潘彬

摘 要：本文闡述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振機(jī)理以及某型發(fā)動(dòng)機(jī)的防喘設(shè)計(jì)，通過計(jì)算該型發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度，示范了喘振裕度的分析和計(jì)算方法。本文對(duì)分析發(fā)動(dòng)機(jī)喘振和喘振裕度具有參考意義。

關(guān)鍵詞：喘振；防喘措施；喘振裕度

中圖分類號(hào)：V263.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0069-03

1 引言

喘振是航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的一種不穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)部件（首先是壓氣機(jī)）將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的損耗或零部件的損壞。同時(shí)，喘振還會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的減少，引起渦輪部件的超溫，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作帶來很大的威脅。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)是我國常用的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)通過放氣活門設(shè)計(jì)，等轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)來防止喘振。

2 喘振機(jī)理

為了描述壓氣機(jī)工作時(shí)的氣流狀態(tài)，先引入流量系數(shù)的概念（見公式1）：

（公式1）

式中，為流量系數(shù)，Ca為氣流的軸向速度，u為壓氣機(jī)葉片葉尖的線速度。

當(dāng)壓氣機(jī)處于設(shè)計(jì)工況且流量系數(shù)等于設(shè)計(jì)值時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片的氣流攻角為0，空氣能夠順利流入壓氣機(jī)各排葉柵，葉柵通道的葉背與葉盆都不會(huì)發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)發(fā)生喘振。如圖1所示。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，空氣流量減小時(shí)，Ca減小，u不變，于是流量系數(shù)減小，此時(shí)氣流攻角大于0。當(dāng)?shù)谝患?jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣流攻角大到一定程度時(shí)，氣流就會(huì)在葉背處發(fā)生附面層分離，如圖2所示。由于流量系數(shù)的減小，壓氣機(jī)各級(jí)的增壓比大于設(shè)計(jì)值，氣流的軸向速度分量逐漸減小，流量系數(shù)進(jìn)一步減小，氣流的正攻角特性加強(qiáng)，氣流在葉背的分離程度加強(qiáng)，極限狀態(tài)就是失速或者喘振，壓氣機(jī)的末級(jí)更容易發(fā)生喘振。

相反，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，空氣流量增大時(shí)，壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片氣流攻角小于0，氣流有可能在葉盆處發(fā)生分離，如圖3所示。對(duì)于壓氣機(jī)后面級(jí)，氣流的負(fù)攻角特性加強(qiáng)，氣流在葉盆的分離程度加強(qiáng)。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(huì)嚴(yán)重的發(fā)展下去，所以這種情況一般不會(huì)發(fā)生喘振。

除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變也可能導(dǎo)致喘振的發(fā)生。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)值時(shí)，壓氣機(jī)的空氣流量降低，對(duì)壓氣機(jī)第一級(jí)葉片，Ca的縮小率大于u的縮小率，第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的流量系數(shù)低于設(shè)計(jì)值，氣流攻角大于0，氣流容易在葉背處發(fā)生附面層分離，如圖2所示。而壓氣機(jī)后面級(jí)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(xiàn)負(fù)攻角，如圖3所示。極限狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)“前喘后堵”工作狀態(tài)。

相反，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)計(jì)值時(shí)，壓氣機(jī)前面級(jí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)攻角特性，后面級(jí)會(huì)出現(xiàn)正攻角特性。極限狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)“前堵后喘”工作狀態(tài)。

綜上所述，導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)喘振的原因主要有兩方面：空氣流量的減少；超轉(zhuǎn)速或低轉(zhuǎn)速。

3 某型發(fā)動(dòng)機(jī)的防喘設(shè)計(jì)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)使用10級(jí)軸流式壓氣機(jī)，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中喘振，該型發(fā)動(dòng)機(jī)在壓氣機(jī)第5級(jí)和第8級(jí)各裝有兩個(gè)放氣活門。

