壓氣機(jī)的喘振及防喘

1、壓氣機(jī)的喘振及防喘措施 1. 在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振的原因在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振的原因 2. 壓氣機(jī)中防止喘振的措施壓氣機(jī)中防止喘振的措施在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振現(xiàn)象在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振現(xiàn)象 我們?cè)谘芯繅簹鈾C(jī)特性線時(shí)已經(jīng)指出：在壓氣機(jī) 特性線當(dāng)?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(yùn)行工況進(jìn)入到喘振 邊界線的左側(cè)，那么，整臺(tái)壓氣機(jī)就不能穩(wěn)定工作。 那時(shí)，空流量就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，忽大忽??；壓力出現(xiàn)脈 動(dòng)，時(shí)高時(shí)低；到嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)氣流從壓氣的 進(jìn)口處倒流出來的現(xiàn)象；同時(shí)還會(huì)伴隨著低頻的怒吼 聲響；這時(shí)還會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈地振動(dòng)。這種現(xiàn)象通 稱為喘振現(xiàn)象。在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，我們決不能

2、容 許壓氣機(jī)在進(jìn)入喘振工況。 在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振的原因在壓氣機(jī)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(rèn)為：喘振現(xiàn)象的發(fā)生總是與壓氣機(jī)通流部分中出現(xiàn)了嚴(yán)重的氣流脫離現(xiàn)象有密切關(guān)系。 當(dāng)壓氣機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況的條件下運(yùn)行時(shí)，在壓氣機(jī)工作葉柵的進(jìn)口處，必然會(huì)出現(xiàn)氣流的正沖角或負(fù)沖角 。當(dāng)這種沖角增大到某種程度時(shí)，粘附在葉型表面上的氣流附面層在逆流動(dòng)方向的的壓力梯度下就會(huì)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(shí)，在葉柵的流道中出現(xiàn)的氣流脫離現(xiàn)象 壓氣機(jī)葉柵中的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象 試驗(yàn)表明：在葉片較長(zhǎng)的壓氣機(jī)級(jí)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(jí)中，氣流的脫離現(xiàn)象卻有可能在整個(gè)葉片的高 度上同時(shí)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(jī)工作葉柵沿圓周整圈范圍內(nèi)同時(shí)發(fā)生的。試 驗(yàn)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(gè)或幾個(gè)葉片上發(fā)生的。一般情況， 在整個(gè)環(huán)形葉柵沿圓周方向范圍內(nèi)，可以同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)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(gè)或幾個(gè)葉片通 道而已。同時(shí)還應(yīng)該指出：這些脫離區(qū)并不是固定不動(dòng)的，這 些脫離區(qū)會(huì)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(jī)的工作系統(tǒng)圖多級(jí)軸流式壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的工作特點(diǎn) 會(huì)出現(xiàn)工作不協(xié)調(diào)現(xiàn)象多級(jí)軸流式壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的工作特點(diǎn)(1) 壓氣機(jī)中壓比的變化必然會(huì)引起第一級(jí)與末級(jí)入口處軸向分速比的相應(yīng)變化，而且，當(dāng)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)壓比越大，這種變化也越大。而壓氣機(jī)的壓比會(huì)隨轉(zhuǎn)速或進(jìn)口溫度的變化而改變的。當(dāng)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速比設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速低時(shí) 這時(shí)壓氣機(jī)的壓比要下降。這時(shí)末幾級(jí)中的空氣壓力和密度降低了。而在前幾級(jí)中，與設(shè)計(jì)工況相比較，其壓力和密度反而卻均有所提高。因?yàn)樵诖髿鈮毫?恒定不變的前提下，隨著空氣流量 的減小，這

