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。