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[科普资料] 飞机发动机的「喘振」是什么,有何危害?

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Aerotime 发表于 2015-12-29 09:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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         简而言之就是发动机咳嗽了。
         要搞清楚喘振是什么,首先要了解喷气发动机的原理。涡喷发动机的主要结构由进气道,压气机,燃烧室,涡轮和尾喷口组成。
        
        空气从进气道进入压气机,由压气机做功压缩成高压空气,进入燃烧室与燃油混合燃烧成高温高压燃气,高温高压燃气再对涡轮做功,经过涡轮后压力和温度都下降,之后经尾喷管排出发动机。

        而涡扇发动机在压气机前面还有一级或几级风扇,气流先经过风扇,之后分成两股,一股经过外涵道直接排出,一股进入内涵道被压气机吸入,进入内涵道的气流之后经历的过程与涡喷发动机一样。典型的涡扇发动机结构如下图

        

       从原理上讲,涡喷发动机和涡扇发动机没有太大的本质区别,可以认为涡扇发动机是在涡喷发动机的基础上加了一个大风扇。喘振则是由压气机引起的发动机工作异常。压气机在喷气发动机中的作用是对低压空气做功,将其压缩成高压空气。目前固定翼飞机所用的喷气发动机其压气机都为多级轴流压气机,多级轴流压气机的每一个增压级都由一级转子叶片(又称动叶)和一级静子叶片(又称静叶)组成,剖面简图如下

   
        其中深蓝色的就是转子叶片,安装在轮盘上一整圈,蓝绿色的是静子叶片。只有转子叶片是旋转的,静子叶片是不动的。

       下图为真实的转子叶片

      

        工作时,由轴带动转子叶片高速旋转,空气在经过高速旋转的动叶叶片时被加速,同时在动叶中叶栅通道由窄变宽,使空气与动叶的相对速度变小,其相对动能就会被被转化成压力能,而动叶叶片是在高速运动的,空气与动叶的相对速度变小就意味着绝对速度增加,被加速的空气通过动叶后进入静叶,又被静叶减速,在通过静叶时,空气的动能减少了,但能量是守恒的,减少的动能变成了气体的压力能,即通过静叶时减速增压,之后进入下一级动叶又被加速扩压,而下一级的静叶又使空气减速增压,这样经过多级动叶和静叶,空气总压可以上升二三十倍。

        但是如果动叶的转速过快,就会在动叶的叶背处产生气流分离(动叶转速是否过快是由压气机进口气压,进口气流速度,空气流量和发动机转速等多种因素决定的,因此不存在转速超过某个定值就一定会发生分离),当气流分离严重时,动叶将失去扩压能力,即无法将气流压向后方,而压气机中的气压都是后面级高于前面级,无法将气流压向后方,就意味着后面的高压气体将倒流到前面,而高压气体一旦倒流到前面,后方的气压就减小,此时动叶又可以将空气压向后面级(因为此时后面级气压变小了),但此时动叶依然没有恢复正常工作时的扩压能力,一旦将空气压向后面级导致后面级气压增大,后面的高压气体又会向前倒流,接着后方气压减小,空气又被压回后面级,如此陷入一个恶性循环。这就是喘振,形象的说就是发动机咳嗽了。

        所以发生喘振时,气流会沿压气机轴向发生低频率(几赫兹到十几赫兹)高振幅的气流震荡,这种低频率高振幅的气流震荡会带动压气机的叶片产生强烈的震动,使叶片在短时间内发生严重损坏甚至断裂。

        更危险的是燃烧室火焰逆流,这种情况是由于压气机喘振太剧烈,导致后方的燃烧室的高温燃气倒流进压气机,使本应在燃烧室里燃烧的火焰从压气机喷到了发动机前面,即便这样过程只持续零点几秒,乱窜的高温火焰也足以烧坏压气机的所有叶片导致发动机报废。

        所以任何工作状态下都要极力避免压气机进入喘振状态。


        来源:知乎  作者:鲍赋劼

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望天观海 发表于 2016-1-1 11:37 | 显示全部楼层
很好的科普。

但不像咳嗽。
愚者千虑 发表于 2016-3-6 22:29 | 显示全部楼层
可否将前几排静叶设计成可调,并且转轴位于静叶前端,保留摇臂和作动圈,取消作液压动筒,让静叶可像风向标一样随气流摆动,从而减小或消除非设计状态下叶片的气流分离,避免喘振?
红水兵 发表于 2016-3-7 03:49 | 显示全部楼层
愚者千虑 发表于 2016-3-6 22:29
可否将前几排静叶设计成可调,并且转轴位于静叶前端,保留摇臂和作动圈,取消作液压动筒,让静叶可像风向标 ...

从主楼的文章看静叶的结构和动叶上的气流分离没有多大关系啊?而且静叶的作用是降低气流速度提高气流压力,被你变成被动可调节了,怎么实现降速增压的作用呢?
nwwind 发表于 2016-3-7 08:58 | 显示全部楼层
愚者千虑 发表于 2016-3-6 22:29
可否将前几排静叶设计成可调,并且转轴位于静叶前端,保留摇臂和作动圈,取消作液压动筒,让静叶可像风向标 ...

