第二章 葉輪機械非定常流動的特點2012-2

1、第二章第二章 葉輪機械非定常流動的葉輪機械非定常流動的特點及分類特點及分類 Wangjun HUST能源與動力工程學院能源與動力工程學院流體機械及工程系流體機械及工程系2-1 2-1 旋轉分離旋轉分離( (或旋轉失速或旋轉失速) )現(xiàn)象現(xiàn)象 當壓氣機轉速保持不變而空氣流量減少時，就會當壓氣機轉速保持不變而空氣流量減少時，就會引其葉片攻角增加?？諝饬髁繙p少到一定程度既引其葉片攻角增加?？諝饬髁繙p少到一定程度既能觀察到壓氣機內(nèi)的非定常流動現(xiàn)象。此時壓氣能觀察到壓氣機內(nèi)的非定常流動現(xiàn)象。此時壓氣機發(fā)出低沉的隆隆聲并且振動增大。其機發(fā)出低沉的隆隆聲并且振動增大。其流動特點流動特點是在是在一部分葉片槽道

2、內(nèi)氣體流動速度比穩(wěn)定工況一部分葉片槽道內(nèi)氣體流動速度比穩(wěn)定工況時流動速度要低得多，甚至會出現(xiàn)倒流時流動速度要低得多，甚至會出現(xiàn)倒流。這個低。這個低速流動區(qū)一般稱之為速流動區(qū)一般稱之為失速分離區(qū)失速分離區(qū)。它以某一旋轉。它以某一旋轉速度速度u u沿動葉轉動方向傳播。這種流動現(xiàn)象是壓氣沿動葉轉動方向傳播。這種流動現(xiàn)象是壓氣機中最常見的一種不穩(wěn)定工況機中最常見的一種不穩(wěn)定工況-旋轉失速現(xiàn)旋轉失速現(xiàn)象象。 旋轉失速時在動葉旋轉失速時在動葉-工作輪后測得工作輪后測得的速度分布如圖所示的速度分布如圖所示。 一、旋轉失速流動機理一、旋轉失速流動機理 分離失速區(qū)相對于葉片排旋轉的原因可以作如下解釋分離失速區(qū)相

3、對于葉片排旋轉的原因可以作如下解釋： 當壓氣機空氣當壓氣機空氣流量減少流量減少而使葉片排而使葉片排進氣攻角增大進氣攻角增大到一定程到一定程度時，因為來流小的擾動或葉片排的加工誤差，促使某幾度時，因為來流小的擾動或葉片排的加工誤差，促使某幾個葉片比其余葉片首先個葉片比其余葉片首先產(chǎn)生繞流分離產(chǎn)生繞流分離。由于氣流分離，流。由于氣流分離，流動損失增大，靜壓升下降，不能再保持這幾個葉片周圍正動損失增大，靜壓升下降，不能再保持這幾個葉片周圍正常的氣體流動。這就產(chǎn)生了如圖常的氣體流動。這就產(chǎn)生了如圖2 22 2中陰影部分所示的明中陰影部分所示的明顯氣流堵塞或流量減少的區(qū)域。這個受阻滯的氣流區(qū)使周顯氣流堵

4、塞或流量減少的區(qū)域。這個受阻滯的氣流區(qū)使周圍的流動發(fā)生偏轉，從而引起左方相鄰葉片進口氣流攻角圍的流動發(fā)生偏轉，從而引起左方相鄰葉片進口氣流攻角增大，并造成分離。與此同時，右方相鄰葉片的進氣攻角增大，并造成分離。與此同時，右方相鄰葉片的進氣攻角則減小并解除分離，因而則減小并解除分離，因而分離區(qū)相對于葉片排向轉子旋轉分離區(qū)相對于葉片排向轉子旋轉的反方向移動。的反方向移動。 分離區(qū)可以包括分離區(qū)可以包括幾個葉片通道幾個葉片通道。分離區(qū)的。分離區(qū)的大小和大小和強弱取決于空氣流量節(jié)流程度和葉片排的幾何參強弱取決于空氣流量節(jié)流程度和葉片排的幾何參數(shù)數(shù)。通過實驗觀察到。通過實驗觀察到分離區(qū)分離區(qū)相對于動葉的

5、相對于動葉的移動速移動速度低于動葉的旋轉速度度低于動葉的旋轉速度( (移動速度移動速度) )。因此，分離。因此，分離區(qū)相對于區(qū)相對于絕對坐標系絕對坐標系是沿是沿動葉旋轉方向移動動葉旋轉方向移動的。的。通過對分離區(qū)移動機理的分析，可以看出不論葉通過對分離區(qū)移動機理的分析，可以看出不論葉片排是靜止的或是轉動的，都會產(chǎn)生旋轉失速現(xiàn)片排是靜止的或是轉動的，都會產(chǎn)生旋轉失速現(xiàn)象。從實驗研究中也確實現(xiàn)察到在平面葉柵風洞象。從實驗研究中也確實現(xiàn)察到在平面葉柵風洞或環(huán)形葉柵風洞中都會出現(xiàn)葉輪機械中常見的非或環(huán)形葉柵風洞中都會出現(xiàn)葉輪機械中常見的非定常流動現(xiàn)象一旋轉失速現(xiàn)象定常流動現(xiàn)象一旋轉失速現(xiàn)象。 分離區(qū)組

6、成：分離區(qū)組成：圖2-2 分離區(qū)傳播示意圖A-葉片旋轉方向；B- 分離失速區(qū)傳播方向（相對于葉柵） 由于分離區(qū)以一定的速度傳播，使每個葉片承受周期性的氣動負荷。這周期性氣動負荷給葉片一個周期性激振力。如果只有一個分離區(qū)，它的激振頻率就是分離區(qū)的旋轉頻率。若激振頻率與葉片的自振頻率相吻合，就會使葉片產(chǎn)生共振，可能造成葉片折裂損壞。因此，在研究旋轉分離現(xiàn)象時，分離區(qū)的旋轉速度是它的重要特征參數(shù)之一。只要能確定分離區(qū)的旋轉速度和分離區(qū)的數(shù)目，就能夠為壓氣機葉片結構設計提供避免發(fā)生葉片共振的參考數(shù)據(jù)。 二、旋轉失速現(xiàn)象的分類二、旋轉失速現(xiàn)象的分類 根據(jù)試驗研究觀察到的流動特征和性能參根據(jù)試驗研究觀察到

7、的流動特征和性能參數(shù)變化情況，旋轉失速現(xiàn)象基本上可分為數(shù)變化情況，旋轉失速現(xiàn)象基本上可分為兩大類：漸進型和突變型兩大類：漸進型和突變型。此外，在旋轉。此外，在旋轉失速現(xiàn)象發(fā)展過程中還能出現(xiàn)一種稱之為失速現(xiàn)象發(fā)展過程中還能出現(xiàn)一種稱之為“亂分離亂分離”的失速現(xiàn)象的失速現(xiàn)象。這種現(xiàn)象往往出。這種現(xiàn)象往往出現(xiàn)在旋轉失速發(fā)生之前，或是發(fā)生在二類現(xiàn)在旋轉失速發(fā)生之前，或是發(fā)生在二類旋轉失速轉化過程中。旋轉失速轉化過程中。 1-空氣入口空氣入口 2-壓氣機壓氣機(17級級) 3-燃油燃油 4-燃燒室燃燒室 5-渦輪渦輪(3級級) 6-噴管噴管渦輪噴氣發(fā)動機原理簡圖渦輪噴氣發(fā)動機原理簡圖靜葉靜葉動葉動葉靜葉

