燃气轮机喘振简介
2013-07-11 21:58阅读：
燃气轮机喘振简介
1036206班
6100200634
王友银
摘要：燃气轮机的压气机喘振是一个比较复杂的流动过程，其发生具有快速性和突然性，而且破坏性强，容易对叶片等造成伤害，甚至诱发安全事故。因此，了解喘振的现象特点和其发生的机理，以及防喘措施十分必要。
关键词：燃气轮机、压气机、喘振
0引言
燃气轮机因其具有安全可靠、结构紧凑、快速启动、热效率高、污染较少等优点在航空、航天、能源和发电等对国家安全和国民经济起着重要作用的领域及行业里发挥着极其重要的作用。其中压缩系统中的流动非稳定现象、旋转失速及喘振等现象，轻则造成燃机特性的急剧恶化，重则导致燃机熄火甚至于叶片断裂而致使整台燃气轮机遭受严重破坏。这对燃气轮机安全性和经济性提出了挑战，成为制约高性能燃气轮机研发的关键因素之一。
图1 燃气涡轮发动机的组成
1喘振的定义
喘振是流体机械及其管道中介质的周期性振荡，是介质受到周期性吸入和排出的激励作用而发生的机械振动。例如，泵或压缩机运转中可能出现的喘振过程是：流量减小到最小值时出口压力会突然下降，管道内压力反而高于出口压力，于是被输送介质倒流回机内，直到出
口压力升高重新向管道输送介质为止；当管道中的压力恢复到原来的压力时，流量再次减少，管道中介质又产生倒流，如此周而复始。喘振的产生与流体机械和管道的特性有关，管道系统的容量越大，则喘振越强，频率越低。[1]
压气机喘振是指气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的气流振荡现象。相关研究表明喘振可以分为两种：一种为由突变失速引起的压气机喘振，另一种为由渐变叶片排失速引起的压气机喘振。其中前者主要发生在多级压气机中，后者多发生在单级或级数较少的压气机中。
2 喘振的产生机理
发生喘振的根本原因是气流在发动机压气机的叶片通道内严重分离，使流通不畅，从而造成的压气机不稳定工作现象，从而使涡轮发动机的工作状态严重地偏离了设计工作状态。相对于压气机进口而言，气流是否发生分离取决于相对速度的方向。而此相对速度的方向则与气流轴向分速度与叶轮圆周速度的大小有关，取决于轴向分速度与圆周速度的比值。这个比值，称为流量系数用符号
表示， 式中Ca—空气的轴向分速度，对某一压气机它可代表空气容积流量的大小；u—压气机叶轮圆周速度。
图2 进口气流轴向速度变化时，相对速度方向变化
图2为气流流入一级压气机工作叶轮在设计工作状态和非设计工作状态下的速度三角形，其中。C①a——空气的轴向分速度，C①——空气的绝对速度，u——压气机叶轮的圆周速度，ω①——空气对压气机叶轮的相对速度，i
——攻角。
图2-（a）当前流量系数小于设计流量系数，此时相对气流的方向同样偏离了叶片前缘的方向。相对气流将冲向叶片的凹面，形成正攻角( i
>
0)。如果正冲角较大，在叶片凸面就会发生气流分离现象。由于空气的惯性作用，使本来就有脱离凸面流动的趋势的气流容更易分离，而且涡流区较容易迅速扩大。当涡流区发展到把大部分甚至全部叶片通道堵塞时，前面的空气就流不进来，气流暂时中断。但由于叶轮的不停转动，压气机内的空气将被叶轮推动而继续向后流动，涡流区也就随之向后移动，空气便又继续流入叶轮。此后，由于该处的空气流量系数仍小于设计值，因而又重复了上述的分离现象。这样压气机的工作过程中，便出现了流动、分离、中断而后再流动，再分离、再中断的周而复始的脉动现象，压气机内的空气流量时断时续，空气压力忽大忽小，压气机的工作极不稳定，进而使整个涡轮发动机进入喘振状态。图2-（b）当前流量系数等于设计流量系数，这时气流相对速度方向与叶轮的叶片前缘方向基本一致，冲角为零(i=0)，不会出现气流分离现象。图2-（c）当前流量系数大于设计流量系数，此时相对气流的方向偏离了叶片前缘的方向。气流将冲向叶片凸面(背面)，形成负了冲角(
i <
0)。如果负冲角较大，则在叶片的凹面将出现涡流，发生气流分离现象。不过由于空气具有惯性，当它流过弯曲的叶片通道时，总有压向叶片凹面的趋势，这就有利于减弱和消除气流分离现象，即使发生分离，其涡流区也不易扩大。此时，仅引起压气机效率降低，而不会引起喘振。[2-3]
