航空發(fā)動機喘振問題分析

張森

【摘 要】本文通過分析喘振對發(fā)動機使用性能及發(fā)動機經(jīng)濟性能方面的影響，指出了發(fā)動機喘振形成的根本原因，喘振的形成及喘振對飛機的危害，通過對航空發(fā)動機喘振故障的監(jiān)控與分析，大大提高了喘振故障的排除效率，同時發(fā)動機的可靠性也得到一定提升，對解決喘振故障提供了參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機；喘振；氣流分離；故障機理；監(jiān)控

發(fā)動機的工作對飛機的飛行安全和效益起著決定性的作用，所以裝在航線運輸機上的燃氣渦輪發(fā)動機應(yīng)滿足下列基本性能要求：發(fā)動機推力大，重量輕；發(fā)動機燃油消耗率低；發(fā)動機應(yīng)具有良好的高空性能和速度性能；發(fā)動機結(jié)構(gòu)尺寸要小；發(fā)動機可靠性要好；發(fā)動機的環(huán)境污染要小。這些性能都是發(fā)動機最基本的性能，但飛機在飛行中，由于氣象條件的各種影響以及發(fā)動機本身的不穩(wěn)定工作造成了發(fā)動機的非正常工作，本文介紹的喘振就是發(fā)動機不穩(wěn)定工作的形式之一。

一、喘振的基本概念

喘振是氣流沿壓氣機軸線方向發(fā)生的低頻率、高振幅的振蕩現(xiàn)象。它會導(dǎo)致發(fā)動機機件的強烈機械振動和熱端超溫，并在很短的時間內(nèi)造成機件的嚴重損壞。

二、喘振故障機理分析

渦輪發(fā)動機發(fā)生喘振的原因可以用氣流分離的形成和發(fā)展理論來說明。下面依情況來分析。當(dāng)流量系數(shù)過小時（小于設(shè)計值），壓氣機葉片進口的沖角為正值，氣流沖向葉片的凹面，而在葉片的凸面產(chǎn)生渦流，出現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象。由于氣流具有慣性，緊貼在葉片的凹面，而在凸面產(chǎn)生強烈的渦流并迅速發(fā)展，同時，在葉柵前后產(chǎn)生壓力差，在葉柵和通道前后壓力差的作用下，就會造成氣流流動、分離、中斷，而后再流動、再分離、再中斷，周而復(fù)始的脈動現(xiàn)象，甚至氣流還可能逆向沖出壓氣機，引起發(fā)動機喘振。

三、喘振故障監(jiān)控

從理論上分析，能及時反映出發(fā)動機失速或喘振狀態(tài)的參數(shù)很多，如壓氣機進、出口壓力，空氣流量，轉(zhuǎn)速，排氣溫度，振動以及噪聲等等。但是，這些參數(shù)能符合所在機型的只有發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣溫度。這都是發(fā)動機上的現(xiàn)有的基本設(shè)備，因而既可靠，又及時。發(fā)動機由穩(wěn)定狀態(tài)剛剛進入喘振的瞬間具有以下特點：壓氣機出口處的高壓氣體有倒流回沖趨勢，驟然間使增壓比、空氣流量突降，壓氣機效率猛跌，渦輪效率銳減，發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以很大的速率下降；而渦輪前、后燃氣溫度以很大速率上升。通過掌握發(fā)動機喘振的固有特點，采用閾值判斷的方法可對該故障進行在線監(jiān)控，即將轉(zhuǎn)速、排氣溫度信息數(shù)據(jù)實時輸入相應(yīng)軟件中與正常情況下的數(shù)據(jù)相對比，若有異常現(xiàn)象，例如若在某個點或某段時間出現(xiàn)大于或小于該閾值的數(shù)據(jù)點，則表明喘振故障發(fā)生。

四、喘振預(yù)防措施

（1）通過改進發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計以預(yù)防喘振。采用雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化，壓氣機工作狀態(tài)偏離設(shè)計值時，雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子發(fā)動機的高低壓轉(zhuǎn)子會自動地調(diào)整轉(zhuǎn)速，保持各級壓力機進口處流量系數(shù)接近設(shè)計值，使壓氣機穩(wěn)定工作，喘振裕度增加。發(fā)動機進氣道內(nèi)表面處理。采用進氣道內(nèi)表面開直槽或斜槽的方法可以增大進氣口的喘振裕度。當(dāng)進氣沖角增大，接近氣流分離狀態(tài)時，氣流可沿所開槽方向流入進氣道，這樣進氣道內(nèi)壁氣流速度加快，使氣流分離不能發(fā)生，避免了喘振的出現(xiàn)。實驗表明，經(jīng)此處理可使發(fā)動機喘振裕度從8%增加到17%。（2）通過設(shè)計喘振控制系統(tǒng)來防止喘振的發(fā)生。發(fā)動機喘振控制系統(tǒng)由信號、控制、執(zhí)行三部分組成。當(dāng)喘振將要發(fā)生時，由探測元件把信號傳給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)分析后，控制執(zhí)行系統(tǒng)動作，從而避免喘振的發(fā)生。喘振控制系統(tǒng)常用以下幾種方法防止喘振：壓氣機中間級放氣?？尚D(zhuǎn)導(dǎo)向葉片?？刂乒┯鸵?guī)律?？梢愿淖儼l(fā)動機的狀態(tài)，從而使發(fā)動機退出喘振區(qū)域。使用發(fā)動機過程中，應(yīng)注意以下幾點：（1）操縱油門的動作要柔和，不能過猛；（2）注意協(xié)調(diào)桿、舵的操縱量，避免側(cè)滑，防止進氣道內(nèi)氣流分離以提高進氣道效率，避免喘振；（3）一旦發(fā)生喘振，應(yīng)緩慢地收油門，直至油門位置與轉(zhuǎn)速相適應(yīng)或喘振消除時為止；（4）密切注意喘振時的排氣溫度，必要時應(yīng)收小油門，防止超溫；（5）減小飛機迎角，增大飛行速度可有助于消除喘振；（6）如發(fā)動機裝有空中點火裝置，在喘振時應(yīng)將電門放在連續(xù)點火位置，減少空中熄火的可能性。

綜上所述，通過改進發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)計防喘控制系統(tǒng)的方法可以預(yù)防和控制喘振的發(fā)生；正確的操作和精心的維護也能夠避免喘振的發(fā)生。利用以上方法，可望從根本上解決喘振這一嚴重影響發(fā)動機性能、阻礙發(fā)動機發(fā)展的難題，同時，飛行員應(yīng)熟悉壓氣機喘振的現(xiàn)象，危害，引起喘振的條件，掌握飛行使用中防止喘振的措施，確保飛行安全。

參 考 文 獻

[1]燕洪文.對JT8D2217A發(fā)動機喘振的探討[J].民航經(jīng)濟與技術(shù).1995，11（167）：44，45

[2]趙廷渝.《航空燃氣渦輪動力裝置》.中國民航飛行學(xué)院.1998：12