壓氣機的喘振及防喘

1、壓氣機的喘振及防喘措施 1. 在壓氣機中發(fā)生喘振的原因在壓氣機中發(fā)生喘振的原因 2. 壓氣機中防止喘振的措施壓氣機中防止喘振的措施在壓氣機中發(fā)生喘振現(xiàn)象在壓氣機中發(fā)生喘振現(xiàn)象 我們在研究壓氣機特性線時已經(jīng)指出：在壓氣機 特性線當?shù)淖髠?cè)，有條喘振邊界線。假如流經(jīng)壓氣的 空氣流量減小到一定程度，而使運行工況進入到喘振 邊界線的左側(cè)，那么，整臺壓氣機就不能穩(wěn)定工作。 那時，空流量就會出現(xiàn)波動，忽大忽??；壓力出現(xiàn)脈 動，時高時低；到嚴重時，甚至會出現(xiàn)氣流從壓氣的 進口處倒流出來的現(xiàn)象；同時還會伴隨著低頻的怒吼 聲響；這時還會使機組產(chǎn)生強烈地振動。這種現(xiàn)象通 稱為喘振現(xiàn)象。在機組的實際運行中，我們決不能

2、容 許壓氣機在進入喘振工況。 在壓氣機中發(fā)生喘振的原因在壓氣機中發(fā)生喘振的原因 喘振現(xiàn)象究竟是怎樣產(chǎn)生的呢？通常認為：喘振現(xiàn)象的發(fā)生總是與壓氣機通流部分中出現(xiàn)了嚴重的氣流脫離現(xiàn)象有密切關系。 當壓氣機在偏離設計工況的條件下運行時，在壓氣機工作葉柵的進口處，必然會出現(xiàn)氣流的正沖角或負沖角 。當這種沖角增大到某種程度時，粘附在葉型表面上的氣流附面層在逆流動方向的的壓力梯度下就會出現(xiàn)局部逆流區(qū)，形成渦流，造成附面層的分離，以致發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象。流量變化時，在葉柵的流道中出現(xiàn)的氣流脫離現(xiàn)象 壓氣機葉柵中的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象 試驗表明：在葉片較長的壓氣機級中，氣流的脫離現(xiàn)象多半 發(fā)生在沿葉高方向的局部范圍內(nèi)

3、（例如在葉片的頂部）。但是， 在葉片較短的級中，氣流的脫離現(xiàn)象卻有可能在整個葉片的高 度上同時發(fā)生。 此外還必須指出：上述那種氣流脫離現(xiàn)象，往 往并不是在壓氣機工作葉柵沿圓周整圈范圍內(nèi)同時發(fā)生的。試 驗研究表明：一般來說，由于葉柵中葉片形狀和分布不均勻性 和氣流沿周向分布的不均勻性，在小流量大沖角的工況下，氣 流的脫離往往總是在某一個或幾個葉片上發(fā)生的。一般情況， 在整個環(huán)形葉柵沿圓周方向范圍內(nèi)，可以同時產(chǎn)生幾個比較大 脫離區(qū)，而這些脫離區(qū)的寬度只不過涉及到一個或幾個葉片通 道而已。同時還應該指出：這些脫離區(qū)并不是固定不動的，這 些脫離區(qū)會依次沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向轉(zhuǎn)移。因而， 這種脫離

4、現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)脫離。旋轉(zhuǎn)脫離的現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的 正常工況下與喘振工況下壓力與氣流速度變化的波形示意圖 壓氣機的工作系統(tǒng)圖多級軸流式壓氣機在非設計狀態(tài)下的工作特點 會出現(xiàn)工作不協(xié)調(diào)現(xiàn)象多級軸流式壓氣機在非設計狀態(tài)下的工作特點(1) 壓氣機中壓比的變化必然會引起第一級與末級入口處軸向分速比的相應變化，而且，當壓氣機的設計壓比越大，這種變化也越大。而壓氣機的壓比會隨轉(zhuǎn)速或進口溫度的變化而改變的。當實際工作轉(zhuǎn)速比設計轉(zhuǎn)速低時 這時壓氣機的壓比要下降。這時末幾級中的空氣壓力和密度降低了。而在前幾級中，與設計工況相比較，其壓力和密度反而卻均有所提高。因為在大氣壓力 恒定不變的前提下，隨著空氣流量 的減小，這