简而言之，当流量系数大于或小于设计值时，在涡轮发动机压气机进口处会产生气流分离现象。流量系数过大时（图2-（c））所形成的涡流区不会继续扩大。量系数过小时（图2-（a））所形成的涡流区则会继续扩大，从而在叶轮旋转的作用下，产生强烈的分离，引起喘振。更进一步说，喘振也就是由于压气机在非设计状态下工作时，叶栅上气流分离，使流动不畅，造成气流流动时而堵塞时而通畅的周期往复性振荡现象。
3 多级压气机喘振的现象及特征
3.1压气机喘振时的现象[4]：
（1）发动机的振动加剧，声音由尖哨转变为低沉；
（2）压气机出口总压和流量大幅度的波动；
（3）转速不稳定，推力突然下降并且有大幅度的波动；
（4）发动机的排气温度升高，造成超温；
（5）严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。
3.1压气机喘振特征：
（1）频率较低，通常只有几赫兹或几十赫兹（如图3所示）；
（2）振动强度和幅度很大，主要表现为高压力和强烈的流动波动。
图3 稳压室容积0.5m
3时压气机参数变化
由图3可以看出模拟计算稳压室容积0.5m
3时压气机参数变化得压气机的转速、出口压力和流量都发生波动，其振幅分别为125
r/min、0.0605 MPa和6.14 kg/s，喘振的频率很低不足10HZ。[5]
4 喘振的预防措施
以下为常用几种压气机的防止喘振的措施。
4.1安装可调进口导流叶片和静叶片
旋转进口导流叶片和静叶片的防喘机理：通过改变导向器叶片角度来改变工作叶轮进口处的绝对速度方向，使其出气角度改变，控制导流叶片出气角的大小和方向可以使流入第一级动叶的气流冲角处于正常位置，调节旋转前面级的静叶片出气角可以使这些静叶片后的动叶处于满意的工况下工作，因而可以避免喘振，并使压气机偏离设计工况下仍能工作。
图4 可调进口导流叶片和静叶片
4.2采用双转子或三转子结构
当发动机转速变化，压气机工作状态偏离设计值时，双转子或三转子发动机的高低压转子会自动地调整转速，减小气流冲角，保持各级压力机进口处流量系数接近设计值，使压气机稳定工作，喘振裕度增加。[6]
4.3中间级放气
大量的试验和理论研究表明，从压气机中间级放气是最简便实用的防喘措施，可操作性强常用在压比小于10的压气机中。
燃机在小的换算转速工作时，压气机的不稳定工作特点是“前喘后堵”，即前面级压气机在大的正攻角下工作，后面级在大的负冲角下工作。针对这种工况特点，中间级放气是通过改变进压气机的气流轴向分速度C1a，亦即改变压气机的空气流量Ga的方法来实现控制喘振的目的。
4.4气缸（机匣）处理技术
气缸处理防喘的主要机理：采用气缸处理措施可以抑制叶尖泄漏涡的发展和扩散，调整叶片尖部流动情况，改善来流冲角使叶片尖部的工作在设计点附近从而抑制叶片的失速，消除压气机喘振现象。近年来西北工业大学楚武利教授研究小组以及北航的袁巍、周盛等专家在这方面开展了大量研究工作，研究表明：通过气缸处理可以大幅度提高压气机稳定裕度，防止压气机喘振的发生。
气缸处理防喘的主要形式有缝式结构、周向槽结构、斜槽气缸。[6]
除上述外，还有压气机可变进口通道面积、发动机进气道内表面处理、控制供油规律
、正确操作，精心维护发动机等措施也可以起到防喘作用。
5 结论
发生喘振的根本原因是气流在发动机压气机的叶片通道内严重分离，使流通不畅，从而造成的压气机不稳定工作现象。深刻理解喘振发生的机理，以及影响因素，科学地设计以及选择防喘措施可以有效的减少喘振发生。
参考文献：
[1] 百度文库
[2] 张彤，吴蔚 涡轮发动机的喘振机理及预防与控制的研究. 锦州师范学院学报（自然科学版），2003
[3] 邓东海 燃气轮机喘振产生的机理和对策. 江西电力职业技术学院学报,2011,11
[4] 发动机的喘振
[5] 王伟才，王银燕 压气机动态模型的建立及喘振过程分析.热能与动力工程，2007,3.
[6] 谢彦文，崔耀欣等 压气机喘振机理及防喘措施研究.热力透平,2008,7.
