张萍

摘 要：喘振是航空发动机压气机的一种不正常工作，严重的喘振不仅会危及到发动机的安全，而且会危及到飞行安全。该文从阐述轴流式压气机基本工作原理入手，严格按照轴流式压气机喘振的定义详细介绍了喘振发生和曼延的现象，并分析了压气机喘振的原因和产生喘振的条件。根据分析总结了发动机在设计和结构上采取的防止喘振的措施及其优缺点。

关键词：航空发动机 压气机 喘振 防喘

中图分类号：V233 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（b）-0066-02

1 轴流式压气机的特性

根据压气机的结构形式和气流的流动特点，航空燃气轮机用的压气机中，气流沿离开叶轮中心方向流动的叶做离心式压气机；气流沿与叶轮轴平行方向流动的叫做轴流式压气机。以下重点介绍轴流式压气机。

轴流式压气机由带有许多翼型截面叶片的一个或多个转子和与机匣固定在一起不动的静子组成，静子也有许多翼型截面叶片。转子对空气做功，压缩空气提高空气压力。这种压气机是一个多级装置，以为每一级的压力升高量很小。每一级包含一排旋转叶片和随后的一排静子叶片。转子轴支撑在滚珠轴承或滚珠轴承中，压气机转子与涡轮转子通过联轴器连接，从而形成发动机转子。

为了保证压气机工作稳定，有的在第1级工作叶轮前还有一排不动的叶片称为进气导向叶片。其功用是引导气流的流动方向产生预旋，使气流以合适的方向流入第1级工作叶轮。

2 压气机的喘振

2.1 失速和喘振

工作叶轮进口处相对速度的方向与叶片弦线之间的夹角叫攻角。影响攻角的因素有两个：一个是转速，另一个是工作叶轮进口处的绝对速度（包括大小和方向）。正攻角过大会使气流在叶背出处发生分离；负攻角过大会使气流在叶盆处发生分离，而造成涡轮状态。

流量系数小于设计值，呈正攻角，会使气流在叶背处分离；流量系数大于设计值，呈负攻角，会使气流在叶盆处发生分离，而形成涡轮状态。

当压气机的转速一定时，如果由于某种原因压气机的空气流量减少，导致工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴线方向上的分量下降，使功角上升。在功角过大的情况下，气流在叶背处发生分离，这种发生在叶背上的现象叫失速[1]。

当发动机转速一定时，由于某种原因使工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴线方向上的分量上升，使攻角下降，如果负攻角过大，气流在叶盆处分离，使叶片通道变小，甚至出现喉道发生堵塞。

当压气机空气流量减小而使动叶攻角增大到临界功角附近时，动叶中的某几个叶片可能首先发生分离。于是在这些出现分离区的叶片前面出现明显的气流堵塞现象。这个受阻滞的气流区使周围的流动发生偏转，从而引起上面叶片攻角增大并分离。同时，下面叶片的功角减小并解除分离使分离区相对于叶片向上传播。因此，失速区就朝着与叶片旋转方向相反的方向移动。这种移动速度比圆周速度要小，所以站在绝对坐标系上观察时，失速区以较低的转速与压气机叶轮作同方向的旋转运动，称为旋转时速。

如果失速的叶片过多会导致压气机喘振。

2.2 喘振的现象

喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的震荡现象。当压气机发生喘振时，会出现一系列的外部特征及仪表特征指示[4]。

（1）发动机排气温度升高，排气温度表指示增大。这是由于喘振时，进入燃烧室空气量减小了，使燃烧室出口的燃气温度升高所致。

（2）发动机的功率下降，表现为扭矩压力表指示值减小。这时由于喘振发生后，进入发动机的空气流量减小而造成的。

（3）发动机抖动而引起较强烈的机械振动。这是由于喘振时，气流在压气机中的轴向振荡而引发的。

（4）发动机的声音由正常工作的连续啸声变为低沉的断续声。

（5）气流有倒流现象，进气口有时看到冒白烟。这是由于严重喘振发生时压气机通道严重堵塞，使已压缩的部分气体从进气口倒流出来，急剧膨胀，温度骤降而使周围水汽凝结而形成的白雾。

（6）尾喷口喷火，伴有放炮声。这是由于发生喘振后，进入燃烧室的空气量减小，燃油不能完全燃烧，但温度较高，当到尾喷口遇到空气而重新快速燃烧，出现火舌和伴有放炮聲。

3 喘振的根本原因

喘振的根本原因是由于气流攻角过大，在叶背处发生分离而且这种气流扩展到整个叶栅通道。此时，压气机叶栅完全失去扩压能力，不能将气流推向后方，克服后面较强的反压。于是流量急剧下降。不仅如此，由于动叶叶栅是去扩压能力，后面的高压气体可能倒流至前面。这样，压气机后面的反压降得很低，整个压气机流路这一瞬间变得通畅。而且由于压气机仍保持原来的转速，大量的气流被重新吸入压气机，流入动叶的气流由负功角很快增加到设计值，压气机后面也建立起高压气流，这是喘振过程中气流重新吸入状态。然而，发生喘振的流动条件并没有改变，随着压气机后面的反压不断升高，压气机流量又开始减小，过程又重复。

