PT6A_27型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)喘振問題的分析(精)

1、ECHNOLOGY【摘要】在Y12型飛機(jī)地面開車的時(shí)候,從慢車加速到大功率時(shí),偶爾發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音由尖哨轉(zhuǎn)變?yōu)榈统?發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)加大;轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,推力突然下降并且有大幅度的波動(dòng);發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度升高;嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生放炮偶爾會聽到些異常聲。這就是所謂的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生了喘振。而對于渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)來說,喘振在壓氣機(jī)工作中危害很大，對于工作人員有些原理，發(fā)生原因不很清楚，解決辦法也很棘手。本文對Y12型飛機(jī)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)工作原理喘振原理加以分析說明。對工作中出現(xiàn)的故障從理論角度加以解釋，從而使解決這方面問題有所借鑒。【關(guān)鍵詞】喘振壓氣機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)流量攻角葉柵1. Y12型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)簡介Y12型飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)是采用加拿大

2、惠普公司生產(chǎn)的PT6A27渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)。最大應(yīng)急功率為680SHP軸馬力，最大Ng為38100rpm。它的壓氣機(jī)是三級軸流,一級離心,增壓比為7:1.它的軸流壓氣機(jī)由轉(zhuǎn)動(dòng)件和靜子件組成。轉(zhuǎn)動(dòng)件包括轉(zhuǎn)子葉片（工作葉片輪盤和軸，被支撐在前后軸承上，靜子件包括靜子葉片（導(dǎo)向葉片和機(jī)匣。在三級轉(zhuǎn)子中，第一級轉(zhuǎn)子由鈦合金制成，44個(gè)葉片，第二、第三級轉(zhuǎn)子是不銹鋼制成，有40個(gè)葉片。轉(zhuǎn)子葉片是用楔形接合法安裝到各自的圓盤中。2.壓氣機(jī)工作原理2.1基元級速度三角形軸流壓氣機(jī)有多級組成，每級由一圈轉(zhuǎn)子和靜子級成。如果我們用某直徑的圓柱面截取壓氣機(jī)的一個(gè)級，并展為平面，即得一個(gè)由兩排平面葉柵組成的基元級。

3、基元級是構(gòu)成壓氣機(jī)的基本元素。當(dāng)氣流經(jīng)過動(dòng)葉柵轉(zhuǎn)子，在它的前后構(gòu)成兩個(gè)速度三角，如圖aV表示絕對速度，w為相對速度,u為轉(zhuǎn)子輪緣速度由于軸流壓氣機(jī)級的增壓比小，且在級的前后流程通道尺寸徑向尺寸逐漸縮小，所以可假定在級的進(jìn)出的軸向分速不變，即V1a=V2a=V3a如再假定V1、V3方向一致。就可把葉輪前后的兩個(gè)速度三角形畫在一起。如圖b。2.2增壓原理從速度三角形看，氣流經(jīng)過動(dòng)葉柵，相對速度從w1降為W2,絕對速度從V1升到V2,葉輪對氣流做功,輪緣功Wu=(V22-V12/2+(W12-W22/2上式右邊第一項(xiàng)為氣流經(jīng)過轉(zhuǎn)子所獲動(dòng)能,第二項(xiàng)表示氣流經(jīng)過轉(zhuǎn)子有多少相對動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體靜壓的提高。由

4、于轉(zhuǎn)子葉片對氣流做功增加氣流速度,根據(jù)氣動(dòng)原理,它的沖壓也增加,但這些增加量還比不上擴(kuò)壓的影響。如圖,當(dāng)氣流流過轉(zhuǎn)子葉片時(shí),葉片剖面形狀決定了通道是擴(kuò)散的。根據(jù)伯努力原理,氣流的靜壓增強(qiáng)。當(dāng)流過靜子葉片時(shí),動(dòng)能沒增加,氣流速度、沖壓會下降,其下降數(shù)量是前一級轉(zhuǎn)子中所增加的值。由于靜子葉片形成通道也是擴(kuò)散的,它的靜壓也增加。這樣氣流通過每一基元級時(shí)速度幾乎不變,而壓力(沖壓和靜壓的總和增加了。氣流通過整個(gè)壓氣機(jī)時(shí)達(dá)到了壓力增大的設(shè)計(jì)目的。壓氣機(jī)能增加氣流壓力,主要是壓氣機(jī)渦輪輸入的能量。 而每個(gè)轉(zhuǎn)子或靜子與氣流之間都要有一定攻角。這樣就在每個(gè)葉片上下表面形成不同的壓力區(qū),如下圖。而這樣排列又使相

