罗泽明，郑　丽，张玉宪

(海军航空兵学院飞行理论系，辽宁葫芦岛　125001)



航空发动机喘振的研究与发展

罗泽明，郑丽，张玉宪

(海军航空兵学院飞行理论系，辽宁葫芦岛125001)

摘要:针对航空发动机喘振的特殊情况，在总结现有研究成果的基础上，指出了目前发动机喘振研究的3个方向——稳定性研究、防喘控制研究和喘振故障诊断，分析了各自的研究现状和发展趋势，对发动机设计人员、工程技术人员和飞行人员全面把握喘振问题，具有一定的参考价值。关键词:喘振;稳定性;防喘系统;主动控制;故障诊断

喘振是航空发动机在使用过程中经常遇到的一种特殊情况。当发动机严重偏离设计工作状态、压气机前后流通能力不匹配时，压气机内就会出现叶片边界层流动分离现象，甚至进一步发展成旋转失速状态直至喘振状态。喘振是发动机的一种不稳定工作状态，喘振时，压气机内出现气流流动、分离、中断的脉动现象，气流时断时续，压力时大时小。飞行中发生喘振时，发动机将会出现振动，发出低沉的噪声，燃气温度急剧升高，转速摆动或下降，严重时会造成发动机停车。

为了改善压气机的工作特性，提高发动机稳定工作的范围，目前航空发动机工程师们的研究包括3个方向:通过喘振裕度分析和流场仿真进行稳定性研究;发动机防喘和消喘控制系统研究;喘振故障的检测和诊断。本文从这3个方面对航空发动机喘振的研究现状和进展进行了梳理。

1　稳定性研究

稳定性是保证航空发动机安全、可靠、稳定工作的关键。喘振就是发动机进入一种以气流中断为特征的不稳定状态。目前，在设计阶段，对发动机喘振的研究分为两方面:喘振裕度研究和流场研究。

喘振裕度是衡量喘振发生可能性大小的量，是影响发动机稳定工作的关键因素。目前设计阶段的指导思想是通过设计提高喘振裕度。任晓栋等［1］利用计算流体力学方法研究了可转静叶对提高压气机部分转速下喘振裕度的效果，指导选取最优可转静叶安装角，使压气机喘振裕度达到最大。王健康等［2］提出了一种发动机喘振裕度的建模方法，建立了常规飞行时的无畸变模型与超机动飞行时的损失量模型，并通过数字仿真，验证该方法可控制喘振裕度在11%～13%。向宏辉等［3］基于多台轴流压气机喘振的试验数据，提出并验证了一种轴流压气机喘振边界经验预估方法。

流场研究是利用大型CFD计算软件，如CFX、NUMECA、FLUENT、STAR_CD等对压气机内部流场进行稳态和非稳态流场计算，获得喘振时的特征。胡江峰等［4］对某型多级轴流压气机非设计工况进行了数值计算，分析了近喘振工况下的流场特性，仿真结果与试验数据吻合。贺晓亮［5］进行了压气机近喘振点三维非定常计算，对喘振时的速度场和压力场进行了研究。马超、朱智富等［6－7］对离心压气机进行了设计转速下喘振临界点的非稳态数值模拟，并对压气机各部件在该工况下的非定常流动状况进行了详尽阐述。

2　防喘控制研究

为提高喘振裕度，防止发动机喘振，现代战斗机都进行了防喘控制。Edward等［8］认为，喘振的控制是今后50年压气机研究的主要问题。著名的美国国家发动机研究计划IHPTE和VAATE的智能发动机部分，都将喘振研究与主动稳定性控制技术列为重要内容。

2.1防喘系统

防喘系统分为两类。

一是短时增稳系统。具体调节措施包括压气机可调静子导流叶片、放气、改变发动机尾喷管临界面积、迅速减少燃油、改变超声速进气道斜板的位置。

二是消喘复原系统。它是在短时增稳系统的基础上，增加了压气机不稳定工作的信号检测装置、信号转换器、时间继电器和功率放大器，使发动机扩稳执行机构的执行速度比短时增稳系统快得多。例如，АЛ31－ФG3发动机就装有消喘系统，当发动机发生喘振时，综合调节器通过电信号的传达，能够减小进气道流通面积，切断主燃烧室的供油，使压气机导流叶片转动，开大喷口，这些措施会使喘振在5s内消除。

目前，世界各国都在积极研究压气机喘振的防控措施。张绍基等［9－10］对某型发动机消喘系统进行了改进设计，并进行了数字仿真和试验验证。高永等［11］以主燃油供油量、压气机中间放气量和尾喷口面积为调节参数，以喘振裕度为监测对象，设计并仿真验证了该型发动机的模糊防喘控制器。屈霁云等［12］分别采用吊舱进口安装扰流板和提高发动机慢车以上状态供油量2种方法，对某型发动机进行地面逼喘试验，获取了喘振特性，验证了消喘系统的工作。周燕等［13］通过建立原型机和某型发动机消喘模块模型，查找并验证了消喘系统的失效原因和改进方法。

总之，目前对消喘系统的研究，分为仿真研究和试验验证。仿真研究一般基于仿真平台进行，如MATLAB、AMESim［13］或自主研发仿真平台［10］。试验验证方法是通过逼喘试验验证消喘系统的工作。逼喘方式包括在发动机进口安装插板逼喘、开大高压压气机进口导流叶片角度逼喘、用火风洞进行温度畸变逼喘、收小喷口逼喘、燃烧室喷水逼喘、加大加速供油量逼喘、燃烧室燃油急增逼喘、发射模拟火箭弹逼喘。

