PT6A_27型發(fā)動機壓氣機喘振問題的分析(精)

1、ECHNOLOGY【摘要】在Y12型飛機地面開車的時候,從慢車加速到大功率時,偶爾發(fā)動機的聲音由尖哨轉(zhuǎn)變?yōu)榈统?發(fā)動機的振動加大;轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,推力突然下降并且有大幅度的波動;發(fā)動機的排氣溫度升高;嚴重時會發(fā)生放炮偶爾會聽到些異常聲。這就是所謂的發(fā)動機發(fā)生了喘振。而對于渦輪螺旋槳發(fā)動機來說,喘振在壓氣機工作中危害很大，對于工作人員有些原理，發(fā)生原因不很清楚，解決辦法也很棘手。本文對Y12型飛機壓氣機結(jié)構(gòu)工作原理喘振原理加以分析說明。對工作中出現(xiàn)的故障從理論角度加以解釋，從而使解決這方面問題有所借鑒。【關鍵詞】喘振壓氣機發(fā)動機流量攻角葉柵1. Y12型飛機發(fā)動機簡介Y12型飛機的發(fā)動機是采用加拿大

2、惠普公司生產(chǎn)的PT6A27渦輪螺旋槳發(fā)動機。最大應急功率為680SHP軸馬力，最大Ng為38100rpm。它的壓氣機是三級軸流,一級離心,增壓比為7:1.它的軸流壓氣機由轉(zhuǎn)動件和靜子件組成。轉(zhuǎn)動件包括轉(zhuǎn)子葉片（工作葉片輪盤和軸，被支撐在前后軸承上，靜子件包括靜子葉片（導向葉片和機匣。在三級轉(zhuǎn)子中，第一級轉(zhuǎn)子由鈦合金制成，44個葉片，第二、第三級轉(zhuǎn)子是不銹鋼制成，有40個葉片。轉(zhuǎn)子葉片是用楔形接合法安裝到各自的圓盤中。2.壓氣機工作原理2.1基元級速度三角形軸流壓氣機有多級組成，每級由一圈轉(zhuǎn)子和靜子級成。如果我們用某直徑的圓柱面截取壓氣機的一個級，并展為平面，即得一個由兩排平面葉柵組成的基元級。

3、基元級是構(gòu)成壓氣機的基本元素。當氣流經(jīng)過動葉柵轉(zhuǎn)子，在它的前后構(gòu)成兩個速度三角，如圖aV表示絕對速度，w為相對速度,u為轉(zhuǎn)子輪緣速度由于軸流壓氣機級的增壓比小，且在級的前后流程通道尺寸徑向尺寸逐漸縮小，所以可假定在級的進出的軸向分速不變，即V1a=V2a=V3a如再假定V1、V3方向一致。就可把葉輪前后的兩個速度三角形畫在一起。如圖b。2.2增壓原理從速度三角形看，氣流經(jīng)過動葉柵，相對速度從w1降為W2,絕對速度從V1升到V2,葉輪對氣流做功,輪緣功Wu=(V22-V12/2+(W12-W22/2上式右邊第一項為氣流經(jīng)過轉(zhuǎn)子所獲動能,第二項表示氣流經(jīng)過轉(zhuǎn)子有多少相對動能轉(zhuǎn)化為氣體靜壓的提高。由

4、于轉(zhuǎn)子葉片對氣流做功增加氣流速度,根據(jù)氣動原理,它的沖壓也增加,但這些增加量還比不上擴壓的影響。如圖,當氣流流過轉(zhuǎn)子葉片時,葉片剖面形狀決定了通道是擴散的。根據(jù)伯努力原理,氣流的靜壓增強。當流過靜子葉片時,動能沒增加,氣流速度、沖壓會下降,其下降數(shù)量是前一級轉(zhuǎn)子中所增加的值。由于靜子葉片形成通道也是擴散的,它的靜壓也增加。這樣氣流通過每一基元級時速度幾乎不變,而壓力(沖壓和靜壓的總和增加了。氣流通過整個壓氣機時達到了壓力增大的設計目的。壓氣機能增加氣流壓力,主要是壓氣機渦輪輸入的能量。 而每個轉(zhuǎn)子或靜子與氣流之間都要有一定攻角。這樣就在每個葉片上下表面形成不同的壓力區(qū),如下圖。而這樣排列又使相

