喘振,是因为使用、维护不当引发压气机气流异常,并可能严重损坏发动机的不正常工作状态。喘振,这个词太传神了。首先是喘,压气机内气流时而顺流,时而倒流,大幅低频震荡,发出低沉轰鸣,好似病人大口喘气。随后是因喘而振,气流低频振荡,引发发动机机体、甚至周围人体与之共振。同时发动机排气温度急剧上升,如果不迅速收回油门、或者干脆停车,就可能导致一系列造成发动机损坏的严重后果。一度,业内人士谈“喘”色变。

一、喘振咋回事?

喘振,还得从压气机的气流说起。

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(1)

轴流式压气机原理图

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(2)

涡轮喷气发动机结构图

压气机包括转子与静子,转子通过发动机轴与涡轮相联,由涡轮带动,静子固定在压气机机匣上,静止不动。发动机工作时,涡轮带动压气机转子转动,转子叶片对空气做功,通过转子叶片和静子叶片的扩散形通道实现增压。

气体流过压气机转子叶片时,类似于流过机翼,也有迎角一说。

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(3)

压气机转子叶片进出口速度三角形

对于进口速度三角形,V1是进口气流绝对速度,即在地面上观察到的进口气流速度;U是牵联速度,即压气机转子叶片旋转时的线速度;W1是进口气流相对速度,即在压气机转子叶片上观察到的进口气流速度。

压气机转子叶片迎角,是指气流相对速度W1与叶片弦线之间的夹角。在实际流动中,会出现以下三种情形:

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(4)

压气机叶片不同迎角

(a)正向迎角,相对气流指向叶片凹面,在叶片背面形成气流分离,也称叶片失速;(b)零迎角,相对气流方向与叶片弦线重合,没有气流分离;(c)负向迎角,相对气流指向叶背,在叶片凹面形成气流分离,也称叶片堵塞。

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(5)

压气机叶片旋转失速

容易引发压气机喘振的是叶片失速。以叶片旋转方向为前,当前方某个叶片发生失速时,对该叶片的进口气流形成了堵塞效应,如上图所示,从而影响了进入后一叶片的气流的相对速度方向,使其迎角变大,造成后一叶片也进入了失速状态。以此类推,失速区逆叶片旋转方向反向扩展,一旦扩展到整个叶片通道,就形成了旋转失速。

旋转失速发生后,压气机转子叶片就失去了扩压功能,无法将气流压向后方。压气机逐级增压,气压前低后高,在反压作用下高压气体倒流。一旦倒流,反压降低,转子叶片又可以将空气压向后方。但是,只要造成压气机叶片失速的条件没有消除,上述现象就会重复发生,陷入恶性循环,从而造成喘振。

使用中可能导致发动机喘振的具体原因很多,如推油门过猛、飞机拉杆过猛、进入前机尾流、吸入导弹废气等。但是,根本原因都是发动机空气流量瞬间减小,造成压气机转子叶片迎角过大,导致失速。

二、喘振多可怕?

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(6)

航空发动机失火

喘振一旦发生,可能导致一系列严重的破坏性后果,主要有:

一是气流沿压气机轴向发生大幅低频(几赫兹到十几赫兹)震荡,引发压气机叶片共振,导致叶片断裂;

二是伴随着高压气体回流,可能带入燃烧室内的高温高压燃气,烧坏压气机部件;

三是压气机内气流反复中断,造成燃烧室富油燃烧,涡轮前燃气温度升高,烧坏涡轮叶片等热端部件;

四是富油燃气在发动机喷口处遇到新鲜空气,可能引发二次燃烧,造成发动机失火。

三、喘振咋预防?

喘振,是极具破坏性的发动机重大故障。固然,可以从使用和维护角度,减少和避免问题的发生,但是,从根本上说,必须从技术上采取有效措施予以预防和消除。常用的主要有三大技术措施:

一是压气机中间级放气。在发动机转速不变的条件下,针对喘振的根本原因,通过中间级放气,增大压气机进口空气流量,减小相对气流迎角,从而减轻或避免了叶片失速。同时,中间级放气,还减少了后级空气流量,避免了通道堵塞,造成反流。

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(7)

可调静子叶片

二是可调静子叶片,包括导向器叶片。在发动机转速不变的条件下,通过改变静子叶片角度,改变工作叶轮进口处的绝对速度方向,从而改变工作叶轮进口处的相对速度方向,达到了减小迎角,预防或消除防喘的目的。

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(8)

航空发动机的双转子示意图

三是双转子或多转子。双转子,就是发动机有两根转子,高压转子和低压转子,高压转子套在低压转子上,各自独立转动,高压转子包括高压压气机和高压涡轮,低压转子包括低压压气机和低压涡轮。多转子以此类推。采用双转子或多转子,当气流分流时会因低压转子负荷加大,自动降低低压转子转速,减小了低压压气机转子叶片的切线速度,从而改变了工作叶轮进口处的相对速度方向,达到了减小迎角,预防或消除喘振的目的。

什么是妖呀(喘振是个什么妖)(9)

防喘技术措施比较

上述措施都是通过改变相对速度方向,减小叶片迎角,减轻或避免气流分离,从而达到预防或消除喘振的目的。但是在技术路径上各有不同:(1)中间级放气是在牵连速度不变和绝对速度方向不变的条件下,通过增大空气流量,达到改变相对速度方向的目的;(2)可调静子叶片是在牵连速度不变和绝对速度大小不变的条件下,通过改变绝对速度方向,达到改变相对速度方向的目的;(3)双转子或多转子是在绝对速度不变和牵连速度方向不变的条件下,通过改变牵连速度大小,达到改变相对速度方向的目的。

三者比较,中间级放气出现得最早,主要不足是存在流量损失和压力损失,目前主要运用于低增压比发动机。高性能发动机大多同时采用可调静子叶片和双转子或多转子,一些性能要求更高的发动机还会同时采用以上三种技术措施,以获得更好的防喘效果。

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