8、靜葉動葉動葉 在多級壓氣機的前幾級，或輪轂比d比較小的單級壓氣機中，由于葉片較長，一般首先出現(xiàn)漸進型的旋轉失速現(xiàn)象。分離區(qū)大多首先出現(xiàn)在葉尖處(在個別的壓氣機中，首先出現(xiàn)在葉根處。視葉片形狀和設計工況下扭向規(guī)律而定)。然后隨著流量逐步減少，分離區(qū)數(shù)目逐步增加，分離區(qū)范圍逐步向葉高方向擴展。圖2-3中給出了典型的級特性。由圖可見，當出現(xiàn)不穩(wěn)定流動的旋轉失速工況時， 。 隨空氣流量減少而逐漸下降。在圖23右面給出了葉片根、中、尖三截面上流量(密流)隨時間的變化曲線。在葉尖處，空氣流量的脈動很大，而在葉根處空氣流量則基本上不隨時間變化。 2*1*2/)(uppH 說明說明旋轉失速首先出現(xiàn)在葉尖處旋轉

9、失速首先出現(xiàn)在葉尖處。隨著流。隨著流量的進一步減少，分離區(qū)的數(shù)目逐漸增多量的進一步減少，分離區(qū)的數(shù)目逐漸增多( (最多可達十多個，但隨著分離區(qū)數(shù)目的增最多可達十多個，但隨著分離區(qū)數(shù)目的增多，其模型的穩(wěn)定性減弱。在同一節(jié)流流多，其模型的穩(wěn)定性減弱。在同一節(jié)流流量下，分離區(qū)數(shù)目往往隨時間可增加或減量下，分離區(qū)數(shù)目往往隨時間可增加或減少一、二個少一、二個) )。分離區(qū)的范圍也逐漸向葉根。分離區(qū)的范圍也逐漸向葉根方向發(fā)展，增壓比也隨著進一步降低。根方向發(fā)展，增壓比也隨著進一步降低。根據(jù)實驗結果，據(jù)實驗結果，漸進型旋轉失速現(xiàn)象有以下漸進型旋轉失速現(xiàn)象有以下幾個特點：幾個特點： 增壓比隨流量的減少而逐漸下

10、降，等轉速增壓比隨流量的減少而逐漸下降，等轉速線上沒有間斷點；線上沒有間斷點；分離區(qū)數(shù)目隨空氣流量減少而逐漸增加，分離區(qū)數(shù)目隨空氣流量減少而逐漸增加，并分離區(qū)向葉高方向的范圍逐步擴展；并分離區(qū)向葉高方向的范圍逐步擴展；分離區(qū)旋轉速度不隨分離區(qū)數(shù)目的增加而分離區(qū)旋轉速度不隨分離區(qū)數(shù)目的增加而變化。變化。漸進型旋轉失速現(xiàn)象有以下幾個特點漸進型旋轉失速現(xiàn)象有以下幾個特點： 圖圖2-3 2-3 具有漸進型旋轉失速工況的壓氣機級特性和具有漸進型旋轉失速工況的壓氣機級特性和葉根、中、尖處的密流隨時間變化曲線葉根、中、尖處的密流隨時間變化曲線 在在大輪轂比大輪轂比的壓氣機級中，當流量減少到一定程的壓氣機級中

11、，當流量減少到一定程度時，往往出現(xiàn)在度時，往往出現(xiàn)在整個葉高上分離的旋轉失速現(xiàn)整個葉高上分離的旋轉失速現(xiàn)象象。這是一種。這是一種突變型的旋轉失速。在突變型的旋突變型的旋轉失速。在突變型的旋轉失速情況下，分離區(qū)數(shù)目一般不會太多。只轉失速情況下，分離區(qū)數(shù)目一般不會太多。只有有個或二個個或二個。圖。圖2-42-4給出了發(fā)生突變型旋轉失速給出了發(fā)生突變型旋轉失速的壓氣機特性。由圖可見，當發(fā)生突變型旋轉失的壓氣機特性。由圖可見，當發(fā)生突變型旋轉失速時增壓系數(shù)速時增壓系數(shù)H H急劇下降，在等轉速線上有間斷點。急劇下降，在等轉速線上有間斷點。特性線特性線明顯地分為右上支和左下支明顯地分為右上支和左下支，并且

12、出現(xiàn)遲，并且出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就是：滯現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就是：在減少流量使壓氣機出在減少流量使壓氣機出現(xiàn)旋轉失速時，壓氣機的等轉速特性線從右支的現(xiàn)旋轉失速時，壓氣機的等轉速特性線從右支的A A點直接跳到左支的點直接跳到左支的B B點。點。 為了使壓氣機退出旋轉失速工況，打開節(jié)為了使壓氣機退出旋轉失速工況，打開節(jié)氣閥增大流量，當流量增大到相應于氣閥增大流量，當流量增大到相應于B B點的點的流量時，壓氣機內(nèi)的旋轉失速現(xiàn)象仍然繼流量時，壓氣機內(nèi)的旋轉失速現(xiàn)象仍然繼續(xù)存在。只有在更大的流量，即相應于圖續(xù)存在。只有在更大的流量，即相應于圖2-42-4中的中的C C點以后，旋轉失速才消失。這時點以后，旋轉

13、失速才消失。這時工作點從特性線的左下支工作點從特性線的左下支C C點跳到右上支的點跳到右上支的D D點。壓氣機重新恢復穩(wěn)定工況。這種點。壓氣機重新恢復穩(wěn)定工況。這種遲滯遲滯現(xiàn)象和物理學上的磁滯歸線相類似現(xiàn)象和物理學上的磁滯歸線相類似，它，它是是突變型旋轉式失速突變型旋轉式失速的一個的一個特征特征現(xiàn)象現(xiàn)象。 圖圖2-4 2-4 具有突變型旋轉失速工況的壓氣機特性及具有突變型旋轉失速工況的壓氣機特性及在葉尖、葉根處密流隨時間的變化曲線在葉尖、葉根處密流隨時間的變化曲線突變失速氣動力變化特點： 在在突變型旋轉失速突變型旋轉失速工況下，工況下，葉片所受的氣葉片所受的氣動激振負荷動激振負荷要比在漸進型旋

14、轉失速工況下要比在漸進型旋轉失速工況下所受的氣動激振負荷所受的氣動激振負荷大得多大得多，壓氣機，壓氣機振動振動也大。所以，它是一種更危險的不穩(wěn)定流也大。所以，它是一種更危險的不穩(wěn)定流動工況。壓氣機應當避免在這種工況下運動工況。壓氣機應當避免在這種工況下運轉。在轉。在嚴重的突變型旋轉失速嚴重的突變型旋轉失速現(xiàn)象中，現(xiàn)象中，分分離區(qū)離區(qū)內(nèi)會內(nèi)會出現(xiàn)氣體的倒流出現(xiàn)氣體的倒流。其流動圖案如。其流動圖案如圖圖2-52-5所示。所示。 圖2-5 在具有倒流的突變型旋轉失速工況下轉子出口截面處的速度分布圖 突變型失速后果： 不僅使葉片所承受的不僅使葉片所承受的交變氣動力增大交變氣動力增大，從而容，從而容易易

15、引起引起葉片斷裂；葉片斷裂； 由于壓縮增溫后的氣體通過葉片排倒流到壓氣機由于壓縮增溫后的氣體通過葉片排倒流到壓氣機進口處，又一次經(jīng)過葉片排再一次壓縮增溫，這進口處，又一次經(jīng)過葉片排再一次壓縮增溫，這樣樣反復往來的氣流使壓氣機中某些區(qū)域的溫度大反復往來的氣流使壓氣機中某些區(qū)域的溫度大大地增高大地增高，特別是加功量大的級中，這種，特別是加功量大的級中，這種氣流溫氣流溫升會使葉片燒蝕造成嚴重事故升會使葉片燒蝕造成嚴重事故。 在多級壓氣機中，由于在多級壓氣機中，由于后幾級產(chǎn)生突變型旋轉失后幾級產(chǎn)生突變型旋轉失速速，尤其帶有大容腔的加力燃燒室，尤其帶有大容腔的加力燃燒室，突變型旋轉突變型旋轉失速可能成為

