PT6A_27型发动机压气机喘振问题的分析(精)

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ECHNOLOGY
科技纵横
2010.4CHINA EQUIPMENT
【摘
要】在Y12型飞机地面开车的时
候,从慢车加速到大功率时,偶尔发动机的声
音由尖哨转变为低沉;发动机的振动加大;转速不稳定,推力突然下降并且有大幅度的波动;发动机的排气温度升高;严重时会发生放炮偶尔会听到些异常声。

这就是所谓的发动机发生了喘振。

而对于涡轮螺旋桨发动机来说,喘振在压气机工作中危害很大,对于工作人员有些原理,发生原因不很清楚,解决办法也很棘手。

本文对Y12型飞机压气机结构工作原理喘振原理加以分析说明。

对工作中出现的故障从理论角度加以解释,从而使解决这方面问题有所借鉴。

【关键词】喘振压气机发动机流量攻角叶栅
1.Y12型飞机发动机简介
Y12型飞机的发动机是采用加拿大惠普公司生产的PT6A--27涡轮螺旋桨发动机。

最大应急功率为680SHP 轴马力,最大Ng 为38100rpm 。

它的压气机是三级轴流,一级离心,增压比为7:1.它的轴流压气机由转动件和静子件组成。

转动件包括转子叶片(工作叶片轮盘和轴,被支撑在前后轴承上,静子件包括静子叶片(导向叶片和机匣。

在三级转
子中,第一级转子由钛合金制成,
44个叶片,第二、第三级转子是不锈钢制成,有40个叶片。

转子叶片是用楔形接合法安装到各自的圆盘中。

2.压气机工作原理2.1基元级速度三角形
轴流压气机有多级组成,每级由一圈转
子和静子级成。

如果我们用某直径的圆柱面截取压气机的一个级,并展为平面,即得一个由两排平面叶栅组成的基元级。

基元级是构成压气机的基本元素。

当气流经过动叶栅(转子,在它的前后构成两个速度三角,如图a
V 表示绝对速度,
w 为相对速度,u 为转子轮缘速度
由于轴流压气机级的增压比小,且在级的前后流程通道尺寸径向尺寸逐渐缩小,所以可假定在级的进出口的轴向分速不变,即V 1a =V 2a =V 3a 。

如再假定V 1、V 3方向一致。

就可把叶轮前后的两个速度三角形画在一起。

如图b 。

2.2增压原理
从速度三角形看,气流经过动叶栅,相对速度从W 1降为W 2,绝对速度从V 1升到V 2,叶轮对气流做功,轮缘功
W u =(V 22-V 12/2+(W 12-W 22/2
上式右边第一项为气流经过转子所获动能,第二项表示气流经过转子有多少相对动能转化为气体静压的提高。

由于转子叶片对气流做功增加气流速度,根据气动原理,它的冲压也增加,但这些
增加量还比不上扩压的影响。

如图,
当气流流过转子叶片时,叶片剖面形状决定了通道是扩散的。

根据伯努力原理,气流的静压增强。

当流过静子叶片时,动能没增加,气流速度、冲压会下降,其下降数量是前一级转子中所增加的值。

由于静子叶片形成通道也是扩散的,它的静压也增加。

这样气流通过每一基元级时速度几乎不变,而压力(冲压和静压的总和增加了。

气流通过整个压气机时达到了压力增大的设计目的。

压气机能增加气流压力,主要是压气机涡轮输入的能量。

而每个转子或静子与气流之间都要有一定攻角。

这样就在每个叶片上下表面形成不同的压力区,如下图。

而这样排列又使相邻两个级的压力区相互影响。

我们称它为瀑布效应。

正是这种效应使气流进入压气机象进入泵中一样,气流在第一级转子高压区被压入第一级静子低压区以此方式气流流过整个压气机。

3.失速和喘振
3.1攻角:叶片进口气流的相对速度w 1
和方向β1在设计条件下也不一定与叶片几何进口角β1k 一致,它们的差值称为攻角。

如图所示
i=β1k -β1=β1k -arctg(V 1a /u
从速度三角形可看出β1k 是一定的。

攻角i 取决(V 1a /u ,当(V 1a /u 减小,则i 增加。

攻角过大就会发生气流在压气机叶片的叶背分离。

这就是失速。

压气机叶片失速造成气流流
动减慢、
停止、甚至倒流,其效率下降。

这只是局部的。

对于发动机开车时,操作人员无法通过仪器知道哪片叶片失速。

而这些失速叶片有连锁反应,当某一局部失速,他后面级的叶片都有失速可能,引起压气机喘振。

3.2失速的原因主要有:3.2.1进气气流不稳定,紊流(V 1a 下降3.2.2发动机突然加速引起富油,而造成
燃烧室压力增加(V 1a 下降。

3.2.3叶片形状损坏,影响气动力效果。

3.2.4压气机涡轮轴损坏(V 1a u 都下降。

3.3喘振
压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率,高振幅的震荡现象。

这种低频率高振幅的气流振荡是一种很大的激振力来源,他会导致发动机机件的强烈机械振动和热端超温,并在很短的时间内造成机件的严重损坏,所以在任何状态下都不允许压气机
进入喘振区工作。