2.2主动控制技术

防喘系统已在第三代战斗机上成功使用，它的设计思想是通过检测完全发展的喘振信号，迅速采取措施退出喘振状态。它通过改变发动机的共同工作线，或者在改变压气机稳定边界的同时也改变风扇/压气机稳定工作点的性能［14］，它能保证发动机使用安全，但会不同程度地导致发动机性能的下降，且此时喘振已经形成，对压气机已造成危害。

Epstein等［15］在1986年提出的喘振主动控制概念为解决发动机稳定性问题提供了新的思路，其核心思想是在发动机出现失稳征兆而未进入失稳时便对发动机实施控制，增大喘振裕度，从而避免发动机失稳。它通过改变压气机的稳定边界来提高发动机的稳定工作裕度，其优点是工作点不变，不会降低发动机的性能。

张海波等［16］针对整台涡扇发动机，提出一种基于压力相关度测量的发动机主动稳定性控制技术，建立并仿真验证了涡扇发动机喘振实时模型。黄伟等［17］基于二阶滑模，建立了以紧联控制阀为执行机构的二阶喘振模型，设计和仿真验证了喘振主动控制器。

喘振主动控制在试验室部件试验上已取得了相当大的成功，但由于发动机的稳定性涉及各部件的相互影响，所以主动控制尚未应用于工程实践。其关键技术包括发动机气动失稳机理研究、发动机失稳初始扰动实时在线监测技术、主动控制执行机构等。可以预见，喘振主动控制将体现在发动机整个设计过程中。

3　故障诊断研究

故障诊断是发动机喘振研究的一个重要方面，它通过在发动机上安装传感器，获取运行发动机的相关信号，并对信号进行分析处理，分析其特征参数，诊断是否为喘振故障。明确发动机确实发生喘振后，将采用喘振控制策略对发动机的工作进行干预，同时将故障诊断结果反映在座舱，座舱出现告警，提醒飞行员注意，密切观察，随时进行处置。

3.1故障监测

当喘振发生时，根据喘振的现象和原理，发动机的多个参数会发生变化，要对喘振故障进行监测，必须选取监测参数。喘振发生时，压气机出口总压会降低，发动机转速急剧降低，发动机排气温度急剧上升，推力急剧下降，飞机出现振动、噪声，如图1所示。

一般地，通常选取压气机出口总压作为喘振检测的征兆信号。李长征、祝雪平、侯胜利、王克宏、王春瑞等［18－25］均选择压力脉动数据。在燃气轮机喘振上，还有选择振动和噪声作为分析数据的，如宋光雄等［26］选择振动相关数据，曹昳劼等［27－28］综合了压力、振动、声音等3个数据。

图1　发动机喘振参数变化曲线

3.2故障信号分析

提取参数信号后，对信号分析采取的方法主要有紊流度分析法、脉动压力方差法、压力变化速率法、频谱分析法、小波分析法、Lyapunov稳定性分析和相关积分法等。其中，小波分析、Lyapunov稳定性分析和相关积分法算法较为复杂，主要用于信号的事后分析;紊流度分析法、脉动压力方差法和压力变化速率法是基于信号时域波形幅值特征的分析方法;频谱分析是基于频域特征的分析方法。

此外，一些新技术如短时能量、模糊控制、时间序列等被逐渐应用于喘振故障诊断中，并且取得了显著成果。具体的可参见文献［18］～［28］。

3.3故障诊断

故障诊断是对发动机的运行工作状态与变化趋势的监测评价。目前，故障诊断朝着智能化、自动化的方向发展。通常采用的诊断方法有基于故障方程的故障诊断、基于规则的专家诊断、神经网络等。

对于喘振来说，由于其特征明显，一般采用阈值判断对喘振进行在线监控，即将转速、排气温度信息数据实时输入相应软件，与正常情况下的数据对比，若有异常现象，例如某个点测量值超过正常阈值表明此时有故障。丁蓬勃等［29］将故障树分析与阈值分析相结合，实现了喘振的快速有效判断。

4　结束语

航空发动机喘振是关系发动机稳定性的重要因素，它严重影响着飞行安全，是发动机稳定性研究的关键。为提高稳定性，研究人员以喘振裕度为标准，从设计到使用对各环节都进行了深入研究。随着喘振主动控制技术的深入研究和应用，喘振这个难题将会得到很好的解决。

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Research and development of the aircraft engine surge

LUO Zeming，ZHENG Li，ZHANG Yuxian
(The Development of Flight Theory，Naval Flying Academy，Liaoning Huludao，125001，China)

Abstract:For the special requirement of aircraft engine surge，it indicates that engine stability，anti-surge control and the fault diagnosis of surge are the three researches directions based on the recent researches achievement.It shows the detail about the develop situation and the future current of the three directions.The results has a certain reference value to the design engineers and the flight personnel for comprehensive grasp the surge feature.

Key words:surge; stability; anti－surge system; active control; fault diagnosis

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.001

作者简介:罗泽明(1973—)，男，湖北武汉人，海军航空兵学院教授，主要研究方向为航空发动机。

收稿日期:2015－04－02

中图分类号:V235.1

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 06－0001－04