16、引起全臺壓氣機強烈喘振的重要因失速可能成為引起全臺壓氣機強烈喘振的重要因素。素。 演變過程： 在在中等輪毅比的壓氣機中等輪毅比的壓氣機中，當空氣流量逐中，當空氣流量逐步減小時，步減小時，首首先會先會產(chǎn)生產(chǎn)生漸進型漸進型旋轉失速工旋轉失速工況況，隨著，隨著流量流量進一步進一步減小減小在壓氣機內(nèi)會產(chǎn)在壓氣機內(nèi)會產(chǎn)生生突變突變型旋轉失速型旋轉失速現(xiàn)象。圖現(xiàn)象。圖2-62-6表示在等轉表示在等轉速下節(jié)流進氣流量的過程中出現(xiàn)二種不同速下節(jié)流進氣流量的過程中出現(xiàn)二種不同類型旋轉失速現(xiàn)象的類型旋轉失速現(xiàn)象的單級壓氣機的典型特單級壓氣機的典型特性。性。 圖圖2-6 2-6 中等輪轂比單級壓氣機特性曲線中等輪轂

17、比單級壓氣機特性曲線 在葉片的在葉片的葉型葉型彎角彎角比較比較小小的壓氣機級的壓氣機級或或單轉子單轉子中中，逐漸減，逐漸減少流量時，在產(chǎn)生旋轉失速工況之前，在一個相當寬的流少流量時，在產(chǎn)生旋轉失速工況之前，在一個相當寬的流量節(jié)流范圍內(nèi)量節(jié)流范圍內(nèi) ( (圖圖2 27 7，A A至至B B段段) )動葉后產(chǎn)生脈動壓力增動葉后產(chǎn)生脈動壓力增大的現(xiàn)象大的現(xiàn)象，每個葉片上均存在分離，但不形成旋轉的分離，每個葉片上均存在分離，但不形成旋轉的分離失速區(qū)失速區(qū)( (團團) )。此時的平均級壓比基本上不減少或減少甚微。此時的平均級壓比基本上不減少或減少甚微。這種這種流動現(xiàn)象稱之為流動現(xiàn)象稱之為“亂分離亂分離”

18、現(xiàn)象現(xiàn)象。亂分離工況下的壓。亂分離工況下的壓力脈動示波圖和特性曲線表示在圖力脈動示波圖和特性曲線表示在圖2 27 7上。在這種工況下上。在這種工況下壓氣機運行的聲響比穩(wěn)定工況下有所增大，聲音變尖，但壓氣機運行的聲響比穩(wěn)定工況下有所增大，聲音變尖，但比旋轉失速工況下的聲響要溫和。比旋轉失速工況下的聲響要溫和。亂分離問題（葉片彎曲程度小）：亂分離問題（葉片彎曲程度小）： 應當指出，這種應當指出，這種亂分離現(xiàn)象僅在葉型彎角很小亂分離現(xiàn)象僅在葉型彎角很小的的壓氣機轉子中才能發(fā)現(xiàn)。在葉型壓氣機轉子中才能發(fā)現(xiàn)。在葉型彎角大彎角大的壓氣機的壓氣機轉子中轉子中很難出現(xiàn)很難出現(xiàn)( (甚至可認為不可能出現(xiàn)甚至可認

19、為不可能出現(xiàn)) )這種亂這種亂分離現(xiàn)象。在分離現(xiàn)象。在研究研究葉型葉型彎角對旋轉失速彎角對旋轉失速現(xiàn)象的影現(xiàn)象的影響試驗中響試驗中發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的這種流動現(xiàn)象對今后的這種流動現(xiàn)象對今后推遲推遲旋轉旋轉失失速速產(chǎn)生的研究工作會產(chǎn)生的研究工作會有有一定的指導一定的指導意義意義。 原因：因這種亂分離現(xiàn)象不會給葉片以周期性的原因：因這種亂分離現(xiàn)象不會給葉片以周期性的氣動激振力，因而葉片斷裂或疲勞斷裂的可能性氣動激振力，因而葉片斷裂或疲勞斷裂的可能性大為減小。大為減小。 （在英美的文獻資料中也曾說及到：（在英美的文獻資料中也曾說及到：在旋轉失速在旋轉失速的發(fā)展過程中以及在旋轉失速類型轉變的過過渡的發(fā)展過程中以

20、及在旋轉失速類型轉變的過過渡過程中也出現(xiàn)這種流動現(xiàn)象）。過程中也出現(xiàn)這種流動現(xiàn)象）。 圖圖2 - 7 2 - 7 壓氣機特性曲線上不同工況下對應的壓氣機特性曲線上不同工況下對應的壓力和速度值隨時間變化的示波圖）壓力和速度值隨時間變化的示波圖）從穩(wěn)定性角度分類從穩(wěn)定性角度分類： 從發(fā)動機使用的觀點，可以把發(fā)動機的不穩(wěn)定現(xiàn)從發(fā)動機使用的觀點，可以把發(fā)動機的不穩(wěn)定現(xiàn)象分為象分為可自行恢復的失速現(xiàn)象和不可恢復的失速可自行恢復的失速現(xiàn)象和不可恢復的失速現(xiàn)象即現(xiàn)象即“懸掛失速懸掛失速” (Stagnation Stall)二種二種。懸。懸掛失速現(xiàn)象的出現(xiàn)會引起嚴重的后果。美國掛失速現(xiàn)象的出現(xiàn)會引起嚴重的后

21、果。美國F100發(fā)動機由于出現(xiàn)懸掛失速來不及采取緊急措施造發(fā)動機由于出現(xiàn)懸掛失速來不及采取緊急措施造成成F15和和F16飛機的毀機事故飛機的毀機事故 。懸掛失速懸掛失速是一是一種壓氣機的失速現(xiàn)象。這種失速現(xiàn)象本身與壓氣種壓氣機的失速現(xiàn)象。這種失速現(xiàn)象本身與壓氣機進行單獨研究時出現(xiàn)的機進行單獨研究時出現(xiàn)的突變型旋轉失速突變型旋轉失速是相是相一一致致的，它們之間的的，它們之間的不同處不同處在于進行壓氣機部件試在于進行壓氣機部件試驗時，壓氣機所需的動力是單獨供給的，驗時，壓氣機所需的動力是單獨供給的，只要改只要改變動力裝置功率或減低出口反壓變動力裝置功率或減低出口反壓就能退出失速工就能退出失速工況。

22、況。 而在發(fā)動機上，壓氣機的動力由渦輪提供，而渦而在發(fā)動機上，壓氣機的動力由渦輪提供，而渦輪是被先在壓氣機內(nèi)增壓的空氣，然后在燃燒室輪是被先在壓氣機內(nèi)增壓的空氣，然后在燃燒室中加熱形成的燃氣驅動的。因此，中加熱形成的燃氣驅動的。因此，渦輪的功率在渦輪的功率在很大程度上決定于壓氣機增壓比的大小和效率的很大程度上決定于壓氣機增壓比的大小和效率的高低高低( (當尾噴口面積當尾噴口面積T3T3不變時不變時) )。當壓氣機內(nèi)出現(xiàn)。當壓氣機內(nèi)出現(xiàn)突變型旋轉失速時，其增壓比和效率急劇下降，突變型旋轉失速時，其增壓比和效率急劇下降，因而使發(fā)動機推力下降，渦輪的功率下降因而使發(fā)動機推力下降，渦輪的功率下降( (

