决于发动机是否是涡轮轴的，涡轮风扇的或者涡轮喷气的。在低速情况下启动发动机，从不工作到加速并且提供良好的燃料燃烧效率的能力都取决于受约束的稳态运行范围内的相匹配的元件。

在任何给定转速下的节流预测是可以直接计算的。受到影响的级的设置出现的不确定用于估计节流的收缩数值，也就是在上游级的阻塞影响与之匹配的节流下游级。喘振或者失速的预测是不及以上易处理的。良好的单级估算可以通过在理想流场的亚音速或者接近音速的条件下从单级测试中得到有用的叶栅数据或关联值。因为级在增加数目内是匹配连接的，预测变得更加难以捉摸。困难出现在部分失速系统的动力学和这些系统间的相互作用致使整个系统以喘振的形式毁灭。

喘振是将声音应用于压缩机不稳定运行的期限。对于发动机来说是一个灾难性的经验；综合压缩机的不稳定性能够引起过热蒸汽从发动机入口驱出或者抽完。在规定发动机工作线的过程中，绝对需要知道压缩机的喘振线在哪里。图1.1展示了一个在压缩机特性线图上叠加的发动机工作线。来自压缩机喘振线的发动机工作线的位移是通过发动机加速需要进行典型的调配。为了让发送机从一些的转速加速到最大转速，过量的燃料被投入到燃烧室以允许涡轮有剩余力矩来加速压缩机。当涡轮进口温度增加时，发动机工作线移动到接近压缩机喘振线。因此，加速比取决于稳态工作线的位置。如果接近于喘振线，发动

机的加速度将慢于如果远离喘振线的工作线的加速度。压缩机，涡轮和燃料控制设备的尺寸误差将支配在压缩机特性线图上的工作线布置。压缩机元件的叶片入口角和涡轮元件的叶片出口角的变化归结于容许这样一种办法例如移到喘振线时做高速流动和工作线时做低速流动。

在一些辅助系统元件的失速附近，喘振是优先出现的。失速可以被认为是停止在空气动力面上的持续上升的升力或在扩压器或叶栅上的静压恢复。在压缩机中，虽然叶排单元可以是完全或者部分失速，但是压缩机系统仍然是稳定的。喘振是一些系统元件或者组合元件失速的结果，这种持续减小的质量流量使得整体系统不稳定并且引起能听得见的流动波动。

典型的是当一个叶排失速时，所有的空气动力面不是一致的失速。作为代替的是成组的空气动力面失速形成一个区域或者在环面周围的失速气流区域。在形成失速区域的瞬态过程中质量流量是在减小。当这个区域形成时，质量流量停止改变并且恢复稳定运行，但是处在一个相对于没有失速运行减小的质量流量层中。另外，失速区域在叶栅环面附近旋转。虽然在这个情况下的运行是可能的，但是由于通过旋转失速区域设置振动应力，所以在结构上是危险的。

压缩机喘振和失速的课题包括稳定性需求和气动过程物理性质的研究。详细匹配额的辅助系统元件需要能够提供最大范围的稳态流动。这可以通过由叶栅数据提供的损失或失速特性完成。然而单独的失速数据不能决定喘振和失速；一些判别条件必须由系统稳定性来建立。即使有稳定性评价标准和叶栅失速数据，喘振和失速的预测仍然是一个难懂的技术。不能预测喘振和失速取决于作为准备和发生在叶排失速的瞬态流动。瞬态流动特性不仅使得预测喘振变得困难，而且防止了由于在瞬态气动行为过程中发生的振动荷载来精确的评定结构完整性。本书涉及了压缩机稳定性课题，从测试数据得到喘振和失速的物理细节，并且对喘振和失速的预测做了实验的和解析的逼进。

1.2 稳定性定义

压缩机性能的典型特征是压比，效率，质量流量和附加能量。然而稳定性也是工作特性之一。它涉及到干扰压缩机从稳定工作点运行的扰动的压缩机响应。如果扰动是瞬时的，并且系统回到原来的工作平衡点，那么认为性能是稳定的。如果响应是驱使工作远离初始点，那么认为性能是不稳定的。这种类型的例子是通过质量流量的瞬时变动来扰动在压缩机和驱动涡轮之间的稳态匹配。如果这个扰动是工作点的故意改变，并且在新的质量流量情况下能建立稳定状态的运行，那么认为性能是稳定的。这样的例子是在工作点上由于抽气发动机的动力装置的变化。如果稳态运行不可能，那么性能是不稳定的。这样的例子是驱使压缩机进入喘振状态的质量流量减少。

结果，压缩机的性能范围有两个涉及到稳定性。其中一个涉及到运行稳定性；另外一个涉及到气动稳定性。运行稳定性涉及到与之匹配的压缩机如下游流动装置例如节流阀门，涡轮或喷管的性能规格参数。气动稳定性涉及到由于失速和喘振的稳定状态运行的限制。

1.3 运行稳定性

稳定性研究涉及到全部的压缩机系统。这包括入口导管，入口导叶片，转子，定子或者扩压器，以及任何压力恢复的排气系统。整个系统的运行稳定性取决于如同质量流量变化一样的压力增加或者压力下降的变化率。在图 1.2中有图示。图中的实线表示压缩机规格参数的压力增加；短划线表示在下游节流处的压力下降。图1.2a表示稳定运行；图1.2b表示不稳定运行。

在图1.2a中，系统在P点处于平衡状态。如果一个外部扰动强加于系统以至于质量流量减少，那么在节流处的压差将减小，并且在压缩机里的增压将会增加。在下一个瞬时，压缩机的增压将导致节流处的压差的增加。质量流量将增加，并且将恢复平衡。如果扰动引起质量流量的增加，那么在节流处的压差将增加，并且在压缩机里的增压将减少。压缩机增压的减少将导致节流处的压差减少。质量流量将减小，并且将恢复平衡。

在图1.2b中，A点为压缩机参数的一个不稳定点。如果一个外部扰动强加于系统以至于质量流量减少，节流处的压差和压缩机的增压将同时减少。在下一个瞬时，压缩机的增压小于节流处的压差。质量流量将继续减少，并且将不会恢复平衡。如果扰动引起质量流量的增加，那么节流处的压差和压缩机的增压将同时增加。然而，压缩机的增压高于节流处的压差。质量流量将继续增加，而且将不会恢复平衡。假定出现如图1.2c所示的压缩机特性的斜率将低于节流特性的斜率。如果扰动引起质量流量的减少，那么压缩机的增压将高于节