压气机喘振的探测目前主要是依据压气机出口压力的下降率或转子的减速率来判断。

4 防喘措施

4.1 压气机中间级放气

在压气机中间级放气，有许多不同的结构型式，有的是在压气机匣上中间级处，沿着整个圆周有一排放气孔，用钢质放气阀来开启或者关闭这些放气孔，也有在中间级处安装放气活门，放气带和放气活门都是自动操纵的，也可以人工操纵。（见图1）

当放气带打开时，有部份空气经放气孔流出这相当于压气机的通道中多开了一条通路，使前几级的空气流动阻力减小，轴向分速随之增大，这样，使前几级的流量系数也增大并接近设计值，从而可以避免因攻角过大而发生喘振；同时，由于放走一部份空气，后几级的空气流量减小，轴向分速也随之减小，这样，使后几级的流量系数也减小，并接近设计值，从而可以避免因冲角过小而出现的“涡轮”或者堵塞状态。用中间级放气来防止喘振的方法，就是通过改变进入压气机的流量即改变工作叶轮进口处绝对速度轴向分量Ca的大小来改变其相对速度的大小和方向。采用这种办法，从而可以使前后各级的工作较为协调，以消除发动机转速小于设计值时出现的喘振，扩大它的稳定工作范围。

4.2 双转子结构

把多级压气机分成两个转速不同的转子，这两个转子装在同心轴上，前面的叫低压压气机，后面的叫高压压气机，分别由低、高压涡轮带动，并组成低、高压转子，这种包含低压、高压两个转子的压气机，就是双转子压气机。（见图2）

双转子结构之所以能防喘就在于把一个高增压比压气机分力两个彼此没有机械联系的低增压比压气机，如果双转子压气机的设计增压比为9～16，则每个单转子压气机的设计增压比不过是3～4左右。根据实验和理论分析，在压缩的设计增压比不超过4～4.5时，所有各级在非设计状态下的工作还比较协调，它们偏离设计工作状态都不太远，因此，将高增压比的压气机，分为两个转速不同的压气机使每个单转子的增压比降低到3～4左右。就能较有效防止喘振，此外，当双转子压气机偏离设计工作状态时，高、低压转子会自动调整转速，使压气机各级进口气流相对速度W的方向变化不大，也能有效的防喘，单转子压气机工作中，当转速降低时压气机前几级气流轴向速度Ca比压气机动叶切向速度u减小的程度小，即流量系数增大，所以就会发生“前喘后涡”的现象，采用双转子结构后，当转速下降时低压转子（相当于单转子压气机的前几级）因压气机功增大。使转速下降的多一些，从而使本来过大的冲角也相应减小，高压转子（相当于单转子压气机的后几级）因压气机功减小，使转速下降的少一些，从而可能过小的冲角也相应增大。这样，使得低压压气机的轴向速度分别与各自的圆周速度，自动趋于协调一致，也就是使流量系数基本等于设计值，因而冲角变化小，即消除了前几级喘振，又防止了后几级堵塞，可见，采用两个转子转速不同的结构来自动调节压气机前后各级的工作状态，就是一种通过改变压气机动叶的切线速度u来改变工作叶轮进口处气流相对速度的方向而达到防喘的目的。目前，大多数涡轮燃气发动机都是采用双转子压气机结构。

5 结语

作为一名机务人员，对发动机喘振具备一定的理解是很重要的，随着科学技术发展和对发动机的研究，喘振的裕度将更大，加之三元流压气机的研究及非稳态的计算流体力学（CFD）研究將使人们更好地理解发动机的喘振，现代涡扇发动机的压气机很少发生喘振。虽然如此，但在实际飞行和维护中由于喘振而引起的事故还是时有发生，因此该文试论了轴流式压气机的喘振及其现象、预防和排故注意的问题，以便于我们更加了解喘振及防喘，清楚喘振发生时的现象及处置方法。

参考文献

[1] 徐春生.燃气涡轮发动机[M].北京：兵器工业出版社，2008.

[2] 宋北泓.航空发动机典型故障分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，1992.

[3] 贺尔铭.民用航空发动机控制原理及典型系统[M].北京：国防工业出版社，2002.

[4] B747-200发动机喘振的条件及预防措施（航空安全，2001、6）[Z].

[5] BOEING 767 OPEARATION MANUVE BOINE COMPANY.