23、即轉速即轉速下降下降) )。此時，如果加大供油量，渦輪的富余功率。此時，如果加大供油量，渦輪的富余功率基本上不增加或趨于零，不能使發(fā)動機的轉速增基本上不增加或趨于零，不能使發(fā)動機的轉速增加。這樣，壓氣機也就無法退出失速狀態(tài)。如果加。這樣，壓氣機也就無法退出失速狀態(tài)。如果不關車，就會使發(fā)動機部件過熱燃蝕或由于失速不關車，就會使發(fā)動機部件過熱燃蝕或由于失速振動時間過長而使葉片斷裂。振動時間過長而使葉片斷裂。 近年來，美國近年來，美國F100F100發(fā)動機在外場使用中發(fā)動機在外場使用中經(jīng)經(jīng)常出現(xiàn)懸掛失速常出現(xiàn)懸掛失速，在發(fā)生前沒有明顯的預，在發(fā)生前沒有明顯的預兆，因此很難預估或防止。到目前為止，兆，

24、因此很難預估或防止。到目前為止，裝有裝有F100F100發(fā)動機的發(fā)動機的F F1515飛機小發(fā)生了飛機小發(fā)生了1515次次嚴重事故。根據(jù)累積的飛行試驗資料，在嚴重事故。根據(jù)累積的飛行試驗資料，在F F1515和和F F1616飛機上產(chǎn)生發(fā)動機懸掛失速飛機上產(chǎn)生發(fā)動機懸掛失速的區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)在飛行包線的左上角，即的區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)在飛行包線的左上角，即高空低速區(qū)高空低速區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，加力燃燒室不。在該區(qū)域內(nèi)，加力燃燒室不易起動，而且難以保存穩(wěn)定燃燒。因此會易起動，而且難以保存穩(wěn)定燃燒。因此會產(chǎn)生點火不及時或有時熄火的現(xiàn)象。有時產(chǎn)生點火不及時或有時熄火的現(xiàn)象。有時還會由于主燃燒室來的高溫燃氣使富油混還

25、會由于主燃燒室來的高溫燃氣使富油混氣自爆點燃引起加力燃燒室內(nèi)的壓力脈動氣自爆點燃引起加力燃燒室內(nèi)的壓力脈動。 這種這種壓力脈動通過外涵管道傳至風扇和高壓壓氣壓力脈動通過外涵管道傳至風扇和高壓壓氣機進口，引起風扇和高壓壓氣機的失速機進口，引起風扇和高壓壓氣機的失速，特別是，特別是高壓壓氣機內(nèi)的突變型失速據(jù)報道高壓壓氣機內(nèi)的突變型失速據(jù)報道F F100100發(fā)動機發(fā)動機大約有四分之三的懸掛失速是這樣引起的。大約有四分之三的懸掛失速是這樣引起的。另一另一個原因個原因是當飛機以大的飛行攻角爬升時，由于是當飛機以大的飛行攻角爬升時，由于F F1616飛機的重心在氣動力中心之后，產(chǎn)生一個上仰飛機的重心在氣

26、動力中心之后，產(chǎn)生一個上仰力矩，促使飛機攻角超過力矩，促使飛機攻角超過9090。，這就引起發(fā)動機。，這就引起發(fā)動機進口嚴重的氣流畸變而造成發(fā)動機懸掛失速。其進口嚴重的氣流畸變而造成發(fā)動機懸掛失速。其它諸如尾噴管操作、燃油供給控制等亦能引起發(fā)它諸如尾噴管操作、燃油供給控制等亦能引起發(fā)動機的懸掛失速。動機的懸掛失速。 在懸掛失速狀態(tài)下，發(fā)動機產(chǎn)生不穩(wěn)定的在懸掛失速狀態(tài)下，發(fā)動機產(chǎn)生不穩(wěn)定的氣流脈動，推力下降，發(fā)動機本身振動增氣流脈動，推力下降，發(fā)動機本身振動增大。當駕駛員想用加大油門來消除這種不大。當駕駛員想用加大油門來消除這種不穩(wěn)定流動工況時，但發(fā)動機推力卻不見增穩(wěn)定流動工況時，但發(fā)動機推力卻不

27、見增加，而渦輪前溫度不斷升高，甚至會超過加，而渦輪前溫度不斷升高，甚至會超過最大允許值。根據(jù)測量記錄，低壓禍輪進最大允許值。根據(jù)測量記錄，低壓禍輪進口燃氣溫度可超過口燃氣溫度可超過5385380 0C C，然而轉速卻停滯，然而轉速卻停滯不前。駕駛員不前。駕駛員碰到這種飛行狀態(tài)時，必須碰到這種飛行狀態(tài)時，必須迅速關閉油門，被迫進行空中停車迅速關閉油門，被迫進行空中停車。然后然后設法進行空中再起動來消除懸掛失速設法進行空中再起動來消除懸掛失速。 在發(fā)動機使用過程中防止或減少懸掛失速的具體措施是： (1)延長風扇后的內(nèi)外涵道的分流環(huán)。這是一項主要的改進。分流環(huán)直延伸到離第三級風扇葉片后緣約10mm處

28、。因為通過外涵道進入高壓壓氣機進口的加力燃燒室內(nèi)的壓力脈動是引起懸掛失速的主要原因，所以加長內(nèi)外涵道分流環(huán)長度能有效地降低懸掛失速的發(fā)生率。 (2)改進燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)。整體式燃油調(diào)節(jié)器中有一個自動燃油供應滯遲裝置，用于減少加力燃燒室接通或切斷加力狀態(tài)時的壓力脈動值。 (3)修改發(fā)動機電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)(實際上是一個電子計算機)，使它能精確地調(diào)整渦輪的溫度、轉子轉速、壓氣機靜止葉片的角度。此系統(tǒng)感受此系統(tǒng)感受的訊號是失速即將發(fā)生時的高壓壓氣機轉子轉的訊號是失速即將發(fā)生時的高壓壓氣機轉子轉速速n2n2和風扇排氣溫度和風扇排氣溫度T T與其正常值的比值。發(fā)動與其正常值的比值。發(fā)動機電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)將信號輸送給整

29、體式燃油控制機電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)將信號輸送給整體式燃油控制器中的器中的“火箭火焰火箭火焰”(Rocket Fire)(Rocket Fire)函數(shù)器，函數(shù)器，它能及時降低燃油流量，改變可調(diào)靜子葉片的它能及時降低燃油流量，改變可調(diào)靜子葉片的安裝角和增大尾噴管噴口面積來降低風扇的反安裝角和增大尾噴管噴口面積來降低風扇的反壓以解除即將產(chǎn)生的失速。壓以解除即將產(chǎn)生的失速。 除上述三項改進措施外，為了除上述三項改進措施外，為了在萬一出現(xiàn)懸掛在萬一出現(xiàn)懸掛失速被迫空中停車時，保證再起動的可靠性，失速被迫空中停車時，保證再起動的可靠性，采用了氣動霧化噴油的燃氣渦輪起動機。它能采用了氣動霧化噴油的燃氣渦輪起動機。它

30、能在在6000m以下的高度把發(fā)動機轉速帶轉到以下的高度把發(fā)動機轉速帶轉到25額定轉速，從而改善了發(fā)動機起動性能。額定轉速，從而改善了發(fā)動機起動性能。三、旋轉失速現(xiàn)象的特征參數(shù)三、旋轉失速現(xiàn)象的特征參數(shù) 表示旋轉失速現(xiàn)象的特征參數(shù)有：表示旋轉失速現(xiàn)象的特征參數(shù)有：分離失速區(qū)的旋分離失速區(qū)的旋轉速度轉速度uz，分離失速區(qū)的區(qū)數(shù)，分離失速區(qū)的區(qū)數(shù)Nz，分離失速區(qū)的寬，分離失速區(qū)的寬度度Lz，分離失速區(qū)的強度以及旋轉失速的類別等。，分離失速區(qū)的強度以及旋轉失速的類別等。 影響這些特征參數(shù)和旋轉失速發(fā)展過程的因素是很影響這些特征參數(shù)和旋轉失速發(fā)展過程的因素是很多的。多的。 （1）壓氣機的幾何參數(shù)，包括葉