5、鄰兩個(gè)級的壓力區(qū)相互影響。我們稱它為瀑布效應(yīng)。正是這種效應(yīng)使氣流進(jìn)入壓氣機(jī)象進(jìn)入泵中一樣,氣流在第一級轉(zhuǎn)子高壓區(qū)被壓入第一級靜子低壓區(qū)以此方式氣流流過整個(gè)壓氣機(jī)。3.失速和喘振3.1攻角:葉片進(jìn)氣流的相對速度w1和方向0在設(shè)計(jì)條件下也不一定與葉片幾何進(jìn)角01致，它們的差值稱為攻角。如圖所示i=01-01=01-arctg(V1a/u從速度三角形可看出011是一定的。攻角i取決（V1aA當(dāng)（V1a/減小，則i增加。攻角過大就會發(fā)生氣流在壓氣機(jī)葉片的葉背分離。這就是失速。壓氣機(jī)葉片失速造成氣流流動(dòng)減慢、停止、甚至倒流，其效率下降。這只是局部的。對于發(fā)動(dòng)機(jī)開車時(shí)，操作人員無法通過儀器知道哪片葉片失速

6、。而這些失速葉片有連鎖反應(yīng)，當(dāng)某一局部失速，他后面級的葉片都有失速可能，引起壓氣機(jī)喘振。3.2失速的原因主要有:3.2.進(jìn)氣氣流不穩(wěn)定，紊流（V1a下降3.2.發(fā)動(dòng)機(jī)突然加速引起富油，而造成燃燒室壓力增加（V1a下降。3.2.3十片形狀損壞，影響氣動(dòng)力效果。3.2.4壓氣機(jī)渦輪軸損壞（V1aU都下降。3.3喘振壓氣機(jī)喘振是氣流沿壓氣機(jī)軸線方向發(fā)生的低頻率，高振幅的震蕩現(xiàn)象。這種低頻率高振幅的氣流振蕩是一種很大的激振力來源，他會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件的強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)和熱端超溫，并在很短的時(shí)間內(nèi)造成機(jī)件的嚴(yán)重?fù)p壞，所以在任何狀態(tài)下都不允許壓氣機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)工作。當(dāng)失速發(fā)展到一定程度，整個(gè)壓氣機(jī)通道受阻，壓比突

7、然下降。后面的高壓氣體始終有一種回沖趨勢。當(dāng)氣流前進(jìn)的動(dòng)能不足以克服氣流回沖趨勢（或反壓作用，氣流就要倒流?？墒且话l(fā)生倒流，隨即消除了反壓。氣流在十片推動(dòng)下，又開始正向流動(dòng)，流量又嫌小。如此反復(fù)，就造成了壓氣機(jī)內(nèi)部氣柱的縱向振蕩，即喘振。當(dāng)它發(fā)生時(shí)，小面積能引起壓氣機(jī)氣動(dòng)性能惡化,使葉片受到一種頻率低、強(qiáng)度大的振蕩力;當(dāng)喘振嚴(yán)重時(shí),會發(fā)出類似于放炮聲,低沉,甚至引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。對于發(fā)動(dòng)機(jī)部件損害很大。3.4壓氣機(jī)喘振發(fā)生的條件3.4.1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減小而偏離設(shè)計(jì)值。3.4.2壓氣機(jī)進(jìn)口總溫升高。3.4.3發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量驟然減少。3.4.4發(fā)動(dòng)機(jī)損傷和翻修質(zhì)量差如發(fā)動(dòng)機(jī)的防喘機(jī)構(gòu)有故障而失調(diào),外來

8、物等都可能造成壓氣機(jī)喘振4.防喘措施目前防止發(fā)生喘振的措施有四個(gè)方面:4.1在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)時(shí)應(yīng)合理選擇各級之間流量系數(shù)。4.2在軸流式壓氣機(jī)的第一級,或者前面若干級中,裝設(shè)可轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉的防喘措施。PT6A-27型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)喘振問題的分析文/葉斌204TECHNOLOGY科技縱橫（上接第132頁沖突的主要源頭。 因此,在堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求下,有關(guān)資源和環(huán)保的問題成為制造業(yè)的熱點(diǎn)。3.4采用回收再生與復(fù)用技術(shù),實(shí)現(xiàn)資源、能源和物料的可再生循環(huán),傳統(tǒng)的產(chǎn)品鏈包括;原材料、加工件、成套組裝、使用、零部件更換或報(bào)廢、二次原料資源,形成一個(gè)開式循環(huán)、能耗、資源消耗嚴(yán)重,甚至污染環(huán)境,采用新型加工工藝和

