某型发动机喘振及喘振裕度分析

潘彬

摘 要：本文阐述了航空发动机的喘振机理以及某型发动机的防喘设计，通过计算该型发动机的喘振裕度，示范了喘振裕度的分析和计算方法。本文对分析发动机喘振和喘振裕度具有参考意义。

关键词：喘振；防喘措施；喘振裕度

中图分类号：V263.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0069-03

1 引言

喘振是航空发动机压气机的一种不稳定工作状态。当航空发动机进入喘振状态时，发动机部件（首先是压气机）将会产生强烈的机械振动，造成发动机使用寿命的损耗或零部件的损坏。同时，喘振还会造成发动机空气流量的减少，引起涡轮部件的超温，对发动机的正常工作带来很大的威胁。

某型发动机是我国常用的涡轮螺旋桨发动机，该型发动机通过放气活门设计，等转速设计来防止喘振。

2 喘振机理

为了描述压气机工作时的气流状态，先引入流量系数的概念（见公式1）：

（公式1）

式中，为流量系数，Ca为气流的轴向速度，u为压气机叶片叶尖的线速度。

当压气机处于设计工况且流量系数等于设计值时，转子叶片的气流攻角为0，空气能够顺利流入压气机各排叶栅，叶栅通道的叶背与叶盆都不会发生气流分离现象，发动机不会发生喘振。如图1所示。

当发动机转速不变，空气流量减小时，Ca减小，u不变，于是流量系数减小，此时气流攻角大于0。当第一级压气机转子叶片气流攻角大到一定程度时，气流就会在叶背处发生附面层分离，如图2所示。由于流量系数的减小，压气机各级的增压比大于设计值，气流的轴向速度分量逐渐减小，流量系数进一步减小，气流的正攻角特性加强，气流在叶背的分离程度加强，极限状态就是失速或者喘振，压气机的末级更容易发生喘振。

相反，当发动机转速不变，空气流量增大时，压气机第一级转子叶片气流攻角小于0，气流有可能在叶盆处发生分离，如图3所示。对于压气机后面级，气流的负攻角特性加强，气流在叶盆的分离程度加强。但是由于惯性力的作用和压比的减小，叶盆的附面层分离往往不会严重的发展下去，所以这种情况一般不会发生喘振。

除此之外，发动机转速的改变也可能导致喘振的发生。当转速低于设计值时，压气机的空气流量降低，对压气机第一级叶片，Ca的缩小率大于u的缩小率，第一级转子叶片的流量系数低于设计值，气流攻角大于0，气流容易在叶背处发生附面层分离，如图2所示。而压气机后面级的增压比逐渐减小，气流的轴向速度分量逐渐增大，气流攻角逐渐减小，最终呈现负攻角，如图3所示。极限状态下，发动机呈现“前喘后堵”工作状态。

相反，当发动机转速高于设计值时，压气机前面级会出现负攻角特性，后面级会出现正攻角特性。极限状态下，发动机呈现“前堵后喘”工作状态。

综上所述，导致航空发动机喘振的原因主要有两方面：空气流量的减少；超转速或低转速。

3 某型发动机的防喘设计

某型发动机使用10级轴流式压气机，为避免发动机起动过程中喘振，该型发动机在压气机第5级和第8级各装有两个放气活门。

除此之外，该型发动机采用了等转速设计，通过控制螺旋桨桨距来维持转速恒定。当往上推油门时，转速有变大趋势，调速机构控制螺旋桨变大距，阻止转速的上升，下拉油门时，转速有变小的趋势，调速机构控制螺旋桨变小距，阻止转速的下降。等转速的设计避免了因转速变化导致喘振。

3.1 放气活门防喘机理

发动机在起动过程中，转速低于设计值，需要采取相应的措施避免发动机喘振。

该型发动机在起动过程中，当转速达到一定数值后，放气活门打开。此时，放气口截面前后的空气流量是不等的，放掉部分空气后，减少了气流通道的阻力，降低了前几级的背压，使前几级的空气流量增加，相应地，前几级的轴向速度和流量系数也增加，从而消除了前几级由于攻角过大而引起的失速和发生喘振的可能。同时，由于放掉了空气，使放气口截面后面几级压气机的空气流量减少，相应地，后几级的轴向速度和流量系数减少，从而消除了后几级由于攻角过小而引起的气流堵塞情况。

3.2 等转速设计防喘机理

等转速设计保证了发动机在正常工作状态时，发动机转速维持恒定。避免了转速变化造成喘振的可能。

4 某型发动机的喘振裕度计算

喘振裕度是指在均匀进气条件下，压气机喘振边界上的有关参数和工作线上对应参数之间的相对差值。在发动机工作中，为了确保飞行的安全，我们应当尽量使发动机的工作线远离喘振边界，也就是增大发动机的喘振裕度。

本文利用某型发动机的压气机特性曲线，对发动机的喘振裕度进行分析。喘振裕度的分析方法较多，本文主要介绍等换算流量喘振裕度、等换算转速喘振裕度的计算方法。

4.1 等换算流量喘振裕度

如图4所示，在压气机特性曲线上取5条等换算流量线，每条等换算流量线与压气机工作线和喘振边界各有一个交点，利用交点对应的增壓比即可求出每个换算流量对应的等换算流量喘振裕度。

将数据带入公式2，可求得各换算流量下，压气机的等换算流量喘振裕度，计算结果见表1。

由表1可以看出，当发动机换算流量在Gcor1附近时，压气机的喘振裕度最大，但是，Gcor1对应的发动机转速较低，是发动机起动过程的某一状态。因此，对于该型发动机的压气机，为保证足够的安全性，应将其换算流量设计在Gcor3或者Gcor4附近。

4.2 等换算转速喘振裕度

等换算转速喘振裕度是在等转速线上确定的，即是在等换算转速条件下，喘振边界点参数和工作点参数之差除以工作点参数。

将相应数据带入公式3和公式4，可求得考虑换算流量和不考虑换算流量时压气机的等换算转速喘振裕度，计算结果见表2。

由表2可以看出，当换算转速在ncor3与ncor4附近时，不管是否考虑换算流量，发动机的喘振裕度都比较高，在飞机飞行过程中，为使发动机的工作线远离喘振边界，就应当使发动机的换算转速维持在ncor3与ncor4附近。

5 结语

通过对某型发动机的防喘设计和喘振裕度进行分析，积累了科学的分析与计算方法，对该型发动机的喘振故障分析提供了借鉴。该喘振裕度的计算方式也适用于其他型号发动机的喘振裕度计算。

参考文献

[1]中国航发南方工业有限公司.某型发动机技术说明书[M].2017.

[2]中国航发南方工业有限公司.某型发动机维修手册[M].2017.

[3]舒士甄，朱力，柯玄龄，蒋滋康.叶轮机械原理[M].清华大学出版社，1991.