31、片的安裝角）壓氣機的幾何參數(shù)，包括葉片的安裝角、葉、葉型彎角型彎角、葉片排稠度、葉片排稠度 (bt)、葉型、葉片沿徑向、葉型、葉片沿徑向的扭向規(guī)律、葉片排之間的軸向間隙和輪毅比的扭向規(guī)律、葉片排之間的軸向間隙和輪毅比d等。等。另一部分則是另一部分則是 （2）壓氣機的氣動參數(shù)，它包括氣流進氣攻角）壓氣機的氣動參數(shù)，它包括氣流進氣攻角i、進口氣流的紊流度、進口壓力和溫度畸變、空氣流進口氣流的紊流度、進口壓力和溫度畸變、空氣流量節(jié)流的動態(tài)過程量節(jié)流的動態(tài)過程(俗稱節(jié)流速率俗稱節(jié)流速率)，甚至環(huán)壁附面，甚至環(huán)壁附面層、雷諾數(shù)以及流程容積大小和蓄能多少等也能影層、雷諾數(shù)以及流程容積大小和蓄能多少等也能影

32、響旋轉失速的發(fā)展進程。響旋轉失速的發(fā)展進程。 由于影響因素種類繁多，可能還與隨由于影響因素種類繁多，可能還與隨機因素有關，因而要想建立旋轉失速特征機因素有關，因而要想建立旋轉失速特征參數(shù)和壓氣機的幾何參數(shù)和氣動參數(shù)之間參數(shù)和壓氣機的幾何參數(shù)和氣動參數(shù)之間的定量關系，目前還是一個非常困難的課的定量關系，目前還是一個非常困難的課題。但經(jīng)過題。但經(jīng)過大量的實驗研究大量的實驗研究還是得到還是得到一些一些規(guī)律性規(guī)律性的結果。例如的結果。例如: : 1)1)分離分離失速區(qū)失速區(qū)的旋轉速度的旋轉速度uzuz正比于動正比于動葉旋轉的圓周速度葉旋轉的圓周速度u u( (在葉柵風洞中研究旋在葉柵風洞中研究旋轉失速

33、時不用這比值，而是用轉失速時不用這比值，而是用uz/c1u)uz/c1u)。 2)2)分離分離失速區(qū)的寬度反比于失速區(qū)的寬度反比于壓氣機壓氣機節(jié)流節(jié)流時的空氣流量。時的空氣流量。 3)在出現(xiàn)在出現(xiàn)漸進型旋轉失速漸進型旋轉失速時，分離時，分離失速區(qū)失速區(qū)的旋轉速度與分離失速區(qū)的區(qū)數(shù)無關的旋轉速度與分離失速區(qū)的區(qū)數(shù)無關 4)在出現(xiàn)在出現(xiàn)突變型旋轉失速突變型旋轉失速時，壓氣機時，壓氣機等轉等轉速特性線速特性線上上有間斷有間斷點，并在等轉速特性線上點，并在等轉速特性線上出現(xiàn)消除失速時的流量大于產(chǎn)生失速時流量出現(xiàn)消除失速時的流量大于產(chǎn)生失速時流量的的遲滯歸線遲滯歸線。 5)當當減小減小動葉、導流葉片、整

34、流葉片之間動葉、導流葉片、整流葉片之間的的軸向矩離軸向矩離時，分離時，分離失速區(qū)的旋轉速度下降失速區(qū)的旋轉速度下降。 6)在出現(xiàn)在出現(xiàn)突變型旋轉失速突變型旋轉失速時，能夠現(xiàn)察到時，能夠現(xiàn)察到氣體從氣體從后徘葉片向前排葉片流動的倒流現(xiàn)象后徘葉片向前排葉片流動的倒流現(xiàn)象。 在部分在部分實驗研究中還得到以下結論實驗研究中還得到以下結論： 1)當當減少葉片減少葉片的的相對稠度相對稠度時，就時，就不產(chǎn)生多個分離失不產(chǎn)生多個分離失速區(qū)速區(qū)的漸進型旋轉失速現(xiàn)象。這意味著可能存在著一的漸進型旋轉失速現(xiàn)象。這意味著可能存在著一個稠度極限值，當小于這個極限值時就不會產(chǎn)生旋轉個稠度極限值，當小于這個極限值時就不會產(chǎn)

35、生旋轉失速現(xiàn)象。失速現(xiàn)象。 2)安裝角安裝角的大小對分離失速區(qū)的旋轉速度影響不大。的大小對分離失速區(qū)的旋轉速度影響不大。 3)進口導向葉片的存在，以及導向葉片與動葉片之進口導向葉片的存在，以及導向葉片與動葉片之間的間的軸向距離對旋轉失速現(xiàn)象的發(fā)展和它的特征參數(shù)軸向距離對旋轉失速現(xiàn)象的發(fā)展和它的特征參數(shù)有較大的影響。有較大的影響。 4)相對相對輪毅輪毅d對旋轉失速現(xiàn)象的發(fā)展有很大的影響對旋轉失速現(xiàn)象的發(fā)展有很大的影響。四、進行旋轉失速現(xiàn)象研究的試驗設備分類四、進行旋轉失速現(xiàn)象研究的試驗設備分類 為了闡明旋轉失速現(xiàn)象的發(fā)展過程，及其特征為了闡明旋轉失速現(xiàn)象的發(fā)展過程，及其特征參數(shù)之間的相互關系，在

36、世界范圍內(nèi)進行了大參數(shù)之間的相互關系，在世界范圍內(nèi)進行了大量的實驗研究。實驗研究的設備是多種多樣的。量的實驗研究。實驗研究的設備是多種多樣的。為便于了解實驗設備的情況，分類列舉如下：為便于了解實驗設備的情況，分類列舉如下： 1)在平面葉柵和環(huán)形葉柵上研究旋轉失速現(xiàn)在平面葉柵和環(huán)形葉柵上研究旋轉失速現(xiàn)象象的有：文獻的有：文獻3作的環(huán)形葉柵風洞試驗；文獻作的環(huán)形葉柵風洞試驗；文獻4和和5進行的平面葉柵風洞試驗。這些試驗證進行的平面葉柵風洞試驗。這些試驗證實了實了分離失速區(qū)移動的機理和方便的測得了分分離失速區(qū)移動的機理和方便的測得了分離失速區(qū)的形狀離失速區(qū)的形狀。近幾年美國攝制了流體力學。近幾年美國

37、攝制了流體力學示教電影，把在平面葉柵中發(fā)生的旋轉失速現(xiàn)示教電影，把在平面葉柵中發(fā)生的旋轉失速現(xiàn)象的氣體流動結構攝制成影片進行形象教學。象的氣體流動結構攝制成影片進行形象教學。 2)在單轉子或不帶進口導流葉片排的單級壓氣在單轉子或不帶進口導流葉片排的單級壓氣機試驗臺上進行旋轉失速現(xiàn)象研究機試驗臺上進行旋轉失速現(xiàn)象研究。文獻。文獻6，7，8，9都做過單轉子試驗；文獻都做過單轉子試驗；文獻5，9，10，11等做過單級壓氣機的旋轉失速現(xiàn)象實驗研究。等做過單級壓氣機的旋轉失速現(xiàn)象實驗研究。這些文獻的作者這些文獻的作者從各種不同的角度來研究旋轉失從各種不同的角度來研究旋轉失速現(xiàn)象速現(xiàn)象；有些研究壓氣機；有

