組合壓氣機(jī)退喘異常分析與排故

張燎源

(中國航空動力機(jī)械研究所，湖南 株洲412002)

1 引言

壓氣機(jī)出現(xiàn)失速/喘振等不穩(wěn)定現(xiàn)象時，會產(chǎn)生很大的氣流激振力[1]，必須盡快退出，否則會出現(xiàn)葉片斷裂、軸承損壞、轉(zhuǎn)子斷裂等嚴(yán)重事故。在試車臺上錄取壓氣機(jī)特性線時，需要確定失速/喘振點(diǎn)的位置，不可避免地要求壓氣機(jī)進(jìn)入失速/喘振工況，如果出現(xiàn)退喘或退出失速不及時的現(xiàn)象，就要認(rèn)真分析原因，找出解決問題的辦法。下面，筆者介紹某組合壓氣機(jī)試驗中出現(xiàn)的退喘異?，F(xiàn)象的分析、排故過程，以期為今后排除類似故障現(xiàn)象提供參考。

2 壓氣機(jī)退喘異?，F(xiàn)象介紹

試驗在中國航空動力機(jī)械研究所壓氣機(jī)試驗器（其示意圖見圖1）上進(jìn)行。壓氣機(jī)退喘采用從排氣轉(zhuǎn)接管分出旁路放氣管的方法，在壓氣機(jī)喘振瞬間打開旁路放氣管出口的封氣堵蓋，使試驗器排氣面積瞬間增大，流通能力瞬間增強(qiáng)，從而使壓氣機(jī)快速退喘。旁路放氣管出口封嚴(yán)堵蓋的打開和關(guān)閉由氣缸控制。此試驗器在以前做過多種型號的壓氣機(jī)試驗，但從未出現(xiàn)退喘異常的情況。

此次試驗的組合壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式為4級軸流壓氣機(jī)加1級離心壓氣機(jī)，進(jìn)口裝有可調(diào)角度導(dǎo)流葉片，1、2級靜葉角度也可調(diào)。壓氣機(jī)動態(tài)壓力通過LDS Nicolet數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和實(shí)時顯示， 最大采樣速率為100 kS/s/ch，通道可擴(kuò)展。試驗時，一般取壓氣機(jī)進(jìn)口外壁面靜壓1點(diǎn)、出口總壓1點(diǎn)及設(shè)備流量管壁面靜壓1點(diǎn)共3點(diǎn)接到LDS系統(tǒng)。

3 退喘異常分析與排故

出現(xiàn)壓氣機(jī)退喘異?，F(xiàn)象后，試驗人員首先懷疑旁路放氣管封嚴(yán)堵蓋是否及時打開。為了驗證這一情況，試驗人員把氣缸兩端的充氣管壓力接入數(shù)采系統(tǒng)，以便監(jiān)控氣缸是否及時動作。采取以上措施后，重新錄取了的特性線。在錄取=0.7～0.9的特性線時，退喘正常，壓氣機(jī)在3 s內(nèi)就退出了喘振。數(shù)采系統(tǒng)中錄取的的逼喘數(shù)據(jù)顯示，壓氣機(jī)進(jìn)入喘振后不到0.6 s氣缸就開始動作，而旁路放氣管封嚴(yán)堵蓋完全打開的時間大概持續(xù)0.6 s(見圖4，圖中Pvalve代表氣缸一端的充氣管壓力)，壓氣機(jī)喘振大概持續(xù)了1 s，這一時間與旁路閥門打開時間比較吻合。但在錄取的特性線時，退喘又出現(xiàn)了異常。動態(tài)壓力曲線顯示，壓氣機(jī)從進(jìn)入喘振到恢復(fù)正常狀態(tài)，持續(xù)時間超過了10 s。從數(shù)采系統(tǒng)中的逼喘數(shù)據(jù)看，在壓氣機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)后不到1.5 s氣缸就開始動作，旁路放氣管封嚴(yán)堵蓋完全打開的時間大概持續(xù)了1 s(見圖5)，按常理壓氣機(jī)應(yīng)該在3 s內(nèi)退出喘振。這說明，壓氣機(jī)不能及時退出喘振不是氣缸的問題。