喘振是由转子叶片气流分离造成的,不是静子叶片。这是其一
可调静子叶片的主要作用是调节转子叶片上的气流迎角,防止转子叶片气流分离。如果静子叶片自由摆动,就起不到调节作用。这是其二。
静子叶片在自由转动条件下会被气流吹到全开位,不仅起不到调节作用,连减速增压作用都失去了。
愚者千虑 发表于 2016-3-7 10:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 愚者千虑 于 2016-3-7 10:34 编辑
nwwind 发表于 2016-3-7 08:58
喘振是由转子叶片气流分离造成的,不是静子叶片。这是其一
可调静子叶片的主要作用是调节转子叶片上的气 ...

好吧,这个问题换一个角度来说,发动机喘振的表现一是前喘后涡,即后面空气由于动叶片的加功不足,形成反压,这也促使前几排静叶像压力阀一样,开度减小,脱离喘振。二是前涡后喘,后几排动叶加功大吸力大,使前排流量增加,也促使前几排静叶像压力阀一样,开度增加,脱离喘振。
这个装置,静叶开度是由前排动叶出口绝对速度和后几排动叶吸力共同决定的。最早的航空发动机,没有压气机,紧靠压力阀,通过脉动燃烧就能工作,现代航空发动机增加了压气机,使燃烧可以连续进行,增大了推力和工作范围,当作原理都是让气流单向流动,因而把前几排静叶做成既有压力阀,又有整流扩压作用,不是一举两得?
静叶的增压是由其出口开度大于进口开度来完成的,可调静叶在其调节范围都能做到这一点,因而不存在失效的问题,只是要设置开度范围
愚者千虑 发表于 2016-3-7 10:45 | 显示全部楼层
红水兵 发表于 2016-3-7 03:49
从主楼的文章看静叶的结构和动叶上的气流分离没有多大关系啊?而且静叶的作用是降低气流速度提高气流压力 ...

如果静叶的结构和动叶上的气流分离没有多大关系的话,那现在采取的主动调整前几排静叶的防喘措施就不成立。
实际上动叶的分离,也可理解压气机通道内轴向速度相对过大和过小,这样,同在这个通道内的静叶也会因相同的原因出现分离,这也使得它本身具有一定自适应性
nwwind 发表于 2016-3-7 15:04 | 显示全部楼层
本帖最后由 nwwind 于 2016-3-7 15:08 编辑
愚者千虑 发表于 2016-3-7 10:25
好吧,这个问题换一个角度来说,发动机喘振的表现一是前喘后涡,即后面空气由于动叶片的加功不足,形成反 ...

可调静子叶片的工作原理是通过改变出口气流的方向,改变转子叶片实际迎角。当静子叶片打开时,转子迎角减小,静子叶片关闭时,转子迎角增大。所以VSV设计要求静子叶片的开度与转子叶片的迎角(设计流量系数)相匹配。
而你所设想的自由式静子的开度是与级间压差(反压)成线性关系的(或许还需要加入一些阻尼或者反力的组件作为控制逻辑)。这就要求级间反压与设计流量系数相匹配。我没有研究过两者之间的关系,但如果两者之间不匹配的话,它就会变成一个设计糟糕的VSV,会导致转子叶片在叶盆分离和叶背分离之间来回震荡,最后变成一种人为的喘振。就像你说的那样,成为一个压力阀。
虽然就像你说的,脉动式发动机都可以正常工作,轴流式发动机有点脉动又如何呢?现实是轴流式发动机结构复杂而且脆弱的多,经不起这样的脉动。
愚者千虑 发表于 2016-3-7 16:00 | 显示全部楼层
本帖最后由 愚者千虑 于 2016-3-7 16:05 编辑
nwwind 发表于 2016-3-7 15:04
可调静子叶片的工作原理是通过改变出口气流的方向,改变转子叶片实际迎角。当静子叶片打开时,转子迎角减 ...

当静子叶片打开时,转子迎角减小,静子叶片关闭时,转子迎角增大。这个你好像说反了
请看我的图标,这是基元级速度三角形,当静子叶片打开时(我理解是增大与旋转面的角度),预旋C1u减小,转速(线速)U1不变的情况下,相对速度W1会增加,加剧叶背分离,转子迎角也会增加,而静子叶片关闭时(我理解是减小与旋转面的角度)则相反。
nwwind 发表于 2016-3-7 16:07 | 显示全部楼层
愚者千虑 发表于 2016-3-7 16:00
当静子叶片打开时,转子迎角减小,静子叶片关闭时,转子迎角增大。这个你好像说反了
请看我的图标,这是 ...

是你理解反了。
我爱宇航 发表于 2016-3-8 08:17 | 显示全部楼层
我就是想不明白,燃烧室的高压气体为什么只向后喷,而不是前后都喷?
愚者千虑 发表于 2016-3-8 15:34 | 显示全部楼层
nwwind 发表于 2016-3-7 16:07
是你理解反了。

绝对速度和相对速度要理清
悲悲12345 发表于 2018-7-3 16:24 | 显示全部楼层
静叶怎么把动能变成压力能的?我是小白一个....
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