38、些研究壓氣機幾何參數(shù)和氣動參數(shù)對幾何參數(shù)和氣動參數(shù)對旋轉失速現(xiàn)象的影響旋轉失速現(xiàn)象的影響；有些研究；有些研究旋轉失速現(xiàn)象發(fā)旋轉失速現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展過程及其規(guī)律生發(fā)展過程及其規(guī)律；有些研究；有些研究失速產(chǎn)生前后氣失速產(chǎn)生前后氣體繞流葉片的流動情況體繞流葉片的流動情況，希望由此，希望由此預示旋轉失速預示旋轉失速的發(fā)生。的發(fā)生。 3)在帶有進口導向葉片排的單級壓氣機試驗臺在帶有進口導向葉片排的單級壓氣機試驗臺上進行旋轉失速研究上進行旋轉失速研究的有文獻的有文獻12，13，14，15，16，17和和18等。單級壓氣機試驗除進行等。單級壓氣機試驗除進行上述第二類設備的試險項目外，還進行上述第二類設備的試險項

39、目外，還進行進出口葉進出口葉片排之間軸向距離、進口預旋對旋轉失速現(xiàn)象影片排之間軸向距離、進口預旋對旋轉失速現(xiàn)象影響的研究。響的研究。 4)在多級壓氣機試驗臺上進行旋轉失速現(xiàn)象研在多級壓氣機試驗臺上進行旋轉失速現(xiàn)象研究究的有：三級短葉片壓氣機試驗研究的有：三級短葉片壓氣機試驗研究19，五級跨，五級跨聲速壓氣機試驗研究聲速壓氣機試驗研究20。它們除研究旋轉失速在。它們除研究旋轉失速在多級壓氣機上的發(fā)生發(fā)展過程外，還研究特性的多級壓氣機上的發(fā)生發(fā)展過程外，還研究特性的多值性，多值性，不同工況不同工況(轉速轉速)下前后級流動情況變化規(guī)下前后級流動情況變化規(guī)律等。律等。 應該指山，上述大量試驗設備中僅有

40、一、應該指山，上述大量試驗設備中僅有一、二個試驗臺是進行二個試驗臺是進行高速壓氣機的旋轉失速高速壓氣機的旋轉失速現(xiàn)象研究的。其余絕大多數(shù)進行低速現(xiàn)象研究的。其余絕大多數(shù)進行低速( (不可不可壓壓) )的機理研究。高速不穩(wěn)定工況試驗研究的機理研究。高速不穩(wěn)定工況試驗研究有一定的破壞性，試驗和測試技術難度也有一定的破壞性，試驗和測試技術難度也較大。目前國際上雖然仍有不少研究者還較大。目前國際上雖然仍有不少研究者還在對在對低速旋轉失速現(xiàn)象進行更仔細的研低速旋轉失速現(xiàn)象進行更仔細的研究，究，但是但是多數(shù)研究人員轉向研究進口畸變對壓多數(shù)研究人員轉向研究進口畸變對壓氣機性能氣機性能( (包括包括旋轉失速性

41、能旋轉失速性能) )的影響的影響。 另一方面，一些研究人員主張進行高轉速另一方面，一些研究人員主張進行高轉速下旋轉失速現(xiàn)象的研究，其主要目的是想下旋轉失速現(xiàn)象的研究，其主要目的是想探索探索壓縮性、沖波結構、沖波和環(huán)壁及葉壓縮性、沖波結構、沖波和環(huán)壁及葉片表面附面層之間的相互干擾等因素對旋片表面附面層之間的相互干擾等因素對旋轉失速性能的影響，期望能獲得更加符合轉失速性能的影響，期望能獲得更加符合實際流動的物理模型實際流動的物理模型，以便最后，以便最后從理論上從理論上預示壓氣機中不穩(wěn)定工況的發(fā)生和預估其預示壓氣機中不穩(wěn)定工況的發(fā)生和預估其特征參數(shù)數(shù)值的大小特征參數(shù)數(shù)值的大小2-2 葉輪機械的喘振現(xiàn)

42、象葉輪機械的喘振現(xiàn)象 定義：定義：喘振是指喘振是指氣體微團的壓力、速度、溫度等物理量的氣體微團的壓力、速度、溫度等物理量的脈動沿壓氣機的軸向方向傳播，此時進入壓氣機的空氣流脈動沿壓氣機的軸向方向傳播，此時進入壓氣機的空氣流量在每一個流程截面上均隨時間而變化量在每一個流程截面上均隨時間而變化。 喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅和壓氣機本身的氣動參數(shù)和幾何參數(shù)和壓氣機本身的氣動參數(shù)和幾何參數(shù)有關。而且有關。而且和整個壓氣機流程的容積和整個壓氣機流程的容積有關。有關。 喘振的氣流脈動頻率喘振的氣流脈動頻率直接直接取決于容積的大小取決于容積的大小，容積越大則，容積越大則脈動頻率越低。喘振現(xiàn)象的嚴重

43、程度還與壓氣機流程內(nèi)氣脈動頻率越低。喘振現(xiàn)象的嚴重程度還與壓氣機流程內(nèi)氣體的能量大小體的能量大小( (蓄能蓄能) )有直接關系。有直接關系。 因此，高增壓比的壓氣機中一旦發(fā)生喘振現(xiàn)象，有可因此，高增壓比的壓氣機中一旦發(fā)生喘振現(xiàn)象，有可能把整個機器毀于瞬間，它的破壞能力亦大。能把整個機器毀于瞬間，它的破壞能力亦大。 從流動的物理本質(zhì)來分析，雖然旋轉失速從流動的物理本質(zhì)來分析，雖然旋轉失速和喘振是二種并不相同的不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，和喘振是二種并不相同的不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，但是二者在壓氣機不穩(wěn)定工況發(fā)展過程中但是二者在壓氣機不穩(wěn)定工況發(fā)展過程中有密切的聯(lián)系?？梢哉J為有密切的聯(lián)系?？梢哉J為旋轉旋轉失速失速現(xiàn)象

44、現(xiàn)象是是喘振喘振現(xiàn)象的現(xiàn)象的前湊前湊和重要的和重要的起因起因。但并不但并不能能認為產(chǎn)生旋轉失速現(xiàn)象后認為產(chǎn)生旋轉失速現(xiàn)象后一定會一定會出現(xiàn)出現(xiàn)喘振喘振現(xiàn)象。喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生還有其它一些充分現(xiàn)象。喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生還有其它一些充分條件。條件。（1） 喘振流動現(xiàn)象的物理解釋喘振流動現(xiàn)象的物理解釋 在產(chǎn)生旋轉失速后，當壓氣機的進氣流量進在產(chǎn)生旋轉失速后，當壓氣機的進氣流量進一步減小時，壓氣機流程內(nèi)某一級或某幾級內(nèi)的一步減小時，壓氣機流程內(nèi)某一級或某幾級內(nèi)的渦流區(qū)擴大渦流區(qū)擴大，把，把大部分或全部葉片槽道大部分或全部葉片槽道堵塞堵塞住，住，這時前面的氣體流不進來，于是使進入壓氣機的這時前面的氣體流不進來，于

45、是使進入壓氣機的氣體氣體流量瞬時中斷流量瞬時中斷。但與此同時，由于壓氣機的。但與此同時，由于壓氣機的動葉動葉繼續(xù)繼續(xù)轉動，后面各壓氣機級繼續(xù)鼓風，促使轉動，后面各壓氣機級繼續(xù)鼓風，促使中間中間級流道內(nèi)造成級流道內(nèi)造成“相對負壓相對負壓”，使前面使前面幾級的幾級的渦流區(qū)吸到壓氣機末端渦流區(qū)吸到壓氣機末端，這樣迎面的空氣又進入，這樣迎面的空氣又進入壓氣機內(nèi)。但這時進來的壓氣機內(nèi)。但這時進來的氣流軸向速度氣流軸向速度C C1 1a a仍然小仍然小于設計值很多于設計值很多，因此，因此在葉背上又重復發(fā)生分離和在葉背上又重復發(fā)生分離和出現(xiàn)渦流區(qū)。出現(xiàn)渦流區(qū)。 這樣，在壓氣機的工作過程中，就出現(xiàn)了這樣，在壓

