某型發動機喘振及喘振裕度分析

潘彬

摘 要：本文闡述了航空發動機的喘振機理以及某型發動機的防喘設計，通過計算該型發動機的喘振裕度，示范了喘振裕度的分析和計算方法。本文對分析發動機喘振和喘振裕度具有參考意義。

關鍵詞：喘振；防喘措施；喘振裕度

中圖分類號：V263.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0069-03

1 引言

喘振是航空發動機壓氣機的一種不穩定工作狀態。當航空發動機進入喘振狀態時，發動機部件（首先是壓氣機）將會產生強烈的機械振動，造成發動機使用壽命的損耗或零部件的損壞。同時，喘振還會造成發動機空氣流量的減少，引起渦輪部件的超溫，對發動機的正常工作帶來很大的威脅。

某型發動機是我國常用的渦輪螺旋槳發動機，該型發動機通過放氣活門設計，等轉速設計來防止喘振。

2 喘振機理

為了描述壓氣機工作時的氣流狀態，先引入流量系數的概念（見公式1）：

（公式1）

式中，為流量系數，Ca為氣流的軸向速度，u為壓氣機葉片葉尖的線速度。

當壓氣機處于設計工況且流量系數等于設計值時，轉子葉片的氣流攻角為0，空氣能夠順利流入壓氣機各排葉柵，葉柵通道的葉背與葉盆都不會發生氣流分離現象，發動機不會發生喘振。如圖1所示。

當發動機轉速不變，空氣流量減小時，Ca減小，u不變，于是流量系數減小，此時氣流攻角大于0。當第一級壓氣機轉子葉片氣流攻角大到一定程度時，氣流就會在葉背處發生附面層分離，如圖2所示。由于流量系數的減小，壓氣機各級的增壓比大于設計值，氣流的軸向速度分量逐漸減小，流量系數進一步減小，氣流的正攻角特性加強，氣流在葉背的分離程度加強，極限狀態就是失速或者喘振，壓氣機的末級更容易發生喘振。

相反，當發動機轉速不變，空氣流量增大時，壓氣機第一級轉子葉片氣流攻角小于0，氣流有可能在葉盆處發生分離，如圖3所示。對于壓氣機后面級，氣流的負攻角特性加強，氣流在葉盆的分離程度加強。但是由于慣性力的作用和壓比的減小，葉盆的附面層分離往往不會嚴重的發展下去，所以這種情況一般不會發生喘振。

除此之外，發動機轉速的改變也可能導致喘振的發生。當轉速低于設計值時，壓氣機的空氣流量降低，對壓氣機第一級葉片，Ca的縮小率大于u的縮小率，第一級轉子葉片的流量系數低于設計值，氣流攻角大于0，氣流容易在葉背處發生附面層分離，如圖2所示。而壓氣機后面級的增壓比逐漸減小，氣流的軸向速度分量逐漸增大，氣流攻角逐漸減小，最終呈現負攻角，如圖3所示。極限狀態下，發動機呈現“前喘后堵”工作狀態。

相反，當發動機轉速高于設計值時，壓氣機前面級會出現負攻角特性，后面級會出現正攻角特性。極限狀態下，發動機呈現“前堵后喘”工作狀態。

綜上所述，導致航空發動機喘振的原因主要有兩方面：空氣流量的減少；超轉速或低轉速。

3 某型發動機的防喘設計

某型發動機使用10級軸流式壓氣機，為避免發動機起動過程中喘振，該型發動機在壓氣機第5級和第8級各裝有兩個放氣活門。

除此之外，該型發動機采用了等轉速設計，通過控制螺旋槳槳距來維持轉速恒定。當往上推油門時，轉速有變大趨勢，調速機構控制螺旋槳變大距，阻止轉速的上升，下拉油門時，轉速有變小的趨勢，調速機構控制螺旋槳變小距，阻止轉速的下降。等轉速的設計避免了因轉速變化導致喘振。

3.1 放氣活門防喘機理

發動機在起動過程中，轉速低于設計值，需要采取相應的措施避免發動機喘振。

該型發動機在起動過程中，當轉速達到一定數值后，放氣活門打開。此時，放氣口截面前后的空氣流量是不等的，放掉部分空氣后，減少了氣流通道的阻力，降低了前幾級的背壓，使前幾級的空氣流量增加，相應地，前幾級的軸向速度和流量系數也增加，從而消除了前幾級由于攻角過大而引起的失速和發生喘振的可能。同時，由于放掉了空氣，使放氣口截面后面幾級壓氣機的空氣流量減少，相應地，后幾級的軸向速度和流量系數減少，從而消除了后幾級由于攻角過小而引起的氣流堵塞情況。

3.2 等轉速設計防喘機理

等轉速設計保證了發動機在正常工作狀態時，發動機轉速維持恒定。避免了轉速變化造成喘振的可能。

4 某型發動機的喘振裕度計算

喘振裕度是指在均勻進氣條件下，壓氣機喘振邊界上的有關參數和工作線上對應參數之間的相對差值。在發動機工作中，為了確保飛行的安全，我們應當盡量使發動機的工作線遠離喘振邊界，也就是增大發動機的喘振裕度。

本文利用某型發動機的壓氣機特性曲線，對發動機的喘振裕度進行分析。喘振裕度的分析方法較多，本文主要介紹等換算流量喘振裕度、等換算轉速喘振裕度的計算方法。

4.1 等換算流量喘振裕度

如圖4所示，在壓氣機特性曲線上取5條等換算流量線，每條等換算流量線與壓氣機工作線和喘振邊界各有一個交點，利用交點對應的增壓比即可求出每個換算流量對應的等換算流量喘振裕度。

將數據帶入公式2，可求得各換算流量下，壓氣機的等換算流量喘振裕度，計算結果見表1。

由表1可以看出，當發動機換算流量在Gcor1附近時，壓氣機的喘振裕度最大，但是，Gcor1對應的發動機轉速較低，是發動機起動過程的某一狀態。因此，對于該型發動機的壓氣機，為保證足夠的安全性，應將其換算流量設計在Gcor3或者Gcor4附近。

4.2 等換算轉速喘振裕度

等換算轉速喘振裕度是在等轉速線上確定的，即是在等換算轉速條件下，喘振邊界點參數和工作點參數之差除以工作點參數。

將相應數據帶入公式3和公式4，可求得考慮換算流量和不考慮換算流量時壓氣機的等換算轉速喘振裕度，計算結果見表2。

由表2可以看出，當換算轉速在ncor3與ncor4附近時，不管是否考慮換算流量，發動機的喘振裕度都比較高，在飛機飛行過程中，為使發動機的工作線遠離喘振邊界，就應當使發動機的換算轉速維持在ncor3與ncor4附近。

5 結語

通過對某型發動機的防喘設計和喘振裕度進行分析，積累了科學的分析與計算方法，對該型發動機的喘振故障分析提供了借鑒。該喘振裕度的計算方式也適用于其他型號發動機的喘振裕度計算。

參考文獻

[1]中國航發南方工業有限公司.某型發動機技術說明書[M].2017.

[2]中國航發南方工業有限公司.某型發動機維修手冊[M].2017.

[3]舒士甄，朱力，柯玄齡，蔣滋康.葉輪機械原理[M].清華大學出版社，1991.