5、時(shí)，氣流在壓氣機(jī)進(jìn)口收斂器中的降壓加速效應(yīng)減弱了。同時(shí)，由于進(jìn)氣流道中（空氣過濾器、消聲器）的氣流速度的降低，流動(dòng)的壓力損耗又略有所下降，因而，在壓氣機(jī)的第一級(jí)入口處，氣流的壓力 和密度 ，反而比設(shè)計(jì)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(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，軸向分速 CZZ下降得比軸向分速 C1Z 慢些。在軸流式壓氣機(jī)中，由于各級(jí)的直徑變化不大，可以近似地認(rèn)為各級(jí)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(jí)中的流量系數(shù) 發(fā)生變化，流入各級(jí)的氣流方向就發(fā)生變化。 經(jīng)驗(yàn)指出：與設(shè)計(jì)工況偏離最遠(yuǎn)的是前幾級(jí)和末幾級(jí)，而中間各級(jí)相對(duì)于設(shè)計(jì)工況的變化較小。這時(shí)，在前幾級(jí)中的流量

6、系數(shù)減小，而在最后幾級(jí)中會(huì)增加。在中間級(jí)中，流量系數(shù)變化很小。 當(dāng)壓氣機(jī)在高于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的情況下工作時(shí) 這時(shí)壓比增大，軸向分速比減小。在前幾級(jí)中，流量系數(shù)增加，沖角減小。而在末幾級(jí)中，流量系數(shù)減小，沖角加大。當(dāng)其正沖角增加得太甚時(shí)，也可能就可能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離和進(jìn)入喘振工況。 但一般在燃?xì)廨啓C(jī)中，高于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行是不希望的。因而，后一種喘振工況不會(huì)經(jīng)常遇到；可是，在燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)過程中，或是在變轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行時(shí)，壓氣機(jī)卻會(huì)經(jīng)常處在低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的情況下工作。那時(shí)，壓氣機(jī)就很有可能由于在前幾級(jí)中發(fā)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象而進(jìn)入喘振工況。為了保證機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)過程和低轉(zhuǎn)速工況下能夠正常運(yùn)行，就必須采

7、取相應(yīng)的防喘振措施。轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)各類級(jí)沖角的變化對(duì)壓氣機(jī)的喘振現(xiàn)象可以歸納出以下幾點(diǎn)看法對(duì)壓氣機(jī)的喘振現(xiàn)象可以歸納出以下幾點(diǎn)看法 1. 壓比越高的壓氣機(jī)，或者是總壓比越高和級(jí)數(shù)越多的壓氣機(jī)，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。這是由于在這種壓氣機(jī)的葉柵中，氣流的擴(kuò)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(jí)軸流式壓氣機(jī)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(rèn)為：其原因可能是由于在不同的轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)入喘振工況的級(jí)并不相同的緣故。 3. 在多級(jí)軸流式壓氣機(jī)中，發(fā)生在最后幾級(jí)的喘振現(xiàn)象，要 比在最前幾級(jí)中發(fā)生的喘振現(xiàn)象更加危險(xiǎn)。因?yàn)樵趬簹鈾C(jī)的最后幾級(jí)中發(fā)生喘振

8、現(xiàn)象時(shí)，機(jī)組的負(fù)荷一定很高，而這些級(jí)的葉片又比較短，氣流的脫離現(xiàn)象很可能在整個(gè)葉高范圍內(nèi)發(fā)生，再加上該處的壓力又很高，壓強(qiáng)的波動(dòng)就比較厲害，因而氣流的大幅度脈動(dòng)就會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。 4. 進(jìn)、排氣口的流動(dòng)情況很不均勻的壓氣機(jī)，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。 壓氣機(jī)中防止喘振的措施壓氣機(jī)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(jī)中防止喘振的措施。 概括起來說，目前有以下的措施： 1. 設(shè)計(jì)壓氣機(jī)時(shí)，應(yīng)該合理地選擇各級(jí)之間的流量系 數(shù)的分配關(guān)系，力求擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。 2. 采用可轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉和靜葉的防喘措施。 3. 在壓氣機(jī)通流部分的某一個(gè)或若干個(gè)截

