席亞賓　張帥　蔡青春　李洪濤　紀(jì)運(yùn)廣

摘要：燃?xì)廨啓C(jī)在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。隨壓氣機(jī)向著高平均級(jí)壓比、高效率和高喘振裕度方向的發(fā)展，簡單葉片失速及旋轉(zhuǎn)失速成為壓氣機(jī)不得不考慮的問題，其中，旋轉(zhuǎn)失速不僅影響機(jī)器的穩(wěn)定工作范圍和運(yùn)行可靠性，還可導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，本文對燃?xì)廨啓C(jī)常見失速機(jī)理及防范對策進(jìn)行了分析，可為燃?xì)廨啓C(jī)及壓氣機(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);壓氣機(jī);旋轉(zhuǎn)失速;防范對策

0? 引言

壓氣機(jī)作為高效率燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展進(jìn)程中的關(guān)鍵零部件之一，在提供高壓比的同時(shí)也限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍[1]，關(guān)系著燃?xì)廨啓C(jī)的效率和安全、穩(wěn)定運(yùn)行。圖1為某軸流式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖。若壓氣機(jī)發(fā)生氣流旋轉(zhuǎn)失速，其后果極為嚴(yán)重，其中局部喘振也可誘發(fā)旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)[2]，從而導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片受到一種或多種周期性變化的氣流脈動(dòng)沖擊[3]，造成葉片機(jī)械性損傷。因此，為減少旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生，有必要分析發(fā)生機(jī)理和研究需采取的應(yīng)對措施。

1? 燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理分析

1.1 旋轉(zhuǎn)失速理論分析

旋轉(zhuǎn)失速，是一種限制在壓氣機(jī)葉片附近的沿周向傳播的非軸對稱氣流脈動(dòng)，是附面層分離的結(jié)果。陳振等[4]在流體模擬中說明了旋轉(zhuǎn)失速的控制主要是為了消除遲回效應(yīng)。由于葉片結(jié)構(gòu)容差或流場擾動(dòng)，某一個(gè)或者幾個(gè)葉片分離范圍增大致使流道形成氣塞，一側(cè)葉片沖角增大一側(cè)減小[5]，其機(jī)理如圖2所示。當(dāng)壓氣機(jī)流量較小時(shí)，進(jìn)氣沖角增大，氣流在葉輪流道內(nèi)形成與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同的一個(gè)或幾個(gè)失速團(tuán)，失速團(tuán)的繞軸角速度較低，從而在葉片非工作面產(chǎn)生邊界層分離，形成旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象[6]。這種加劇的氣流分層脫離最終造成壓氣機(jī)某級(jí)或某幾級(jí)葉片旋轉(zhuǎn)失速。

1.2 旋轉(zhuǎn)失速的主要原因

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)速逐漸提升，在達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速之前，壓氣機(jī)會(huì)經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)失速階段，但一般不足以引起軸承的強(qiáng)烈振動(dòng)和出口壓力的下降。在運(yùn)行過程中，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速主要有以下幾個(gè)原因：

①葉片質(zhì)量影響。葉片加工質(zhì)量缺損、運(yùn)輸安裝過程對葉片造成的磨損破壞以及污損等，都可能造成轉(zhuǎn)子葉尖的負(fù)荷達(dá)到極值，葉片通道尾緣逆壓力梯度過大，出現(xiàn)倒流等情況。

②壓氣機(jī)總體設(shè)計(jì)水平和加工裝配精度影響。在設(shè)計(jì)階段就要考慮采取仿真、試驗(yàn)等必要措施以減少旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生的可能性;壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及其部件加工和裝配精度不足等均會(huì)增加壓氣機(jī)啟動(dòng)過程中旋轉(zhuǎn)失速的概率。

③負(fù)載換流逆變器出力不足的影響。負(fù)載換流逆變器出力不足會(huì)引起機(jī)組在升速過程中動(dòng)力不足，導(dǎo)致升速過慢。為提高機(jī)組升速，只能加大燃燒器燃料投入，這樣會(huì)造成葉片通道溫度上升，氣流沖角變化，致使氣流脫離葉片，最終產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速。

④進(jìn)氣壓力損失的影響。壓氣機(jī)進(jìn)口必須安裝空氣過濾系統(tǒng)以濾去空氣中的顆粒雜質(zhì)，防止顆粒雜質(zhì)在通流部分產(chǎn)生侵蝕和形成積垢。當(dāng)空氣過濾系統(tǒng)堵塞時(shí)，進(jìn)氣壓力損失將顯著增加，燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率降低，也會(huì)造成旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。

2? 旋轉(zhuǎn)失速防范對策

基于對壓氣機(jī)升速過程中的轉(zhuǎn)速、壓力等參數(shù)的綜合分析，在設(shè)計(jì)階段采取措施，以及在轉(zhuǎn)子及其部件加工、裝配階段嚴(yán)格控制精度都可減少或避免旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)失速的具體防范措施主要有：

2.1 采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)