当失速发展到一定程度,
整个压气机通道受阻,压比突然下降。

后面的高压气体始终有一种回冲趋势。

当气流前进的动能不足以克服气流回冲趋势(或反压作用,气流就要倒流。

可是一发生倒流,随即消除了反压。

气流在叶片推动下,又开始正向流动,流量又嫌小。

如此反复,就造成了压气机内部气柱的纵向振荡,即喘振。

当它发生时,小面积能引起压气机气动性能
恶化,使叶片受到一种频率低、
强度大的振荡力;当喘振严重时,会发出类似于放炮声,低沉,甚至引起发动机熄火。

对于发动机部件损害很大。

3.4压气机喘振发生的条件
3.4.1发动机转速减小而偏离设计值。

3.4.2压气机进口总温升高。

3.4.3发动机空气流量骤然减少。

3.4.4发动机损伤和翻修质量差如发动机的防喘机构有故障而失调,外来物等都可能造成压气机喘振
4.防喘措施
目前防止发生喘振的措施有四个方面:4.1在设计压气机时应合理选择各级之间流量系数。

4.2在轴流式压气机的第一级,或者前面若干级中,装设可转导向叶的防喘措施。

PT6A-27型发动机压气机喘振问题的分析
文/叶
斌
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(上接第132页
冲突的主要源头。

因此,在坚持可持续发展战略的要求下,有关资源和环保的问题成为制造业的热点。

3.4采用回收再生与复用技术,实现资源、能源和物料的可再生循环,传统的产品链包括;原材料、加工件、成套组装、使用、零部件更换或报废、二次原料资源,形成一个开式
循环、
能耗、资源消耗严重,甚至污染环境,采用新型加工工艺和修复技术,使已丧失功能的零部件重新恢复甚至超过原性能要求,发达国家早在上个世纪未就开始应用。

其中,仅汽车零件回收、拆卸、翻新一项,每年就可获利数十亿美元的高额回报。

4.绿色制造技术的发展趋势4.1绿色产品清洁生产技术,包括节省资源的生产技术,主要从减少生产过程中消耗的能量,减少原材料和减少生产过程中的其他消耗三方面的研究。

面向环保的生产技术,主要研究减少生产过程中的污染,包括减少生产过程中的废料,减少有毒有害物质、降低嗓声和振动等,产品包装技术,产品包装形式,包装材料,以产品贮存,运输等方面都要考虑环境影响的因素。

4.2再制造工程技术,也就是产品可拆卸,可回收,可修复技术,利用计算机辅助设
计,尽量简化工艺,优化配置提高系统运作效
率,使原材料和能源的消耗量少,使零部件标准化,模块化设计达到最佳效果,可方便拆卸,可回收,并使表面工程技术和热处理技术等选择进加工工艺技术,达到恢复原有性能和技术要求的目的,实现其再利用。

4.3成形制造技术向净成形方向发展,成形制造技术包括铸造、焊接、塑性加工等。

目前它正从接近零件形状向直接制成工作,即精密成形或净成形方向发展。

这些工作有些可以直接或者稍加处理即可用于组产品,这样就可以大大减少原材料和能源的消耗。

4.4干式切削加工技术,传统的切削加工都要使用切削液,切削液的广泛使用需消耗大量的能源泉和资源,而且切削液对环境的污染也较为严重,甚至危害人员健康,干式切削加工顾名思义就是加工过程中不采用任何冷却液的加工方式。

干式切削加工简化了工艺、减少成本并消除了冷却液带来的一系列污染,如废液排放和回收等等;干式加工在国外已经得到应用,采用干车削、干磨削、干镗削等都取得了一定的成果。

4.5低能耗的绿色制造技术,例如:哈尔滨电机厂等机械制造企业在生产机械设备时,需要大量钢铁、电力、煤炭和有色金属等资源,随着地球上矿物资源的减少和近期国
际市场石油的不断波动,节能降耗已经是不争的事实,对此采取绿色材料,减少加工余量,虚拟设计,新型刀具材料等先进国工技术,达到最大降低能耗的目的。

结束语
绿色产品及设计是人类可持续发展战略在制造业的体现。

它考虑环境和资源既要满足经济发展的需要,又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要,从而形成了一种综合性的发展战略。