9、修復(fù)技術(shù),使已喪失功能的零部件重新恢復(fù)甚至超過原性能要求,發(fā)達(dá)國家早在上個(gè)世紀(jì)未就開始應(yīng)用。其中,僅汽車零件回收、拆卸、翻新一項(xiàng),每年就可獲利數(shù)十億美元的高額回報(bào)。4.綠色制造技術(shù)的發(fā)展趨勢4.1綠色產(chǎn)品清潔生產(chǎn)技術(shù),包括節(jié)省資源的生產(chǎn)技術(shù),主要從減少生產(chǎn)過程中消耗的能量,減少原材料和減少生產(chǎn)過程中的其他消耗三方面的研究。面向環(huán)保的生產(chǎn)技術(shù),主要研究減少生產(chǎn)過程中的污染,包括減少生產(chǎn)過程中的廢料,減少有毒有害物質(zhì)、降低嗓聲和振動(dòng)等,產(chǎn)品包裝技術(shù),產(chǎn)品包裝形式,包裝材料,以產(chǎn)品貯存,運(yùn)輸?shù)确矫娑家紤]環(huán)境影響的因素。4.2再制造工程技術(shù),也就是產(chǎn)品可拆卸,可回收,可修復(fù)技術(shù),利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),

10、盡量簡化工藝,優(yōu)化配置提高系統(tǒng)運(yùn)作效2010.4CHINAEQUIPMENT率,使原材料和能源的消耗量少,使零部件標(biāo)準(zhǔn)化,模塊化設(shè)計(jì)達(dá)到最佳效果,可方便拆卸,可回收,并使表面工程技術(shù)和熱處理技術(shù)等選擇進(jìn)加工工藝技術(shù),達(dá)到恢復(fù)原有性能和技術(shù)要求的目的,實(shí)現(xiàn)其再利用。4.3成形制造技術(shù)向凈成形方向發(fā)展,成形制造技術(shù)包括鑄造、焊接、塑性加工等。目前它正從接近零件形狀向直接制成工作,即精密成形或凈成形方向發(fā)展。這些工作有些可以直接或者稍加處理即可用于組產(chǎn)品,這樣就可以大大減少原材料和能源的消耗。4.4干式切削加工技術(shù),傳統(tǒng)的切削加工都要使用切削液,切削液的廣泛使用需消耗大量的能源泉和資源,而且切削液對

11、環(huán)境的污染也較為嚴(yán)重,甚至危害人員健康,干式切削加工顧名思義就是加工過程中不采用任何冷卻液的加工方式。干式切削加工簡化了工藝、減少成本并消除了冷卻液帶來的一系列污染,如廢液排放和回收等等;干式加工在國外已經(jīng)得到應(yīng)用,采用干車削、干磨削、干鏜削等都取得了一定的成果。4.5低能耗的綠色制造技術(shù),例如:哈爾濱電機(jī)廠等機(jī)械制造企業(yè)在生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備時(shí),需要大量鋼鐵、電力、煤炭和有色金屬等資源,隨著地球上礦物資源的減少和近期國際市場石油的不斷波動(dòng),節(jié)能降耗已經(jīng)是不爭的事實(shí),對此采取綠色材料,減少加工余量,虛擬設(shè)計(jì),新型刀具材料等先進(jìn)國工技術(shù),達(dá)到最大降低能耗的目的。結(jié)束語綠色產(chǎn)品及設(shè)計(jì)是人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在

12、制造業(yè)的體現(xiàn)。它考慮環(huán)境和資源既要滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,又使其作為人類生存的要素之一而直接滿足人類長遠(yuǎn)生存的需要,從而形成了一種綜合性的發(fā)展戰(zhàn)略。研究表明,產(chǎn)品性能的70%-80%是由設(shè)計(jì)階段決定的,設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品生命周期的源頭,因此綠色設(shè)計(jì)是生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的保障,是綠色制造技術(shù)的核心。綠色制造技術(shù)已成為制造業(yè)先進(jìn)技術(shù)的重要標(biāo)志,也是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)可發(fā)展的重要因素之一。制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到,綠色制造不僅是一個(gè)社會效益顯著的行為,也是取得經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。要積極培養(yǎng)和引進(jìn)綠色制造方面的人才,加強(qiáng)同國外綠色制造方面的專家進(jìn)行交流,吸收先進(jìn)的綠色制造技術(shù),從而推進(jìn)綠色制造技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用。（作者單位:

13、哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司大電機(jī)研究所4.3在壓氣機(jī)通流部分的某一個(gè)或若干個(gè)截面上,安裝防喘放氣閥的措施。4.4把一臺高壓比的壓氣機(jī)分解成為兩個(gè)壓縮比較低的高、低壓壓氣機(jī),依次串聯(lián)工作;并分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立變化的透平來帶動(dòng)的雙軸（轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)方案,可以擴(kuò)大高壓比壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。（1放氣防喘方式本文著重介紹中間級放氣法,放氣防喘方法就是壓氣機(jī)中間級放氣。 放氣位置在壓氣機(jī)中部由活門控制。放氣活門根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)工作。以壓氣機(jī)進(jìn)口壓力或壓力比的變化來自動(dòng)改變放氣活門的開與關(guān)。（2通用特性圖和喘振裕度放氣活門的設(shè)計(jì)必然損失了一些高壓氣流,浪費(fèi)了來自渦輪對氣流作的功作為代價(jià)。這種思想是

14、根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)過渡控制方案而產(chǎn)生的。目的就是使發(fā)動(dòng)機(jī)在過渡工作狀態(tài)迅速、穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行。而按壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力的函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)過渡控制是目前采用較普遍的方法?？諝鈮毫ι咭话惴从沉丝諝饬髁康脑龃?這種保持Ng的增加（即增壓比的增加與氣流量的增加相適應(yīng)的加速控制方案也便于實(shí)現(xiàn)最佳防喘加速供油曲線。如圖,每臺壓氣機(jī)在給定增壓比速度和氣流質(zhì)量的條件下,都有最佳工作狀態(tài),這就是最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)。圖中看出設(shè)計(jì)點(diǎn)在失速區(qū)以下的穩(wěn)態(tài)線上。沿著穩(wěn)態(tài)線改變壓氣機(jī)增壓比、發(fā)動(dòng)機(jī)速度、氣流質(zhì)量都不能發(fā)生喘振。在給定壓氣機(jī)速度后,在穩(wěn)態(tài)線和失速線之間的工作區(qū)域很窄,通常用喘振裕度表示,它可以描述壓氣機(jī)可靠工作的程度。如果超過這個(gè)

15、區(qū)域,壓氣機(jī)就要發(fā)生喘振;相反,如果工作區(qū)在穩(wěn)態(tài)線以下,就沒有達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的目標(biāo),所要求的功率就不可能達(dá)到。（3Y12防喘放氣活門工作原理Y12飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的放氣活門設(shè)計(jì)要求是Ng在86%開始關(guān),91%全關(guān)閉，放氣活門裝在燃?xì)獍l(fā)生器外殼的7點(diǎn)鐘處,由四個(gè)螺栓固定住。它有一個(gè)活塞式的活門裝在一個(gè)帶口的罩殼中。一個(gè)滾動(dòng)隔膜把這個(gè)活塞支撐在罩殼的鏜孔中。這薄膜可以使活塞向開口或閉口方向作全行程的移動(dòng)而同時(shí)又有效地在活塞頂部封嚴(yán)住空氣室。燃?xì)獍l(fā)生器外殼中有一個(gè)子，讓壓氣機(jī)級間的空氣流（P2.5可以直接通到放氣活門活塞的底部（如下圖壓氣機(jī)的輸出空氣（P3分流出來,通過這個(gè)活門件中的一個(gè)固定小孔進(jìn)行計(jì)量,

16、然后經(jīng)過活塞的頂上通過一個(gè)計(jì)量堵塞（收集-擴(kuò)散小孔流到活門外面的大氣中。在兩個(gè)小孔之間的控制壓力（Px作用在放氣活門活塞的頂上，這樣當(dāng)Px大于P2.5時(shí)放氣活門關(guān)閉。在關(guān)閉位置時(shí)由于Px的作用，活塞壓在它的座中而把子封住。相反當(dāng)Px小于P2.5,放氣活門打開，從而讓級間空氣（P2.5釋放到大氣中。從而達(dá)到防喘的目的。（4放氣活門系統(tǒng)容易出現(xiàn)的故障問題在平時(shí)的維護(hù)中，會遇到一些問題:2051膜片漏氣,在這種情況下,Px=P2.5舌門關(guān)不嚴(yán)或關(guān)閉晚，氣流損失大，增壓比小,從壓氣機(jī)特性曲線可看出壓氣機(jī)效率降低,工作區(qū)在穩(wěn)態(tài)線以下,發(fā)動(dòng)機(jī)功率也會降低。 表現(xiàn)為Ng上升慢，且達(dá)不到最大;扭矩TQ上升更慢，且小得多。2Px孔堵，放氣活門晚關(guān),現(xiàn)象類似膜片漏氣。3計(jì)量孔堵,Px壓力上升，活門早關(guān),易發(fā)