46、氣機的工作過程中，就出現(xiàn)了流動、流動、分離、中斷、然后再流動、再分離、再中斷分離、中斷、然后再流動、再分離、再中斷周期周期性性的基本上的基本上沿軸向的氣流脈動沿軸向的氣流脈動現(xiàn)象現(xiàn)象。這種氣流脈。這種氣流脈動能動能引起引起壓氣機壓氣機轉速和功率不穩(wěn)定轉速和功率不穩(wěn)定。-這種流動這種流動現(xiàn)象就是壓氣機的喘振。現(xiàn)象就是壓氣機的喘振。 后果：后果：當壓氣機發(fā)生喘振時，機體劇烈震動，排當壓氣機發(fā)生喘振時，機體劇烈震動，排氣溫度升高，發(fā)動機氣溫度升高，發(fā)動機轉速不穩(wěn)定轉速不穩(wěn)定，甚至，甚至會熄火自會熄火自動停車動停車，若不立即退出喘振，若不立即退出喘振，會引起壓氣機葉片、會引起壓氣機葉片、渦輪葉片和燃燒

47、室部件振裂或高溫燒蝕，渦輪葉片和燃燒室部件振裂或高溫燒蝕，造成重造成重大故障。因而在發(fā)動機整個工作過程中是不允許大故障。因而在發(fā)動機整個工作過程中是不允許壓氣機出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。尤其是壓氣機出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。尤其是具有高增壓比壓氣具有高增壓比壓氣機的發(fā)動機，喘振的破壞性更為嚴重機的發(fā)動機，喘振的破壞性更為嚴重 二、喘振現(xiàn)象的分類二、喘振現(xiàn)象的分類 根據(jù)根據(jù)喘振前和喘振過程中喘振前和喘振過程中存在旋轉失速現(xiàn)象，以及喘存在旋轉失速現(xiàn)象，以及喘振時振時氣流脈動的強弱氣流脈動的強弱，可以將喘振分為以下兩種：，可以將喘振分為以下兩種： 1）突變失速型喘振突變失速型喘振 舉下列實驗為例來說明這種喘振現(xiàn)象。實驗是在

48、一個舉下列實驗為例來說明這種喘振現(xiàn)象。實驗是在一個十六圾亞音速軸流壓氣機上進行的，實驗轉速為設計轉速十六圾亞音速軸流壓氣機上進行的，實驗轉速為設計轉速的的50。壓氣機試驗臺包話一個大的進氣穩(wěn)壓箱和一個大。壓氣機試驗臺包話一個大的進氣穩(wěn)壓箱和一個大容腔的出口排氣收集器。喘振時的壓強和流量脈動如圖容腔的出口排氣收集器。喘振時的壓強和流量脈動如圖2-8所示。圖注符號；所示。圖注符號；Pc在失速邊界點上壓氣機的總壓在失速邊界點上壓氣機的總壓升；升； (Ps)2由于喘振引起的出口總壓脈動的波幅；由于喘振引起的出口總壓脈動的波幅；P1壓氣機進口處的總壓；壓氣機進口處的總壓； (Ps)1由于喘振引起由于喘振

49、引起的進口總壓脈動的波幅；的進口總壓脈動的波幅；VVV脈動波幅除以脈動波幅除以由風速儀測得的密流平均值。由風速儀測得的密流平均值。 由圖可見由圖可見喘振時氣體參數(shù)脈動頻率比只存在旋轉失速時的喘振時氣體參數(shù)脈動頻率比只存在旋轉失速時的氣流脈動頻率低得多，約為氣流脈動頻率低得多，約為lHzlHz左右左右。由于存在著大的流。由于存在著大的流程容腔，所以不穩(wěn)定工況一般是以帶有突變型旋轉失速的程容腔，所以不穩(wěn)定工況一般是以帶有突變型旋轉失速的喘振現(xiàn)象出現(xiàn)的。這時空氣流量和壓強的脈動比較大，壓喘振現(xiàn)象出現(xiàn)的。這時空氣流量和壓強的脈動比較大，壓氣機的振動也大，一般能使壓氣機遭到破壞性的損壞。氣機的振動也大，

50、一般能使壓氣機遭到破壞性的損壞。 當壓氣機試驗臺的當壓氣機試驗臺的流程容積很小流程容積很小時，時，在在5050設計轉速之下設計轉速之下沒有觀察到喘振現(xiàn)象沒有觀察到喘振現(xiàn)象。根據(jù)測得的示波圖可以得知此時存。根據(jù)測得的示波圖可以得知此時存在著突變型旋轉失速。這時之所以不發(fā)生喘振，是因為流在著突變型旋轉失速。這時之所以不發(fā)生喘振，是因為流程容積不大，出現(xiàn)突變型旋轉失速以后，氣體壓強在流程程容積不大，出現(xiàn)突變型旋轉失速以后，氣體壓強在流程內(nèi)能較快地得到調(diào)整，促使壓氣機內(nèi)軸向的流量脈動減弱，內(nèi)能較快地得到調(diào)整，促使壓氣機內(nèi)軸向的流量脈動減弱，或者不發(fā)生縱向脈動。或者不發(fā)生縱向脈動。（圖（圖2-8 帶有大

51、容積收集器的帶有大容積收集器的16級軸流壓氣機在級軸流壓氣機在50設計轉速下喘振時設計轉速下喘振時熱絲風速儀的輸出雖，它安裝在第七級靜子處，探針間隔熱絲風速儀的輸出雖，它安裝在第七級靜子處，探針間隔1050 ，喘振，喘振振幅振幅VV0.3，失速，失速VV =12） 2 2漸進失速型喘振漸進失速型喘振 漸進失速型喘振也是一種氣流有軸向脈動的流動漸進失速型喘振也是一種氣流有軸向脈動的流動現(xiàn)象，但是在壓氣機特性線上沒有引起增壓比明現(xiàn)象，但是在壓氣機特性線上沒有引起增壓比明顯的突然變化，即在壓氣機特性線上沒有間斷點。顯的突然變化，即在壓氣機特性線上沒有間斷點。漸進型旋轉失速經(jīng)常伴隨著漸進失速型喘振現(xiàn)象

52、漸進型旋轉失速經(jīng)常伴隨著漸進失速型喘振現(xiàn)象的發(fā)生。與突變失速型喘振相比，這種喘振要溫的發(fā)生。與突變失速型喘振相比，這種喘振要溫和得多，振動較小，聲音和得多，振動較小，聲音(噪聲噪聲)也比較低。也比較低。漸進漸進失速型喘振所產(chǎn)生的壓氣機出口總壓脈動的振幅失速型喘振所產(chǎn)生的壓氣機出口總壓脈動的振幅為突變型喘振振幅的為突變型喘振振幅的1520。喘振頻率也稍高，。喘振頻率也稍高，約為約為10Hz左右左右。因。因2-9給出了在十六級亞聲速軸流給出了在十六級亞聲速軸流壓氣機上得到的這種比較溫和的喘振。壓氣機上得到的這種比較溫和的喘振。 為了進一步說明為了進一步說明喘振和旋轉失速現(xiàn)象的關系喘振和旋轉失速現(xiàn)象