5、鄰兩個級的壓力區(qū)相互影響。我們稱它為瀑布效應。正是這種效應使氣流進入壓氣機象進入泵中一樣,氣流在第一級轉(zhuǎn)子高壓區(qū)被壓入第一級靜子低壓區(qū)以此方式氣流流過整個壓氣機。3.失速和喘振3.1攻角:葉片進氣流的相對速度w1和方向0在設計條件下也不一定與葉片幾何進角01致，它們的差值稱為攻角。如圖所示i=01-01=01-arctg(V1a/u從速度三角形可看出011是一定的。攻角i取決（V1aA當（V1a/減小，則i增加。攻角過大就會發(fā)生氣流在壓氣機葉片的葉背分離。這就是失速。壓氣機葉片失速造成氣流流動減慢、停止、甚至倒流，其效率下降。這只是局部的。對于發(fā)動機開車時，操作人員無法通過儀器知道哪片葉片失速

6、。而這些失速葉片有連鎖反應，當某一局部失速，他后面級的葉片都有失速可能，引起壓氣機喘振。3.2失速的原因主要有:3.2.進氣氣流不穩(wěn)定，紊流（V1a下降3.2.發(fā)動機突然加速引起富油，而造成燃燒室壓力增加（V1a下降。3.2.3十片形狀損壞，影響氣動力效果。3.2.4壓氣機渦輪軸損壞（V1aU都下降。3.3喘振壓氣機喘振是氣流沿壓氣機軸線方向發(fā)生的低頻率，高振幅的震蕩現(xiàn)象。這種低頻率高振幅的氣流振蕩是一種很大的激振力來源，他會導致發(fā)動機機件的強烈機械振動和熱端超溫，并在很短的時間內(nèi)造成機件的嚴重損壞，所以在任何狀態(tài)下都不允許壓氣機進入喘振區(qū)工作。當失速發(fā)展到一定程度，整個壓氣機通道受阻，壓比突

7、然下降。后面的高壓氣體始終有一種回沖趨勢。當氣流前進的動能不足以克服氣流回沖趨勢（或反壓作用，氣流就要倒流?？墒且话l(fā)生倒流，隨即消除了反壓。氣流在十片推動下，又開始正向流動，流量又嫌小。如此反復，就造成了壓氣機內(nèi)部氣柱的縱向振蕩，即喘振。當它發(fā)生時，小面積能引起壓氣機氣動性能惡化,使葉片受到一種頻率低、強度大的振蕩力;當喘振嚴重時,會發(fā)出類似于放炮聲,低沉,甚至引起發(fā)動機熄火。對于發(fā)動機部件損害很大。3.4壓氣機喘振發(fā)生的條件3.4.1發(fā)動機轉(zhuǎn)速減小而偏離設計值。3.4.2壓氣機進口總溫升高。3.4.3發(fā)動機空氣流量驟然減少。3.4.4發(fā)動機損傷和翻修質(zhì)量差如發(fā)動機的防喘機構(gòu)有故障而失調(diào),外來

8、物等都可能造成壓氣機喘振4.防喘措施目前防止發(fā)生喘振的措施有四個方面:4.1在設計壓氣機時應合理選擇各級之間流量系數(shù)。4.2在軸流式壓氣機的第一級,或者前面若干級中,裝設可轉(zhuǎn)導向葉的防喘措施。PT6A-27型發(fā)動機壓氣機喘振問題的分析文/葉斌204TECHNOLOGY科技縱橫（上接第132頁沖突的主要源頭。 因此,在堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求下,有關資源和環(huán)保的問題成為制造業(yè)的熱點。3.4采用回收再生與復用技術,實現(xiàn)資源、能源和物料的可再生循環(huán),傳統(tǒng)的產(chǎn)品鏈包括;原材料、加工件、成套組裝、使用、零部件更換或報廢、二次原料資源,形成一個開式循環(huán)、能耗、資源消耗嚴重,甚至污染環(huán)境,采用新型加工工藝和

