某型發(fā)動機喘振及喘振裕度分析

潘彬

摘 要：本文闡述了航空發(fā)動機的喘振機理以及某型發(fā)動機的防喘設(shè)計，通過計算該型發(fā)動機的喘振裕度，示范了喘振裕度的分析和計算方法。本文對分析發(fā)動機喘振和喘振裕度具有參考意義。

關(guān)鍵詞：喘振；防喘措施；喘振裕度

中圖分類號：V263.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0069-03

1 引言

喘振是航空發(fā)動機壓氣機的一種不穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)航空發(fā)動機進入喘振狀態(tài)時，發(fā)動機部件（首先是壓氣機）將會產(chǎn)生強烈的機械振動，造成發(fā)動機使用壽命的損耗或零部件的損壞。同時，喘振還會造成發(fā)動機空氣流量的減少，引起渦輪部件的超溫，對發(fā)動機的正常工作帶來很大的威脅。

某型發(fā)動機是我國常用的渦輪螺旋槳發(fā)動機，該型發(fā)動機通過放氣活門設(shè)計，等轉(zhuǎn)速設(shè)計來防止喘振。

2 喘振機理

為了描述壓氣機工作時的氣流狀態(tài)，先引入流量系數(shù)的概念（見公式1）：

（公式1）

式中，為流量系數(shù)，Ca為氣流的軸向速度，u為壓氣機葉片葉尖的線速度。

當(dāng)壓氣機處于設(shè)計工況且流量系數(shù)等于設(shè)計值時，轉(zhuǎn)子葉片的氣流攻角為0，空氣能夠順利流入壓氣機各排葉柵，葉柵通道的葉背與葉盆都不會發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，發(fā)動機不會發(fā)生喘振。如圖1所示。

當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，空氣流量減小時，Ca減小，u不變，于是流量系數(shù)減小，此時氣流攻角大于0。當(dāng)?shù)谝患墘簹鈾C轉(zhuǎn)子葉片氣流攻角大到一定程度時，氣流就會在葉背處發(fā)生附面層分離，如圖2所示。由于流量系數(shù)的減小，壓氣機各級的增壓比大于設(shè)計值，氣流的軸向速度分量逐漸減小，流量系數(shù)進一步減小，氣流的正攻角特性加強，氣流在葉背的分離程度加強，極限狀態(tài)就是失速或者喘振，壓氣機的末級更容易發(fā)生喘振。

相反，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，空氣流量增大時，壓氣機第一級轉(zhuǎn)子葉片氣流攻角小于0，氣流有可能在葉盆處發(fā)生分離，如圖3所示。對于壓氣機后面級，氣流的負攻角特性加強，氣流在葉盆的分離程度加強。但是由于慣性力的作用和壓比的減小，葉盆的附面層分離往往不會嚴重的發(fā)展下去，所以這種情況一般不會發(fā)生喘振。

除此之外，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的改變也可能導(dǎo)致喘振的發(fā)生。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)計值時，壓氣機的空氣流量降低，對壓氣機第一級葉片，Ca的縮小率大于u的縮小率，第一級轉(zhuǎn)子葉片的流量系數(shù)低于設(shè)計值，氣流攻角大于0，氣流容易在葉背處發(fā)生附面層分離，如圖2所示。而壓氣機后面級的增壓比逐漸減小，氣流的軸向速度分量逐漸增大，氣流攻角逐漸減小，最終呈現(xiàn)負攻角，如圖3所示。極限狀態(tài)下，發(fā)動機呈現(xiàn)“前喘后堵”工作狀態(tài)。

相反，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于設(shè)計值時，壓氣機前面級會出現(xiàn)負攻角特性，后面級會出現(xiàn)正攻角特性。極限狀態(tài)下，發(fā)動機呈現(xiàn)“前堵后喘”工作狀態(tài)。

綜上所述，導(dǎo)致航空發(fā)動機喘振的原因主要有兩方面：空氣流量的減少；超轉(zhuǎn)速或低轉(zhuǎn)速。

3 某型發(fā)動機的防喘設(shè)計

某型發(fā)動機使用10級軸流式壓氣機，為避免發(fā)動機起動過程中喘振，該型發(fā)動機在壓氣機第5級和第8級各裝有兩個放氣活門。

除此之外，該型發(fā)動機采用了等轉(zhuǎn)速設(shè)計，通過控制螺旋槳槳距來維持轉(zhuǎn)速恒定。當(dāng)往上推油門時，轉(zhuǎn)速有變大趨勢，調(diào)速機構(gòu)控制螺旋槳變大距，阻止轉(zhuǎn)速的上升，下拉油門時，轉(zhuǎn)速有變小的趨勢，調(diào)速機構(gòu)控制螺旋槳變小距，阻止轉(zhuǎn)速的下降。等轉(zhuǎn)速的設(shè)計避免了因轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致喘振。