除此之外，該型發(fā)動(dòng)機(jī)采用了等轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，通過控制螺旋槳槳距來維持轉(zhuǎn)速恒定。當(dāng)往上推油門時(shí)，轉(zhuǎn)速有變大趨勢(shì)，調(diào)速機(jī)構(gòu)控制螺旋槳變大距，阻止轉(zhuǎn)速的上升，下拉油門時(shí)，轉(zhuǎn)速有變小的趨勢(shì)，調(diào)速機(jī)構(gòu)控制螺旋槳變小距，阻止轉(zhuǎn)速的下降。等轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)避免了因轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致喘振。

3.1 放氣活門防喘機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)值，需要采取相應(yīng)的措施避免發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后，放氣活門打開。此時(shí)，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(jí)的背壓，使前幾級(jí)的空氣流量增加，相應(yīng)地，前幾級(jí)的軸向速度和流量系數(shù)也增加，從而消除了前幾級(jí)由于攻角過大而引起的失速和發(fā)生喘振的可能。同時(shí)，由于放掉了空氣，使放氣口截面后面幾級(jí)壓氣機(jī)的空氣流量減少，相應(yīng)地，后幾級(jí)的軸向速度和流量系數(shù)減少，從而消除了后幾級(jí)由于攻角過小而引起的氣流堵塞情況。

3.2 等轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)防喘機(jī)理

等轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)保證了發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持恒定。避免了轉(zhuǎn)速變化造成喘振的可能。

4 某型發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度計(jì)算

喘振裕度是指在均勻進(jìn)氣條件下，壓氣機(jī)喘振邊界上的有關(guān)參數(shù)和工作線上對(duì)應(yīng)參數(shù)之間的相對(duì)差值。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，為了確保飛行的安全，我們應(yīng)當(dāng)盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作線遠(yuǎn)離喘振邊界，也就是增大發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度。

本文利用某型發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)特性曲線，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度進(jìn)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(zhuǎn)速喘振裕度的計(jì)算方法。

4.1 等換算流量喘振裕度

如圖4所示，在壓氣機(jī)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(jī)工作線和喘振邊界各有一個(gè)交點(diǎn)，利用交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增壓比即可求出每個(gè)換算流量對(duì)應(yīng)的等換算流量喘振裕度。

將數(shù)據(jù)帶入公式2，可求得各換算流量下，壓氣機(jī)的等換算流量喘振裕度，計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)換算流量在Gcor1附近時(shí)，壓氣機(jī)的喘振裕度最大，但是，Gcor1對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，是發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的某一狀態(tài)。因此，對(duì)于該型發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)，為保證足夠的安全性，應(yīng)將其換算流量設(shè)計(jì)在Gcor3或者Gcor4附近。

4.2 等換算轉(zhuǎn)速喘振裕度

等換算轉(zhuǎn)速喘振裕度是在等轉(zhuǎn)速線上確定的，即是在等換算轉(zhuǎn)速條件下，喘振邊界點(diǎn)參數(shù)和工作點(diǎn)參數(shù)之差除以工作點(diǎn)參數(shù)。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)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(shí)壓氣機(jī)的等換算轉(zhuǎn)速喘振裕度，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可以看出，當(dāng)換算轉(zhuǎn)速在ncor3與ncor4附近時(shí)，不管是否考慮換算流量，發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度都比較高，在飛機(jī)飛行過程中，為使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作線遠(yuǎn)離喘振邊界，就應(yīng)當(dāng)使發(fā)動(dòng)機(jī)的換算轉(zhuǎn)速維持在ncor3與ncor4附近。

5 結(jié)語

通過對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的防喘設(shè)計(jì)和喘振裕度進(jìn)行分析，積累了科學(xué)的分析與計(jì)算方法，對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振故障分析提供了借鑒。該喘振裕度的計(jì)算方式也適用于其他型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度計(jì)算。

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