压气机原理--喘振

▪ 高压级，由于前面各级压比很低，由此该机前的压力低于设计压力， 密度低于设计工况的密度，而比体积高于设计工况的比体积，因此体 积流量相对的减少的较少，轴向速度减少的较少。
▪ 圆周速度的变化对低压级和高压级是相同的。 ▪ 从而得到上面的速度三角形。
喘振
▪ 当压气机在高于设计转速的情况下工作时，情况 相反。
压气机防止喘振的措施——2、IGV
▪ 2、采用可转的进口导叶和静叶的防喘措施 ▪ 压气机进口导叶固定不调和可调时，气流速度三角形的变化情况 ▪ a. 进口导叶不调 b.进口导叶可调 ▪ (由于在低转速工况下,压气机的前几级最容易进入喘振工况,因而,通
常就把压气机进口导叶,设计成为可轉动（可调）的。)
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。
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，轴向分速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。
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。
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。
▪ 经验指出：与设计工况偏离最远的是前几级和末几级，而中间各级相 对于设计工况的变化较小。
喘振
▪ 转速低于设计转速时各类级冲角的变化
▪ 从该图中可看出：当转速降低时（与设计转速相 比），气流在头几级中（正）冲角加大了，而冲 角增加得太甚时，就可能产生旋转脱离和喘振。 在末几级中，冲角减小，这时增压值和效率就迅 速降低。
喘振小结
▪ 1 级压比越高的压气机，或者是总压比越高和级数越多的压气机， 就越容易发生喘振现象。这是由于在这种压气机的叶栅中，气流 的扩压程度比较大，因而也就容易使气流产生脱离现象。
▪ 2 多级轴流式压气机的喘振边界线不一定是一条平滑的曲线，而 往往可能是一条折线。据分析认为：其原因可能是由于在不同的 转速工况下，进入喘振工况的级并不相同的缘故；
会较大的正冲角，而使压气机进入喘振工况：于是人们设想出在最容易进入喘振 工况的某些级的后面，开启一个或几个旁通放气阀，迫使更多的空气流过放气阀 之前的那些级（那时，流经这些级的空气流量必然要比流往放气阀后面各级中去 的空气量多，它们之间的差值，就是通过放气阀排向大气的流量），这样就有可 能避免在这些级中产生过大的正冲角，从而达到防喘的目的。
▪ 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。
▪ 静叶的转动，其道理和进口可转导叶一样。考虑到中间级在低速时， 偏离设计情况不大，一般就不必转动静叶了。根据实践，对高压比的 压气机，一般转动前面一、二级的静叶已效果明显，只有在压比很高 时，才需要转动更多的静叶。
压气机防止喘振的措施——3、防喘放气阀
▪ 3、在压气机通流部分的某一个或若干个截面上，安装防喘放气阀的措施。 ▪ 鉴于机组在启动工况和低转速工况下，流经压气机前几级的空气流量过小，以致
▪ 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。
▪ 选择防喘放气阀的安装位置甚为重要。实践表明：把防喘放气阀安装在压气机的 最前几级，并不能获得很的效果。假如把防喘放气阀安装在压气机最后几级，甚 至是安装在压气机后的排气管道上对于扩大压气机的稳定工作范围虽有好处，但 是，由于放气压力很高，由旁通放气阀排出的空气所带走的能量损失很大。因此， 人们总是愿意把防喘阀分布在压气机通流部分的若干截面上。这样，既能改善那 些流动情况最为恶劣的压气机级的工作条件，又能使放气能量不至于过大。
喘振
▪ 以设计工况为基准进行比较。设计工况下有一定的压比、各级前的压 力、体积流量，以及相应的轴向分速。
▪ 转速低于设计转速时： ▪ 压气机低压级：体积流量和压比都很小。注意进口压力，由于流量小，
流动损失小，第一级前空气的压力反而有所增加，体积流量减少较多， 因此轴向速度降低较多，由此产生正冲角，容易引起背弧脱离。
▪ 3 在多级轴流式压气机中，发生在最后几级的喘振现象，要比在 最前几级中发生的喘振现象更加危险。因为在压气机的最后几级 中发生喘振现象时，机组的负荷一定很高，而这些级的叶片又比 较短，气流的脱离现象很可能在整个叶高范围内发生，再加上当 地的压力又很高，压强的波动就比较厉害，因而气流的大幅度脉 动就会对机组产生非常严重的影响；
压气机防止喘振的措施
▪ 当对机组发出停机信号之后，并且当机组的转速已经下降到额定转速 的87.5% 时，这时再次通过油动机去推动这个大齿圈作反向转动， 使压气机的进口可转导叶的安装角重新关小到 =44的位置上。
▪ 采用了进口可转导叶的措施，不仅可以防止压气机的第一级进入到喘 振工况，而且还能使其后各级的流动情况也得到改善。因为，当压气 机第一级动叶栅中气流的正冲角减小时, 级的作功量就会减小。也就 是说，在第一级出口处，空气的压力会减小，这样就可以增大流到其 后各级中去的空气容积流量，使这些级的气流的正冲角也适当减小， 因而也有利于改善这些级的稳定工作特性。
压气机防止喘振的措施
▪ 压气机进口Hale Waihona Puke Baidu转导叶的示意图。
▪ 当燃气轮机起动时，在机组的转速升到额定转速 的95%之前，进口可转导 叶的安装角将始终固定在 =44的位置上。当机组的转速升到额定转速 时， 带动齿圈动作的油动机，在液压油的作用下，通过活塞和连杆机构的动作， 使大齿圈转动一定角度。这样，就把每个可转导叶的安装角迅速地开大到 =80的位置上。此后，当机组进入正常运行状态后，压气机进口可转导叶 的安装角将始终保持在 =80的位置上。
▪ 但一般在燃气轮机中，高于设计转速下运行是不 希望的。因而，后一种喘振工况不会经常遇到； 可是，在燃气轮机的起动过程中，或是在变转速 的工况下运行时，压气机却会经常处在低于设计 转速的情况下工作。那时，压气机就很有可能由 于在前几级中发生强烈的旋转脱离现象而进入喘 振工况。为了保证机组启动工况和低转速工况下 能够正常运行，就必须采取相应的防喘振措施。
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。
▪ 4 进、排气口的流动情况很不均匀的压气机，就越容易发生喘振 现象。
压气机防止喘振的措施——1、设计
▪ 1 在设计压气机时，应该合理地选择各级之间的流量系 数 的分配关系，力求扩大压气机的稳定工作范围。
▪ 由于在低速工况下，压气机的前几级最容易发生喘振，因 而在设计那种需要经常在低于设计转速工况下运行的压气 机时，就应该把压气机前几级的流量系数选得大些。此外， 这些级的作功量应该取得小些，这样就能保证压气机前几 级不容易进入喘振工况。反之，在设计转速恒定不变的压 气机，或者是运转速度容许比设计转速稍微高一些的压气 机，我们就应该把这类压气机的后几级的流量系数取得大 些，以扩大后面几级叶栅的稳定工作范围，使具备有较大 的喘振裕度。