如調(diào)整啟動(dòng)過程中的中間防喘放氣閥的開度，采用雙轉(zhuǎn)子方法，或者采用旋轉(zhuǎn)進(jìn)口導(dǎo)流葉片和靜葉片的方法，都可防止壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量減少，避免或緩解氣流脫離現(xiàn)象。進(jìn)口導(dǎo)流葉片如圖3所示。

2.2 引入濕壓縮

在干壓縮失速邊界進(jìn)行加濕能顯著提高壓氣機(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量流量、壓比以及效率，并可提升低速流動(dòng)區(qū)域的速度。加濕顆粒尺寸越小，加濕量越大，進(jìn)口空氣質(zhì)量流量、壓比以及效率增加的趨勢會(huì)越大;而加濕顆粒尺寸越小，加濕量越大，低速流動(dòng)區(qū)域范圍越小，速度提升越高。雖然加濕后使得阻塞邊界左移，縮小了整個(gè)工況下的邊界流量范圍，但加濕有明顯的抑制回流效果，使回流削弱甚至消除，從而壓氣機(jī)從失速狀態(tài)回歸到正常工作狀態(tài)[7]。

2.3 等離子體激勵(lì)

張海燈等[8]通過非定常數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，來源于轉(zhuǎn)子葉頂流動(dòng)分離的龍卷風(fēng)式分離渦是所研究的高負(fù)荷壓氣機(jī)失速的主要驅(qū)動(dòng)力，其形成與近失速點(diǎn)轉(zhuǎn)子葉頂泄漏流的發(fā)展密切相關(guān)。在壓氣機(jī)動(dòng)態(tài)失速的起始階段，施加定常等離子體激勵(lì)可以有效阻斷壓氣機(jī)動(dòng)態(tài)失速過程，但在轉(zhuǎn)子葉頂流動(dòng)分離發(fā)展到一定程度之后，定常等離子體激勵(lì)則失去了對壓氣機(jī)失速抑制的能力。

2.4 引流噴射

流噴射經(jīng)由流噴射口而被引入到壓氣機(jī)的軸向空氣流路中，流噴射口位于壓氣機(jī)中的導(dǎo)流靜葉的壓力側(cè)，并且將流噴射朝向位于靠近導(dǎo)流靜葉下游的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉的前緣引導(dǎo)，如圖4所示。在檢測到旋轉(zhuǎn)失速和/或在壓氣機(jī)以低于其滿載速度運(yùn)行時(shí)，引入流噴射。流噴射減小了壓氣機(jī)空氣在下游轉(zhuǎn)子動(dòng)葉的前緣上的入射角，并使轉(zhuǎn)子經(jīng)歷更有利的速度。有利速度通過減輕和/或減少旋轉(zhuǎn)失速而使得轉(zhuǎn)子的運(yùn)行范圍擴(kuò)大，進(jìn)而使得壓氣機(jī)的運(yùn)行范圍擴(kuò)大。

3? 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象廣泛地存在于旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械，深入研究旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生機(jī)理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對其控制，對于改善葉輪機(jī)械性能，拓寬穩(wěn)定工作范圍具有重要的理論意義和工程價(jià)值。燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速是一種葉片附近區(qū)域沿周向傳播的非軸對稱氣流脈動(dòng)。當(dāng)進(jìn)口流量減少到某個(gè)極限時(shí)，進(jìn)氣沖角增大，壓氣機(jī)葉輪流道內(nèi)會(huì)形成與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同的失速團(tuán)，氣流在葉片非工作面發(fā)生邊界層分離，從而形成旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。本文分析了導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速的主要原因，給出了降低和避免旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的具體措施，可為解決燃機(jī)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速缺陷問題提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫海鷗，馬婧媛，王忠義，等.船用燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)自適應(yīng)機(jī)匣處理設(shè)計(jì)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（1）：1-7.

[2]潘天宇，宋西鎮(zhèn)，李志平，等.局部喘振現(xiàn)象物理本質(zhì)的研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2015，36（9）：1317-1323.

[3]富兆龍，萬洪軍，焦鵬，等.PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)原因分析及處理[J].發(fā)電設(shè)備，2017，31（5）：367-371.

[4]陳振，徐鑒.軸流壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速和喘振的非線性反饋控制[J].振動(dòng)與沖擊，2013，32（4）：106-110.

[5]傅文廣.非軸對稱靜葉對畸變條件下壓氣機(jī)流場影響研究[D].大連海事大學(xué)，2019.

[6]王洪祥，郭貴喜，陸軍，等.軸流壓氣機(jī)失速與喘振的發(fā)生與對策分析[J].電子制作，2013，15（37）.

[7]羅銘聰.進(jìn)口加濕的跨音速壓氣機(jī)級(jí)氣動(dòng)性能研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[8]張海燈，吳云，李應(yīng)紅，等.高負(fù)荷壓氣機(jī)失速及其等離子體流動(dòng)控制[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2019，40（2）：289-299.