5、時，氣流在壓氣機進口收斂器中的降壓加速效應減弱了。同時，由于進氣流道中（空氣過濾器、消聲器）的氣流速度的降低，流動的壓力損耗又略有所下降，因而，在壓氣機的第一級入口處，氣流的壓力 和密度 ，反而比設計工況下的數(shù)值要高。這樣就使軸向分速比增加了。比值 的增加意味著，當轉(zhuǎn)速下降時，軸向分速 CZZ下降得比軸向分速 C1Z 慢些。在軸流式壓氣機中，由于各級的直徑變化不大，可以近似地認為各級圓周速度相等。由于cz 和u的變化不協(xié)調(diào)，結(jié)果使各級中的流量系數(shù) 發(fā)生變化，流入各級的氣流方向就發(fā)生變化。 經(jīng)驗指出：與設計工況偏離最遠的是前幾級和末幾級，而中間各級相對于設計工況的變化較小。這時，在前幾級中的流量

6、系數(shù)減小，而在最后幾級中會增加。在中間級中，流量系數(shù)變化很小。 當壓氣機在高于設計轉(zhuǎn)速的情況下工作時 這時壓比增大，軸向分速比減小。在前幾級中，流量系數(shù)增加，沖角減小。而在末幾級中，流量系數(shù)減小，沖角加大。當其正沖角增加得太甚時，也可能就可能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離和進入喘振工況。 但一般在燃氣輪機中，高于設計轉(zhuǎn)速下運行是不希望的。因而，后一種喘振工況不會經(jīng)常遇到；可是，在燃氣輪機的啟動、停機過程中，或是在變轉(zhuǎn)速的工況下運行時，壓氣機卻會經(jīng)常處在低于設計轉(zhuǎn)速的情況下工作。那時，壓氣機就很有可能由于在前幾級中發(fā)生強烈的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象而進入喘振工況。為了保證機組啟動、停機過程和低轉(zhuǎn)速工況下能夠正常運行，就必須采

7、取相應的防喘振措施。轉(zhuǎn)速低于設計轉(zhuǎn)速時各類級沖角的變化對壓氣機的喘振現(xiàn)象可以歸納出以下幾點看法對壓氣機的喘振現(xiàn)象可以歸納出以下幾點看法 1. 壓比越高的壓氣機，或者是總壓比越高和級數(shù)越多的壓氣機，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。這是由于在這種壓氣機的葉柵中，氣流的擴壓程度比較大，因而也就容易使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象。. 2. 多級軸流式壓氣機的喘振邊界線不一定是一條平滑的曲線，而往往可能是一條折線。據(jù)分析認為：其原因可能是由于在不同的轉(zhuǎn)速工況下，進入喘振工況的級并不相同的緣故。 3. 在多級軸流式壓氣機中，發(fā)生在最后幾級的喘振現(xiàn)象，要 比在最前幾級中發(fā)生的喘振現(xiàn)象更加危險。因為在壓氣機的最后幾級中發(fā)生喘振

8、現(xiàn)象時，機組的負荷一定很高，而這些級的葉片又比較短，氣流的脫離現(xiàn)象很可能在整個葉高范圍內(nèi)發(fā)生，再加上該處的壓力又很高，壓強的波動就比較厲害，因而氣流的大幅度脈動就會對機組產(chǎn)生非常嚴重的影響。 4. 進、排氣口的流動情況很不均勻的壓氣機，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。 壓氣機中防止喘振的措施壓氣機中防止喘振的措施 在大致了解了發(fā)生喘振現(xiàn)象的基本原因之后，就有條件來討論壓氣機中防止喘振的措施。 概括起來說，目前有以下的措施： 1. 設計壓氣機時，應該合理地選擇各級之間的流量系 數(shù)的分配關系，力求擴大壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。 2. 采用可轉(zhuǎn)的進口導葉和靜葉的防喘措施。 3. 在壓氣機通流部分的某一個或若干個截