3.1 放氣活門防喘機理

發(fā)動機在起動過程中，轉(zhuǎn)速低于設(shè)計值，需要采取相應(yīng)的措施避免發(fā)動機喘振。

該型發(fā)動機在起動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到一定數(shù)值后，放氣活門打開。此時，放氣口截面前后的空氣流量是不等的，放掉部分空氣后，減少了氣流通道的阻力，降低了前幾級的背壓，使前幾級的空氣流量增加，相應(yīng)地，前幾級的軸向速度和流量系數(shù)也增加，從而消除了前幾級由于攻角過大而引起的失速和發(fā)生喘振的可能。同時，由于放掉了空氣，使放氣口截面后面幾級壓氣機的空氣流量減少，相應(yīng)地，后幾級的軸向速度和流量系數(shù)減少，從而消除了后幾級由于攻角過小而引起的氣流堵塞情況。

3.2 等轉(zhuǎn)速設(shè)計防喘機理

等轉(zhuǎn)速設(shè)計保證了發(fā)動機在正常工作狀態(tài)時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持恒定。避免了轉(zhuǎn)速變化造成喘振的可能。

4 某型發(fā)動機的喘振裕度計算

喘振裕度是指在均勻進氣條件下，壓氣機喘振邊界上的有關(guān)參數(shù)和工作線上對應(yīng)參數(shù)之間的相對差值。在發(fā)動機工作中，為了確保飛行的安全，我們應(yīng)當(dāng)盡量使發(fā)動機的工作線遠離喘振邊界，也就是增大發(fā)動機的喘振裕度。

本文利用某型發(fā)動機的壓氣機特性曲線，對發(fā)動機的喘振裕度進行分析。喘振裕度的分析方法較多，本文主要介紹等換算流量喘振裕度、等換算轉(zhuǎn)速喘振裕度的計算方法。

4.1 等換算流量喘振裕度

如圖4所示，在壓氣機特性曲線上取5條等換算流量線，每條等換算流量線與壓氣機工作線和喘振邊界各有一個交點，利用交點對應(yīng)的增壓比即可求出每個換算流量對應(yīng)的等換算流量喘振裕度。

將數(shù)據(jù)帶入公式2，可求得各換算流量下，壓氣機的等換算流量喘振裕度，計算結(jié)果見表1。

由表1可以看出，當(dāng)發(fā)動機換算流量在Gcor1附近時，壓氣機的喘振裕度最大，但是，Gcor1對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，是發(fā)動機起動過程的某一狀態(tài)。因此，對于該型發(fā)動機的壓氣機，為保證足夠的安全性，應(yīng)將其換算流量設(shè)計在Gcor3或者Gcor4附近。

4.2 等換算轉(zhuǎn)速喘振裕度

等換算轉(zhuǎn)速喘振裕度是在等轉(zhuǎn)速線上確定的，即是在等換算轉(zhuǎn)速條件下，喘振邊界點參數(shù)和工作點參數(shù)之差除以工作點參數(shù)。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入公式3和公式4，可求得考慮換算流量和不考慮換算流量時壓氣機的等換算轉(zhuǎn)速喘振裕度，計算結(jié)果見表2。

由表2可以看出，當(dāng)換算轉(zhuǎn)速在ncor3與ncor4附近時，不管是否考慮換算流量，發(fā)動機的喘振裕度都比較高，在飛機飛行過程中，為使發(fā)動機的工作線遠離喘振邊界，就應(yīng)當(dāng)使發(fā)動機的換算轉(zhuǎn)速維持在ncor3與ncor4附近。

5 結(jié)語

通過對某型發(fā)動機的防喘設(shè)計和喘振裕度進行分析，積累了科學(xué)的分析與計算方法，對該型發(fā)動機的喘振故障分析提供了借鑒。該喘振裕度的計算方式也適用于其他型號發(fā)動機的喘振裕度計算。

參考文獻

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