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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