燃气轮机旋转失速机理及防范对策

席亚宾　张帅　蔡青春　李洪涛　纪运广

摘要：燃气轮机在工业领域发挥着重要的作用。随压气机向着高平均级压比、高效率和高喘振裕度方向的发展，简单叶片失速及旋转失速成为压气机不得不考虑的问题，其中，旋转失速不仅影响机器的稳定工作范围和运行可靠性，还可导致灾难性事故。因此，本文对燃气轮机常见失速机理及防范对策进行了分析，可为燃气轮机及压气机的进一步改进提供技术支持。

关键词：燃气轮机;压气机;旋转失速;防范对策

0  引言

压气机作为高效率燃气轮机发展进程中的关键零部件之一，在提供高压比的同时也限制了发动机的稳定工作范围[1]，关系着燃气轮机的效率和安全、稳定运行。图1为某轴流式涡轮喷气发动机示意图。若压气机发生气流旋转失速，其后果极为严重，其中局部喘振也可诱发旋转失速团[2]，从而导致压气机叶片受到一种或多种周期性变化的气流脉动冲击[3]，造成叶片机械性损伤。因此，为减少旋转失速的发生，有必要分析发生机理和研究需采取的应对措施。

1  燃气轮机旋转失速机理分析

1.1 旋转失速理论分析

旋转失速，是一种限制在压气机叶片附近的沿周向传播的非轴对称气流脉动，是附面层分离的结果。陈振等[4]在流体模拟中说明了旋转失速的控制主要是为了消除迟回效应。由于叶片结构容差或流场扰动，某一个或者几个叶片分离范围增大致使流道形成气塞，一侧叶片冲角增大一侧减小[5]，其机理如图2所示。当压气机流量较小时，进气冲角增大，气流在叶轮流道内形成与叶轮旋转方向相同的一个或几个失速团，失速团的绕轴角速度较低，从而在叶片非工作面产生边界层分离，形成旋转失速现象[6]。这种加剧的气流分层脱离最终造成压气机某级或某几级叶片旋转失速。

1.2 旋转失速的主要原因

燃气轮机启动后，转速逐渐提升，在达到其额定轉速之前，压气机会经历旋转失速阶段，但一般不足以引起轴承的强烈振动和出口压力的下降。在运行过程中，燃气轮机压气机发生旋转失速主要有以下几个原因：

①叶片质量影响。叶片加工质量缺损、运输安装过程对叶片造成的磨损破坏以及污损等，都可能造成转子叶尖的负荷达到极值，叶片通道尾缘逆压力梯度过大，出现倒流等情况。

②压气机总体设计水平和加工装配精度影响。在设计阶段就要考虑采取仿真、试验等必要措施以减少旋转失速发生的可能性;压气机转子及其部件加工和装配精度不足等均会增加压气机启动过程中旋转失速的概率。

③负载换流逆变器出力不足的影响。负载换流逆变器出力不足会引起机组在升速过程中动力不足，导致升速过慢。为提高机组升速，只能加大燃烧器燃料投入，这样会造成叶片通道温度上升，气流冲角变化，致使气流脱离叶片，最终产生旋转失速。

④进气压力损失的影响。压气机进口必须安装空气过滤系统以滤去空气中的颗粒杂质，防止颗粒杂质在通流部分产生侵蚀和形成积垢。当空气过滤系统堵塞时，进气压力损失将显著增加，燃气轮机的功率和效率降低，也会造成旋转失速现象。

2  旋转失速防范对策

基于对压气机升速过程中的转速、压力等参数的综合分析，在设计阶段采取措施，以及在转子及其部件加工、装配阶段严格控制精度都可减少或避免旋转失速现象。旋转失速的具体防范措施主要有：

2.1 采用优化结构

如调整启动过程中的中间防喘放气阀的开度，采用双转子方法，或者采用旋转进口导流叶片和静叶片的方法，都可防止压气机进口空气流量减少，避免或缓解气流脱离现象。进口导流叶片如图3所示。

2.2 引入湿压缩

在干压缩失速边界进行加湿能显著提高压气机进口空气质量流量、压比以及效率，并可提升低速流动区域的速度。加湿颗粒尺寸越小，加湿量越大，进口空气质量流量、压比以及效率增加的趋势会越大;而加湿颗粒尺寸越小，加湿量越大，低速流动区域范围越小，速度提升越高。虽然加湿后使得阻塞边界左移，缩小了整个工况下的边界流量范围，但加湿有明显的抑制回流效果，使回流削弱甚至消除，从而压气机从失速状态回归到正常工作状态[7]。

2.3 等离子体激励

张海灯等[8]通过非定常数值仿真发现，来源于转子叶顶流动分离的龙卷风式分离涡是所研究的高负荷压气机失速的主要驱动力，其形成与近失速点转子叶顶泄漏流的发展密切相关。在压气机动态失速的起始阶段，施加定常等离子体激励可以有效阻断压气机动态失速过程，但在转子叶顶流动分离发展到一定程度之后，定常等离子体激励则失去了对压气机失速抑制的能力。

2.4 引流喷射

流喷射经由流喷射口而被引入到压气机的轴向空气流路中，流喷射口位于压气机中的导流静叶的压力侧，并且将流喷射朝向位于靠近导流静叶下游的压气机转子动叶的前缘引导，如图4所示。在检测到旋转失速和/或在压气机以低于其满载速度运行时，引入流喷射。流喷射减小了压气机空气在下游转子动叶的前缘上的入射角，并使转子经历更有利的速度。有利速度通过减轻和/或减少旋转失速而使得转子的运行范围扩大，进而使得压气机的运行范围扩大。

3  结语

旋转失速现象广泛地存在于旋转叶轮机械，深入研究旋转失速的发生机理，进而实现对其控制，对于改善叶轮机械性能，拓宽稳定工作范围具有重要的理论意义和工程价值。燃气轮机压气机的旋转失速是一种叶片附近区域沿周向传播的非轴对称气流脉动。当进口流量减少到某个极限时，进气冲角增大，压气机叶轮流道内会形成与叶轮旋转方向相同的失速团，气流在叶片非工作面发生边界层分离，从而形成旋转失速现象。本文分析了导致旋转失速的主要原因，给出了降低和避免旋转失速现象的具体措施，可为解决燃机压气机旋转失速缺陷问题提供参考。

参考文献：

[1]孙海鸥，马婧媛，王忠义，等.船用燃气轮机压气机自适应机匣处理设计[J].哈尔滨工程大学学报，2020，41（1）：1-7.

[2]潘天宇，宋西镇，李志平，等.局部喘振现象物理本质的研究[J].推进技术，2015，36（9）：1317-1323.

[3]富兆龙，万洪军，焦鹏，等.PG9171E型燃气轮机振动原因分析及处理[J].发电设备，2017，31（5）：367-371.

[4]陈振，徐鉴.轴流压气机旋转失速和喘振的非线性反馈控制[J].振动与冲击，2013，32（4）：106-110.

[5]傅文广.非轴对称静叶对畸变条件下压气机流场影响研究[D].大连海事大学，2019.

[6]王洪祥，郭贵喜，陆军，等.轴流压气机失速与喘振的发生与对策分析[J].电子制作，2013，15（37）.

[7]罗铭聪.进口加湿的跨音速压气机级气动性能研究[D].哈尔滨工程大学，2011.

[8]张海灯，吴云，李应红，等.高负荷压气机失速及其等离子体流动控制[J].工程热物理学报，2019，40（2）：289-299.