研究表明,产品性能的70%-80%是由设计阶段决定的,设计阶段是产品生命周期的源头,因此绿色设计是生产绿色产品的保障,是绿色制造技术的核心。

绿色制造技术已成为制造业先进技术的重要标志,也是我国经济建设可发展的重要因素之一。

制造企业应当认识到,绿色制造不仅是一个社会效益显著的行为,也是取得经济效益的有效手段。

要积极培养和引进绿色制造方面的人才,加强同国外绿色制造方面的专家进行交流,吸收先进的绿色制造技术,从而推进绿色制造技术的研究和开发应用。

(作者单位:哈尔滨电机厂有限责任公司大电机研究所
4.3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。

4.4把一台高压比的压气机分解成为两
个压缩比较低的高、
低压压气机,依次串联工作;并分别用两个转速可以独立变化的透平来带动的双轴(转子发动机方案,可以扩大高压比压气机的稳定工作范围。

(1放气防喘方式
本文着重介绍中间级放气法,放气防喘方法就是压气机中间级放气。

放气位置在压气机中部由活门控制。

放气活门根据发动机转速在一定范围内工作。

以压气机进口压力或压力比的变化来自动改变放气活门的开与关。

(2通用特性图和喘振裕度
放气活门的设计必然损失了一些高压气流,浪费了来自涡轮对气流作的功作为代价。

这种思想是根据发动机过渡控制方案而产生的。

目的就是使发动机在过渡工作状态迅速、稳定、可靠地进行。

而按压气机进出口压力的函数关系设计过渡控制是目前采用较普遍的方法。

空气压力升高一般反映了空气流量的增大,这种保持Ng 的增加(即增压比的增加与气流量的增加相适应的加速控制方案也便于实现最佳防喘加速供油曲线。

如图,每台压气机在给定增压比\速度
和气流质量的条件下,都有最佳工作状态,这就是最佳设计点。

图中看出设计点在失速区以下的稳态线上。

沿着稳态线改变压气机增压比、发动机速度、气流质量都不能发生喘振。

在给定压气机速度后,在稳态线和失速线之间的工作区域很窄,通常用喘振裕度表示,它可以描述压气机可靠工作的程度。

如果超过这个区域,压气机就要发生喘振;相反,如果工作区在稳态线以下,就没有达到发动机设计的目标,所要求的功率就不可能达到。

(3Y 12防喘放气活门工作原理
Y12飞机发动机的放气活门设计要求是Ng 在86%开始关,91%全关闭,放气活门装在燃气发生器外壳的7点钟处,由四个螺栓固定住。

它有一个活塞式的活门装在一个带口的罩壳中。

一个滚动隔膜把这个活塞支撑在罩壳的镗孔中。

这薄膜可以使活塞向开口或闭口方向作全行程的移动而同时又有效地在活塞顶部封严住空气室。

燃气发生器外壳中
有一个口子,让压气机级间的空气流(P2.5
可以直接通到放气活门活塞的底部(如下图
压气机的输出空气(P3
分流出来,通过这个活门件中的一个固定小孔进行计量,然后经过活塞的顶上通过一个计量堵塞(收集-扩散小孔流到活门外面的大气中。

在两个小孔之间的控制压力(Px 作用在放气活门活塞的顶上,这样当Px 大于P2.5时放气活门关
闭。

在关闭位置时由于Px 的作用,活塞压在它的座中而把口子封住。

相反当Px 小于P2.5,
放气活门打开,从而让级间空气(P2.5释放到大气中。

从而达到防喘的目的。

(4放气活门系统容易出现的故障问题在平时的维护中,会遇到一些问题:
①膜片漏气,在这种情况下,Px =P2.5活门关不严或关闭晚,气流损失大,增压比小,从压气机特性曲线可看出压气机效率降低,工作区在稳态线以下,发动机功率也会降低。

表现为Ng 上升慢,且达不到最大;扭矩TQ 上升更慢,且小得多。

②Px 孔堵,放气活门晚关,现象类似膜片漏气。

③计量孔堵,Px 压力上升,活门早关,易发生喘振。

发生上述故障后,采取措施是:按《Y12维护手册》的规定,检查气路,用超声波清洗气滤,或更换放气活门组件。

小结
本文讲述压气机的结构,工作原理。

着重阐明压气机失速,喘振原理,以Y12涡轮螺旋桨发动机的防喘为例子,描述了在外场中该系统的典型故障分析。

对于从事
Y12型飞机
维护的空、
地勤人员的工作是个参考。

限于作者的理论水平和实践经验,文中必有不少缺点和错误,请读者批评指正。

参考文献
[1]《航空燃气涡轮发动机》尚义著国防工业出版社.
[2]《航空发动及专业英语》邓福庆著中国民航学院出版.
(作者单位:哈尔滨飞机工业集团有限责任公司
205。