9、修復技術,使已喪失功能的零部件重新恢復甚至超過原性能要求,發(fā)達國家早在上個世紀未就開始應用。其中,僅汽車零件回收、拆卸、翻新一項,每年就可獲利數(shù)十億美元的高額回報。4.綠色制造技術的發(fā)展趨勢4.1綠色產(chǎn)品清潔生產(chǎn)技術,包括節(jié)省資源的生產(chǎn)技術,主要從減少生產(chǎn)過程中消耗的能量,減少原材料和減少生產(chǎn)過程中的其他消耗三方面的研究。面向環(huán)保的生產(chǎn)技術,主要研究減少生產(chǎn)過程中的污染,包括減少生產(chǎn)過程中的廢料,減少有毒有害物質(zhì)、降低嗓聲和振動等,產(chǎn)品包裝技術,產(chǎn)品包裝形式,包裝材料,以產(chǎn)品貯存,運輸?shù)确矫娑家紤]環(huán)境影響的因素。4.2再制造工程技術,也就是產(chǎn)品可拆卸,可回收,可修復技術,利用計算機輔助設計,

10、盡量簡化工藝,優(yōu)化配置提高系統(tǒng)運作效2010.4CHINAEQUIPMENT率,使原材料和能源的消耗量少,使零部件標準化,模塊化設計達到最佳效果,可方便拆卸,可回收,并使表面工程技術和熱處理技術等選擇進加工工藝技術,達到恢復原有性能和技術要求的目的,實現(xiàn)其再利用。4.3成形制造技術向凈成形方向發(fā)展,成形制造技術包括鑄造、焊接、塑性加工等。目前它正從接近零件形狀向直接制成工作,即精密成形或凈成形方向發(fā)展。這些工作有些可以直接或者稍加處理即可用于組產(chǎn)品,這樣就可以大大減少原材料和能源的消耗。4.4干式切削加工技術,傳統(tǒng)的切削加工都要使用切削液,切削液的廣泛使用需消耗大量的能源泉和資源,而且切削液對

11、環(huán)境的污染也較為嚴重,甚至危害人員健康,干式切削加工顧名思義就是加工過程中不采用任何冷卻液的加工方式。干式切削加工簡化了工藝、減少成本并消除了冷卻液帶來的一系列污染,如廢液排放和回收等等;干式加工在國外已經(jīng)得到應用,采用干車削、干磨削、干鏜削等都取得了一定的成果。4.5低能耗的綠色制造技術,例如:哈爾濱電機廠等機械制造企業(yè)在生產(chǎn)機械設備時,需要大量鋼鐵、電力、煤炭和有色金屬等資源,隨著地球上礦物資源的減少和近期國際市場石油的不斷波動,節(jié)能降耗已經(jīng)是不爭的事實,對此采取綠色材料,減少加工余量,虛擬設計,新型刀具材料等先進國工技術,達到最大降低能耗的目的。結(jié)束語綠色產(chǎn)品及設計是人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在

12、制造業(yè)的體現(xiàn)。它考慮環(huán)境和資源既要滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要,又使其作為人類生存的要素之一而直接滿足人類長遠生存的需要,從而形成了一種綜合性的發(fā)展戰(zhàn)略。研究表明,產(chǎn)品性能的70%-80%是由設計階段決定的,設計階段是產(chǎn)品生命周期的源頭,因此綠色設計是生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的保障,是綠色制造技術的核心。綠色制造技術已成為制造業(yè)先進技術的重要標志,也是我國經(jīng)濟建設可發(fā)展的重要因素之一。制造企業(yè)應當認識到,綠色制造不僅是一個社會效益顯著的行為,也是取得經(jīng)濟效益的有效手段。要積極培養(yǎng)和引進綠色制造方面的人才,加強同國外綠色制造方面的專家進行交流,吸收先進的綠色制造技術,從而推進綠色制造技術的研究和開發(fā)應用。（作者單位:

13、哈爾濱電機廠有限責任公司大電機研究所4.3在壓氣機通流部分的某一個或若干個截面上,安裝防喘放氣閥的措施。4.4把一臺高壓比的壓氣機分解成為兩個壓縮比較低的高、低壓壓氣機,依次串聯(lián)工作;并分別用兩個轉(zhuǎn)速可以獨立變化的透平來帶動的雙軸（轉(zhuǎn)子發(fā)動機方案,可以擴大高壓比壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。（1放氣防喘方式本文著重介紹中間級放氣法,放氣防喘方法就是壓氣機中間級放氣。 放氣位置在壓氣機中部由活門控制。放氣活門根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)工作。以壓氣機進口壓力或壓力比的變化來自動改變放氣活門的開與關。（2通用特性圖和喘振裕度放氣活門的設計必然損失了一些高壓氣流,浪費了來自渦輪對氣流作的功作為代價。這種思想是

14、根據(jù)發(fā)動機過渡控制方案而產(chǎn)生的。目的就是使發(fā)動機在過渡工作狀態(tài)迅速、穩(wěn)定、可靠地進行。而按壓氣機進出口壓力的函數(shù)關系設計過渡控制是目前采用較普遍的方法?？諝鈮毫ι咭话惴从沉丝諝饬髁康脑龃?這種保持Ng的增加（即增壓比的增加與氣流量的增加相適應的加速控制方案也便于實現(xiàn)最佳防喘加速供油曲線。如圖,每臺壓氣機在給定增壓比速度和氣流質(zhì)量的條件下,都有最佳工作狀態(tài),這就是最佳設計點。圖中看出設計點在失速區(qū)以下的穩(wěn)態(tài)線上。沿著穩(wěn)態(tài)線改變壓氣機增壓比、發(fā)動機速度、氣流質(zhì)量都不能發(fā)生喘振。在給定壓氣機速度后,在穩(wěn)態(tài)線和失速線之間的工作區(qū)域很窄,通常用喘振裕度表示,它可以描述壓氣機可靠工作的程度。如果超過這個

15、區(qū)域,壓氣機就要發(fā)生喘振;相反,如果工作區(qū)在穩(wěn)態(tài)線以下,就沒有達到發(fā)動機設計的目標,所要求的功率就不可能達到。（3Y12防喘放氣活門工作原理Y12飛機發(fā)動機的放氣活門設計要求是Ng在86%開始關,91%全關閉，放氣活門裝在燃氣發(fā)生器外殼的7點鐘處,由四個螺栓固定住。它有一個活塞式的活門裝在一個帶口的罩殼中。一個滾動隔膜把這個活塞支撐在罩殼的鏜孔中。這薄膜可以使活塞向開口或閉口方向作全行程的移動而同時又有效地在活塞頂部封嚴住空氣室。燃氣發(fā)生器外殼中有一個子，讓壓氣機級間的空氣流（P2.5可以直接通到放氣活門活塞的底部（如下圖壓氣機的輸出空氣（P3分流出來,通過這個活門件中的一個固定小孔進行計量,

16、然后經(jīng)過活塞的頂上通過一個計量堵塞（收集-擴散小孔流到活門外面的大氣中。在兩個小孔之間的控制壓力（Px作用在放氣活門活塞的頂上，這樣當Px大于P2.5時放氣活門關閉。在關閉位置時由于Px的作用，活塞壓在它的座中而把子封住。相反當Px小于P2.5,放氣活門打開，從而讓級間空氣（P2.5釋放到大氣中。從而達到防喘的目的。（4放氣活門系統(tǒng)容易出現(xiàn)的故障問題在平時的維護中，會遇到一些問題:2051膜片漏氣,在這種情況下,Px=P2.5舌門關不嚴或關閉晚，氣流損失大，增壓比小,從壓氣機特性曲線可看出壓氣機效率降低,工作區(qū)在穩(wěn)態(tài)線以下,發(fā)動機功率也會降低。 表現(xiàn)為Ng上升慢，且達不到最大;扭矩TQ上升更慢，且小得多。2Px孔堵，放氣活門晚關,現(xiàn)象類似膜片漏氣。3計量孔堵,Px壓力上升，活門早關,易發(fā)