9、面上，安 裝防喘放氣閥的措施。 4. 用雙轉(zhuǎn)子壓氣機措施。 設計壓氣機時，應該合理地選擇各級之間的流量系數(shù) 在低轉(zhuǎn)速下，不穩(wěn)定工況產(chǎn)生的原因是低壓級流量系數(shù)（Cz/u) 會減小，正沖角會增大，隨著流量系數(shù) 值的減小，氣流正沖角的增大，氣流在葉型背弧處出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，再進一步出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫離之后，低壓級就會逐漸趨近于喘振工況。當達到某個極限值時，在低壓級中就會產(chǎn)生強烈的氣流脫離現(xiàn)象，以致進入到喘振工況。因而設計時就應該把壓氣機前幾級的流量系數(shù)選得大些。此外，這些級的作功量也應該取得小些，這樣就能保證壓氣機前幾級不容易進入喘振工況。 而這時高壓級中則流量系數(shù) 會增大，負沖角增大，氣流在葉型內(nèi)弧處出現(xiàn)脫離

10、現(xiàn)象。因而設計時就應該把壓氣機后幾級的流量系得較小些，其加功量也應選得小些。而增加中間各級的加工量，以提高全臺壓氣機的效率。壓氣機進口可轉(zhuǎn)導葉的示意圖 逐步開關式的進口導葉 逐步開關式即通常所說的全程調(diào)節(jié)，當轉(zhuǎn)速升至某動作轉(zhuǎn)速時， 進口導葉開始從“關”（34o)的位置隨著轉(zhuǎn)速的升高逐漸開大到“開”(84o)的位置，此后不再隨著轉(zhuǎn)速的進一步升高而開大。當轉(zhuǎn)速下降到一定轉(zhuǎn)速后，進口導葉開始關小，隨著轉(zhuǎn)速的降低逐漸關小至“關”(34o)的位置，此后不再隨著轉(zhuǎn)速的進一步降低而關小。 逐步開關式更有利于對壓氣機性能的改善。采用進口可轉(zhuǎn)導葉還能帶來一些其他好處 采用了進口可轉(zhuǎn)導葉的措施，不僅可以防止壓氣機

11、的第一級進入到喘振工況，而且還能使其后各級的流動情況也得到改善。因為，當壓氣機第一級動葉柵中氣流的正沖角減小時,級的作功量就會減小。也就是說，在第一級出口處,空氣的壓力會減小，這樣就可以增大流到其后各級中去的空氣容積流量，使這些級的氣流的正沖角也適當減小，因而也有利于改善這些級的穩(wěn)定工作特性。 靜葉的轉(zhuǎn)動，其道理和進口可轉(zhuǎn)導葉一樣?？紤]到中間級在低速時，偏離設計情況不大，一般就不必轉(zhuǎn)動靜葉了。根據(jù)實踐，對高壓比的壓氣機，一般轉(zhuǎn)動前面一、二級的靜葉已效果明顯，只有在壓比很高時，才需要轉(zhuǎn)動更多的靜葉。 既然，改變壓氣機的進口可轉(zhuǎn)導葉的安裝角的措施能夠改善壓氣機的喘振特性，其效果就可以在壓氣機的特性

12、線上得到反映。很明顯，減小導葉按裝角時，級特性線就向左下方移動，這就意著壓氣機的喘振邊界線朝著流量減小方向移動。顯然，這就擴大了壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。 在這里還應指出，在燃氣輪機起動時，關小壓氣機進口導葉安裝角的措施，對減小機組的起其動功率也是有好處的，這是由于在這種情況下，流進壓氣機的空氣流量將會大大減小的緣故。 可轉(zhuǎn)的進口導葉的另一種用途 壓氣機采用可轉(zhuǎn)的進口導葉后可有效地擴大壓氣機的運行區(qū)域，同時還能改善燃氣輪機其他的一些性。 為了更好滿足燃氣輪機運行的需要，目前一些機組直到全速空載時，進口導葉才開到 57o 角，隨著并網(wǎng)后負荷的增加，才逐漸開到全開時的 84o 角，使得進口導葉角度的控制更為靈活。安裝防喘放氣閥的措施。 用雙轉(zhuǎn)子壓氣機措施防喘措施的共同目的 防