53、的關系，進行過發(fā)動機全機的不穩(wěn)定工況試驗。試驗結進行過發(fā)動機全機的不穩(wěn)定工況試驗。試驗結果表明，在發(fā)動機上出現(xiàn)的喘振與上述十六級果表明，在發(fā)動機上出現(xiàn)的喘振與上述十六級亞聲速軸流壓氣機在試驗臺上所得到的喘振十亞聲速軸流壓氣機在試驗臺上所得到的喘振十分相似。其主要區(qū)別在于，當把壓氣機裝在發(fā)分相似。其主要區(qū)別在于，當把壓氣機裝在發(fā)動機上所出現(xiàn)的喘振振動頻率稍高，約為動機上所出現(xiàn)的喘振振動頻率稍高，約為515Hz。這主要是因為燃燒室的容積小于壓。這主要是因為燃燒室的容積小于壓氣機試驗臺上的排氣流程容積。在一臺渦輪噴氣機試驗臺上的排氣流程容積。在一臺渦輪噴氣發(fā)動機上進行旋轉失速和喘振現(xiàn)象試驗研究氣發(fā)動

54、機上進行旋轉失速和喘振現(xiàn)象試驗研究時，是通過在某一定轉速下時，是通過在某一定轉速下 (低于設計轉速低于設計轉速)用突然增加燃油流量的方法來得到發(fā)動機的不用突然增加燃油流量的方法來得到發(fā)動機的不穩(wěn)定工況。穩(wěn)定工況。 如：研究這臺發(fā)動機，由于發(fā)生如：研究這臺發(fā)動機，由于發(fā)生突變型旋轉失速突變型旋轉失速，增壓比下降到某一嚴重，增壓比下降到某一嚴重程度時，就會出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。由圖程度時，就會出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。由圖2 21010可見，在轉速范圍為設計轉速的可見，在轉速范圍為設計轉速的72728 87878時，用突然增加燃油流量的方法能夠得到喘振。圖中還畫出時，用突然增加燃油流量的方法能夠得到喘振。圖中還畫出了

55、旋轉失速邊界點了旋轉失速邊界點 ( (通常又稱為喘振邊界點通常又稱為喘振邊界點) )的增壓比、旋轉失速后的增的增壓比、旋轉失速后的增壓比以及穩(wěn)態(tài)的共同工作線。隨著燃油流量的增加，壓氣機出口壓力也增壓比以及穩(wěn)態(tài)的共同工作線。隨著燃油流量的增加，壓氣機出口壓力也增加，當工作點移至特性圖上的失速邊界線之外，發(fā)生幾個循環(huán)的喘振，然加，當工作點移至特性圖上的失速邊界線之外，發(fā)生幾個循環(huán)的喘振，然后喘振又平息下來，而壓氣機仍然處于旋轉失速工況。此時，雖然發(fā)生了后喘振又平息下來，而壓氣機仍然處于旋轉失速工況。此時，雖然發(fā)生了幾個循環(huán)的喘振，但發(fā)動機轉速仍然在增加，不過轉速增長率顯著地減小。幾個循環(huán)的喘振，但

56、發(fā)動機轉速仍然在增加，不過轉速增長率顯著地減小。在所有的喘振實驗研究中都會注意到，在到達旋轉失速邊界點以后，并不在所有的喘振實驗研究中都會注意到，在到達旋轉失速邊界點以后，并不是立即開始發(fā)生喘振。在某些實例中，直到壓氣機已經(jīng)在突變型旋轉失速是立即開始發(fā)生喘振。在某些實例中，直到壓氣機已經(jīng)在突變型旋轉失速工況下工作了一段不長的時間，并且發(fā)動機轉速已稍有增大時，才開始發(fā)工況下工作了一段不長的時間，并且發(fā)動機轉速已稍有增大時，才開始發(fā)生喘振。生喘振。 根據(jù)實驗得知，喘振脈動頻率與流程容積的平方根據(jù)實驗得知，喘振脈動頻率與流程容積的平方根成反比。假設大流程的容積約為小流程容積的根成反比。假設大流程的容

57、積約為小流程容積的九倍，則后者的喘振振動頻率為前者的三倍。這九倍，則后者的喘振振動頻率為前者的三倍。這就是安裝在發(fā)動機上的壓氣機如果發(fā)生喘振，其就是安裝在發(fā)動機上的壓氣機如果發(fā)生喘振，其振動頻率偏高的原因。此外，突變型旋轉失速是振動頻率偏高的原因。此外，突變型旋轉失速是否會導致喘振，亦與壓氣機排氣容積大小有關。否會導致喘振，亦與壓氣機排氣容積大小有關。當排氣容積給定時，在高轉速情況下更容易由突當排氣容積給定時，在高轉速情況下更容易由突變型旋轉失速發(fā)展為喘振。當壓氣機的增壓比低變型旋轉失速發(fā)展為喘振。當壓氣機的增壓比低時，往往只出現(xiàn)突變型旋轉失速，而不產(chǎn)生喘振。時，往往只出現(xiàn)突變型旋轉失速，而不

58、產(chǎn)生喘振。但當增壓比高時，則不論在實驗臺上還是在發(fā)動但當增壓比高時，則不論在實驗臺上還是在發(fā)動機上，由突變型旋轉失速引起喘振是很普遍的機上，由突變型旋轉失速引起喘振是很普遍的。 綜上所述，喘振的發(fā)生除必須具備產(chǎn)生旋轉失速綜上所述，喘振的發(fā)生除必須具備產(chǎn)生旋轉失速的必要條件外（即流量需減少到某一程度的必要條件外（即流量需減少到某一程度) )，還必，還必須要有以下充分條件：一定的流程容積；容積內(nèi)須要有以下充分條件：一定的流程容積；容積內(nèi)的氣體工質(zhì)要具有充分的能量。的氣體工質(zhì)要具有充分的能量。 值得提一下的是：根據(jù)已知的實驗數(shù)據(jù)分析，以值得提一下的是：根據(jù)已知的實驗數(shù)據(jù)分析，以上論述的壓氣機喘振現(xiàn)象

59、，可能不是一種單純的上論述的壓氣機喘振現(xiàn)象，可能不是一種單純的沿壓氣機軸向的氣流脈動現(xiàn)象，很可能是軸向脈沿壓氣機軸向的氣流脈動現(xiàn)象，很可能是軸向脈動和周向脈動的混合型不穩(wěn)定流動現(xiàn)象。失速喘動和周向脈動的混合型不穩(wěn)定流動現(xiàn)象。失速喘振的定義不僅是因為喘振前已存在旋轉失速現(xiàn)象，振的定義不僅是因為喘振前已存在旋轉失速現(xiàn)象，而且還因為喘振時流程內(nèi)還存在旋轉失速現(xiàn)象。而且還因為喘振時流程內(nèi)還存在旋轉失速現(xiàn)象。 2-3葉輪機械的顫振現(xiàn)象葉輪機械的顫振現(xiàn)象 在緒論中已提到在壓氣機的風扇級或輪毅比較小的壓在緒論中已提到在壓氣機的風扇級或輪毅比較小的壓氣機前幾級中，出于葉片的展弦比大，壓氣機葉片的氣機前幾級中，

60、出于葉片的展弦比大，壓氣機葉片的剛性相對校強，這樣剛性相對校強，這樣在風扇或壓氣機的工作過程中，在風扇或壓氣機的工作過程中，由于某種原因會引起葉片振動。每振動一周期，葉片由于某種原因會引起葉片振動。每振動一周期，葉片振蕩產(chǎn)生的非定常力和非定常氣動力矩都對葉片做正振蕩產(chǎn)生的非定常力和非定常氣動力矩都對葉片做正功功。如果葉片的機械阻尼又不足以消耗由此輸入的功如果葉片的機械阻尼又不足以消耗由此輸入的功時，葉片振動的振幅會越來越大，葉片上的應力會急時，葉片振動的振幅會越來越大，葉片上的應力會急劇增加劇增加。這種現(xiàn)象稱為。這種現(xiàn)象稱為壓氣機或風扇的檀振現(xiàn)象壓氣機或風扇的檀振現(xiàn)象。它。它是壓氣帆機是壓氣帆