9、面上，安 裝防喘放氣閥的措施。 4. 用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)措施。 設(shè)計(jì)壓氣機(jī)時(shí)，應(yīng)該合理地選擇各級(jí)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(jí)流量系數(shù)（Cz/u) 會(huì)減小，正沖角會(huì)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(jìn)一步出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫離之后，低壓級(jí)就會(huì)逐漸趨近于喘振工況。當(dāng)達(dá)到某個(gè)極限值時(shí)，在低壓級(jí)中就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流脫離現(xiàn)象，以致進(jìn)入到喘振工況。因而設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該把壓氣機(jī)前幾級(jí)的流量系數(shù)選得大些。此外，這些級(jí)的作功量也應(yīng)該取得小些，這樣就能保證壓氣機(jī)前幾級(jí)不容易進(jìn)入喘振工況。 而這時(shí)高壓級(jí)中則流量系數(shù) 會(huì)增大，負(fù)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(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該把壓氣機(jī)后幾級(jí)的流量系得較小些，其加功量也應(yīng)選得小些。而增加中間各級(jí)的加工量，以提高全臺(tái)壓氣機(jī)的效率。壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的示意圖 逐步開關(guān)式的進(jìn)口導(dǎo)葉 逐步開關(guān)式即通常所說的全程調(diào)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至某動(dòng)作轉(zhuǎn)速時(shí)， 進(jìn)口導(dǎo)葉開始從“關(guān)”（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(jìn)一步升高而開大。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到一定轉(zhuǎn)速后，進(jìn)口導(dǎo)葉開始關(guān)小，隨著轉(zhuǎn)速的降低逐漸關(guān)小至“關(guān)”(34o)的位置，此后不再隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步降低而關(guān)小。 逐步開關(guān)式更有利于對(duì)壓氣機(jī)性能的改善。采用進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉還能帶來一些其他好處 采用了進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的措施，不僅可以防止壓氣機(jī)

11、的第一級(jí)進(jìn)入到喘振工況，而且還能使其后各級(jí)的流動(dòng)情況也得到改善。因?yàn)?，?dāng)壓氣機(jī)第一級(jí)動(dòng)葉柵中氣流的正沖角減小時(shí),級(jí)的作功量就會(huì)減小。也就是說，在第一級(jí)出口處,空氣的壓力會(huì)減小，這樣就可以增大流到其后各級(jí)中去的空氣容積流量，使這些級(jí)的氣流的正沖角也適當(dāng)減小，因而也有利于改善這些級(jí)的穩(wěn)定工作特性。 靜葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，其道理和進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉一樣?？紤]到中間級(jí)在低速時(shí)，偏離設(shè)計(jì)情況不大，一般就不必轉(zhuǎn)動(dòng)靜葉了。根據(jù)實(shí)踐，對(duì)高壓比的壓氣機(jī)，一般轉(zhuǎn)動(dòng)前面一、二級(jí)的靜葉已效果明顯，只有在壓比很高時(shí)，才需要轉(zhuǎn)動(dòng)更多的靜葉。 既然，改變壓氣機(jī)的進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角的措施能夠改善壓氣機(jī)的喘振特性，其效果就可以在壓氣機(jī)的特性

12、線上得到反映。很明顯，減小導(dǎo)葉按裝角時(shí)，級(jí)特性線就向左下方移動(dòng)，這就意著壓氣機(jī)的喘振邊界線朝著流量減小方向移動(dòng)。顯然，這就擴(kuò)大了壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。 在這里還應(yīng)指出，在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)，關(guān)小壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉安裝角的措施，對(duì)減小機(jī)組的起其動(dòng)功率也是有好處的，這是由于在這種情況下，流進(jìn)壓氣機(jī)的空氣流量將會(huì)大大減小的緣故。 可轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉的另一種用途 壓氣機(jī)采用可轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉后可有效地?cái)U(kuò)大壓氣機(jī)的運(yùn)行區(qū)域，同時(shí)還能改善燃?xì)廨啓C(jī)其他的一些性。 為了更好滿足燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的需要，目前一些機(jī)組直到全速空載時(shí)，進(jìn)口導(dǎo)葉才開到 57o 角，隨著并網(wǎng)后負(fù)荷的增加，才逐漸開到全開時(shí)的 84o 角，使得進(jìn)口導(dǎo)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(jī)措施防喘措施的共同目的 防