航空燃气涡轮发动机喘振问题分析

航空燃气涡轮发动机喘振问题分析
学生：刘哲指导老师：周长春
摘要
随着我国民航的迅速发展,飞机的数量和种类越来越多,对飞行安全的要求更高,发动机的好坏是保证飞行安全的关键,发动机出问题,直接影响到整个飞行安全,本文通过分析喘振对发动机使用性能及发动机经济性能方面的影响,指出了发动机喘振形成的根本原因,喘振的形成及喘振对飞机的危害,并指出这些影响在飞行中的实际意义和避免喘振的措施。

关键词:发动机；喘振;气流分离;防喘；综述
英文摘要:
引言
1903年12月7日“飞行者”1号,成功载入动力飞行,随着飞机广泛应用在军事、运输领域,航空工业尤其是民用航空业得到迅速发展,人们对飞机的性能也提出了更高的要求,如战斗机较高的机动性能,民用飞机较好的经济性及可靠性等。

飞机性能的提高，在很大程度上取决动力装置的发展，人们需要推力更大，速度、高度性能更好的动力装置。

实践证明。

燃气涡轮发动机能够满足这些要求。

发动机是现代飞机重要的组成部分，发动机的工作对飞机的飞行安全和效益起着决定性的作用，所以装在航线运输机上的燃气涡轮发动机应满足下列基本性能要求：
1 发动机推力大，重量轻。

在发动机重量一定时，发动机发出尽可能大的推力，尤其是是起飞推力，可有效改善飞机的起飞、复飞及爬升性能。

2 发动机燃油消耗率低。

在一定的飞行条件下，发动机燃油消耗率越低，发动机工作效率越高，经济性越好；同时油耗越低，航线飞行载油量可相对减小，从而降低运行成本。

3 发动机应具有良好的高空性能和速度性能。

一方面，飞机应能爬升到11，000米左右，因随着高度上升，大气温度降低，可提高发动机的工作效率，改善发动机的经济性，同时，在平流层飞行，气象条件较稳定，增加了飞机安全性和舒适性；另一方面，在确保发动机的工作效率条件下，尽可能提高飞行速度，可缩短飞行时间，目前，高涵道涡扇发动机能确保飞机在高亚音速范围飞行。

4 发动机结构尺寸要小。

发动机的结构尺寸主要是指发动机的迎风面积和长度，适应缩小发动机结构尺寸可减小发动机飞行阻力，减轻发动机重量。

5 发动机可靠性要好。

发动机可靠性是指在各种气象条件和飞行条件下，发动机稳定、安全工作的性质，它直接关系到飞行安全。

6 发动机的环境污染要小。

发动机的环境污染主要有：排气污染和噪音污染。

在不断改进发动机性能，确保发动机安全，可靠，经济，稳定工作的同时，应不断减少发动机环境污染水平，逐步达到相应的标准。

7 发动机的使用寿命要长。

在实际使用中发动机的使用寿命和发动机的正确使用密切相关正确使用发动机不仅可以有延长发动机的使用寿命，还可以降低发动机的使用成本。

8 发动机要便于维护。

在实际飞行中，发动机维护性的好坏直接影响航班的正常及维护
成本。

要使发动机便于维护，降低维护成本，对发动机的设计制造都有相应要求，如：发动机的安装位置，单元件设计，零部件的通用性和可换性，零部件的快速拆卸及安装性等。

这些性能都是发动机最基本的性能,但飞机在飞行中,由于气象条件的各种影响以及发动机本身的不稳定工作造成了发动机的非正常工作,有的严重影响了飞行安全，本文介绍的喘振就是发动机不稳定工作的形式之一,也是影响了飞行安全的主要因素之一,下面我们系统的从各个方面介绍喘振。

1.气机喘振的基本概念
压气机喘振是压气机的一种不稳定工作状态，是由于压气机进口空气流量的骤然减小而引起的气流沿压气机轴向发生低频高振幅的振荡现象。

压气机发生喘振时，将出现以下现象：
压气机出口压力和流量剧烈波动，发动机声音变低沉，发动机转速不稳定，
Ma
排气温度升高，发动机振动加剧，发动机推力迅速减小。

严重时，甚至出现气流倒流，伴随有放炮声，燃烧室熄火等。

压气机喘振，将对发动机造成严重危害，压气机叶片、涡轮叶片、燃烧室等机件可能因振动和高温而损坏，发动机可能过富油熄火，发动机性能急剧恶化，严重危及飞行安全。

所以，飞行员应理解形成压气机喘振的条件，注意防止压气机喘振，同时应熟悉压气机喘振的现象，飞行中注意监控发动机状态，正确及时判断和处置。

2.气机喘振的根本原因
压气机喘振的根本原因是气流分离，这种分离是由于压气机工作状态严重偏离了设计工作状态而引起的。

下面我们分析压气机中气流分离是怎样形成和发展的。

压气机在设计状态工作时，气流方向与叶片前缘方向基本一致，可以认为没有分离，属于附体气流。

当压气机处于非设计状态工作时，就产生了气体流动和叶片几何形状即气动参数和几何参数不相适应的矛盾，这时气体就要产生分离流动。

如果压气机工作状态严重地偏离了设计工作状态，气体流过叶栅时，发生严重的气流分离，强烈的涡流几乎堵塞整个叶片通道，气流忽断忽续，就会造成压气机进入喘振状态。

可见，压气机发生喘振的根本原因在于气流分离，因此，分析喘振的形成过程，应从分析气流分离入手。

气体流过压气机叶栅时，是否会发生分离；气流分离后，是否会继续发展。

这要由气流进入叶轮时的相对速度W1的方向而定。

而相对速度的方向取决于轴向速度和圆周的比值，这个比值叫做流量系数，用Ca表示，即：
Ca = Ca / u
当压气机在设计状态下工作时，流量系数等于
设计值，即Ca = Ca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 ≈0，气流基本不分离，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
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。

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*)1/2/ P1* = f(M1a) , 即m换是压气机进口轴向马赫数的函数。

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:
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
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*
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
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
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
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
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；。