從動態(tài)壓力曲線分析可知，壓氣機(jī)進(jìn)入喘振后，首先表現(xiàn)為氣流脈動強(qiáng)度較大、頻率較低；當(dāng)旁路放氣管封嚴(yán)堵蓋打開后，氣流脈動強(qiáng)度大幅降低，頻率增加，但仍然沒有退出喘振。初步分析認(rèn)為，在壓氣機(jī)進(jìn)入喘振后，即使在打開旁路放氣管封嚴(yán)堵蓋后，試驗器排氣管路總的流通能力仍不能滿足壓氣機(jī)恢復(fù)穩(wěn)定工作的需求。從圖6中看，壓氣機(jī)要退出喘振恢復(fù)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，排氣管路流通面積必須大于或等于退喘臨界點(diǎn)所要求的排氣管路流通面積。另外，在關(guān)閉排氣閥逼喘時，由于是手動操作，閥門關(guān)閉面積時大時小，如果關(guān)閉的面積稍大，那么壓氣機(jī)退喘時的排氣面積也要大一些。因此，加大旁路放氣管出口的流通面積應(yīng)該是解決問題的最好辦法?？焖偻舜瓡r，由于旁路放氣管出口流通面積猛然開得太大會造成試驗件超轉(zhuǎn)、軸向力超限，釀成安全事故，故只能逐漸加大旁路放氣管出口的流通面積。

將旁路放氣管出口的流通面積由原來的φ24加大至φ30后，又錄取了的特性線。在錄取以下等轉(zhuǎn)速特性線時，壓氣機(jī)退喘正常；在錄取的特性線時，壓氣機(jī)再次出現(xiàn)退喘異常的情況。但當(dāng)旁路放氣管出口進(jìn)一步加大至φ36時，在錄取的特性線過程中，再也沒出現(xiàn)退喘異常情況。

分析認(rèn)為，壓氣機(jī)在低狀態(tài)下不會出現(xiàn)退喘異常的原因為：壓氣機(jī)在低狀態(tài)下的流量較小，增壓能力有限，當(dāng)壓氣機(jī)發(fā)生喘振時，出口的堵塞效應(yīng)不是很突出，此時旁路放氣管出口的流通面積足以解除壓氣機(jī)出口氣流堵塞狀態(tài)，只要快速打開旁路放氣管出口的封嚴(yán)堵蓋，就可以使壓氣機(jī)及時退喘。

4 結(jié)束語

從本文某組合壓氣機(jī)退喘異常的分析及排故過程可以看出，對于不同的壓氣機(jī)，退喘時要求的旁路放氣管的流通面積是不一樣的，這與壓氣機(jī)的退喘臨界點(diǎn)流量有關(guān)，最簡便的解決辦法是針對每種壓氣機(jī)從試驗器旁路放氣管上開合適尺寸的放氣口。壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速沒有出現(xiàn)退喘異常情況，這與壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速時的流量小、增壓能力低有關(guān)。

另外，在試驗中還發(fā)現(xiàn)，該組合壓氣機(jī)接近喘振時沒有出現(xiàn)失速波形，進(jìn)入喘振后出現(xiàn)頻率為0.7～1.2 Hz的喘振壓力波形，且進(jìn)出口氣流的壓力脈動頻率相等，進(jìn)口氣流開始脈動的時間略為超前，據(jù)此可初步推斷喘振始發(fā)于前面級，與文獻(xiàn)[2]的比較相似。

本研究對今后排除壓氣機(jī)不能及時退出不穩(wěn)定工況故障具有一定的借鑒意義。

[1]湯國才，張惠民.關(guān)于壓氣機(jī)喘振判據(jù)可應(yīng)用性的數(shù)值試驗[R].南京：南京航空學(xué)院，1984.

[2]夏 聯(lián)，顧 楊，崔 健，等.多級軸流壓氣機(jī)不同工況下失速/喘振試驗研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2001，14(3)：16—23.