壓縮機(jī)穩(wěn)定性的概念

第1章壓縮機(jī)穩(wěn)定性的概念1.1導(dǎo)論氣體渦輪機(jī)對(duì)于飛機(jī)性能和飛行范圍的通用飛行能力的提升做出了特別的貢獻(xiàn)。自從二次世界大戰(zhàn)之后，主要通過(guò)提高循環(huán)壓比和渦輪機(jī)進(jìn)口溫度來(lái)增加氣體渦輪機(jī)的推進(jìn)能力。壓縮機(jī)是這個(gè)進(jìn)展的關(guān)鍵，雖然提供壓比，但是也限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。在一個(gè)給定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度下，最大流量通過(guò)壓縮機(jī)系統(tǒng)的一些部件的節(jié)流決定。如果質(zhì)量流量減小，可能發(fā)生穩(wěn)定流動(dòng)的氣流分離。并且可能出現(xiàn)喘振，這是強(qiáng)烈的不穩(wěn)定狀況的。由于壓縮機(jī)內(nèi)部或者外部的質(zhì)量流量的變動(dòng)，壓比急劇振蕩。在這些極端條件之間的流動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的有效范圍。通過(guò)下游元件例如渦輪或者噴管的性能特性來(lái)規(guī)定流動(dòng)穩(wěn)定范圍的需求量。在缺少了止動(dòng)楔塊的噴管里，通過(guò)壓縮機(jī)的流動(dòng)由通過(guò)驅(qū)動(dòng)渦輪，如同在給定渦輪進(jìn)口溫度值的條件下與壓縮機(jī)運(yùn)行匹配的渦輪的流動(dòng)/工作特性決定。在有止動(dòng)楔塊噴管的情況下，壓縮機(jī)流動(dòng)是通過(guò)噴管決定的，并且與之相配的渦輪是由壓縮機(jī)運(yùn)行和渦輪進(jìn)口溫度的選擇決定。重要的分布范圍位于的情況是在超出設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行可能出現(xiàn)接近喘振或者接近阻塞取決于發(fā)動(dòng)機(jī)是否是渦輪軸的，渦輪風(fēng)扇的或者渦輪噴氣的。在低速情況下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，從不工作到加速并且提供良好的燃料燃燒效率的能力都取決于受約束的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)的相匹配的元件。在任何給定轉(zhuǎn)速下的節(jié)流預(yù)測(cè)是可以直接計(jì)算的。受到影響的級(jí)的設(shè)置出現(xiàn)的不確定用于估計(jì)節(jié)流的收縮數(shù)值，也就是在上游級(jí)的阻塞影響與之匹配的節(jié)流下游級(jí)。喘振或者失速的預(yù)測(cè)是不及以上易處理的。良好的單級(jí)估算可以通過(guò)在理想流場(chǎng)的亞音速或者接近音速的條件下從單級(jí)測(cè)試中得到有用的葉柵數(shù)據(jù)或關(guān)聯(lián)值。因?yàn)榧?jí)在增加數(shù)目?jī)?nèi)是匹配連接的，預(yù)測(cè)變得更加難以捉摸。困難出現(xiàn)在部分失速系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和這些系統(tǒng)間的相互作用致使整個(gè)系統(tǒng)以喘振的形式毀滅。喘振是將聲音應(yīng)用于壓縮機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行的期限。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)災(zāi)難性的經(jīng)驗(yàn)；綜合壓縮機(jī)的不穩(wěn)定性能夠引起過(guò)熱蒸汽從發(fā)動(dòng)機(jī)入口驅(qū)出或者抽完。在規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作線的過(guò)程中，絕對(duì)需要知道壓縮機(jī)的喘振線在哪里。圖1.1展示了一個(gè)在壓縮機(jī)特性線圖上疊加的發(fā)動(dòng)機(jī)工作線。來(lái)自壓縮機(jī)喘振線的發(fā)動(dòng)機(jī)工作線的位移是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)加速需要進(jìn)行典型的調(diào)配。為了讓發(fā)送機(jī)從一些的轉(zhuǎn)速加速到最大轉(zhuǎn)速，過(guò)量的燃料被投入到燃燒室以允許渦輪有剩余力矩來(lái)加速壓縮機(jī)。當(dāng)渦輪進(jìn)口溫度增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作線移動(dòng)到接近壓縮機(jī)喘振線。因此，加速比取決于穩(wěn)態(tài)工作線的位置。如果接近于喘振線，發(fā)動(dòng)機(jī)的加速度將慢于如果遠(yuǎn)離喘振線的工作線的加速度。壓縮機(jī)，渦輪和燃料控制設(shè)備的尺寸誤差將支配在壓縮機(jī)特性線圖上的工作線布置。壓縮機(jī)元件的葉片入口角和渦輪元件的葉片出口角的變化歸結(jié)于容許這樣一種辦法例如移到喘振線時(shí)做高速流動(dòng)和工作線時(shí)做低速流動(dòng)。在一些輔助系統(tǒng)元件的失速附近，喘振是優(yōu)先出現(xiàn)的。失速可以被認(rèn)為是停止在空氣動(dòng)力面上的持續(xù)上升的升力或在擴(kuò)壓器或葉柵上的靜壓恢復(fù)。在壓縮機(jī)中，雖然葉排單元可以是完全或者部分失速，但是壓縮機(jī)系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的。喘振是一些系統(tǒng)元件或者組合元件失速的結(jié)果，這種持續(xù)減小的質(zhì)量流量使得整體系統(tǒng)不穩(wěn)定并且引起能聽(tīng)得見(jiàn)的流動(dòng)波動(dòng)。典型的是當(dāng)一個(gè)葉排失速時(shí)，所有的空氣動(dòng)力面不是一致的失速。作為代替的是成組的空氣動(dòng)力面失速形成一個(gè)區(qū)域或者在環(huán)面周?chē)氖贇饬鲄^(qū)域。在形成失速區(qū)域的瞬態(tài)過(guò)程中質(zhì)量流量是在減小。當(dāng)這個(gè)區(qū)域形成時(shí)，質(zhì)量流量停止改變并且恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，但是處在一個(gè)相對(duì)于沒(méi)有失速運(yùn)行減小的質(zhì)量流量層中。另外，失速區(qū)域在葉柵環(huán)面附近旋轉(zhuǎn)。雖然在這個(gè)情況下的運(yùn)行是可能的，但是由于通過(guò)旋轉(zhuǎn)失速區(qū)域設(shè)置振動(dòng)應(yīng)力，所以在結(jié)構(gòu)上是危險(xiǎn)的。壓縮機(jī)喘振和失速的課題包括穩(wěn)定性需求和氣動(dòng)過(guò)程物理性質(zhì)的研究。詳細(xì)匹配額的輔助系統(tǒng)元件需要能夠提供最大范圍的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。這可以通過(guò)由葉柵數(shù)據(jù)提供的損失或失速特性完成。然而單獨(dú)的失速數(shù)據(jù)不能決定喘振和失速；一些判別條件必須由系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)建立。即使有穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和葉柵失速數(shù)據(jù)，喘振和失速的預(yù)測(cè)仍然是一個(gè)難懂的技術(shù)。不能預(yù)測(cè)喘振和失速取決于作為準(zhǔn)備和發(fā)生在葉排失速的瞬態(tài)流動(dòng)。瞬態(tài)流動(dòng)特性不僅使得預(yù)測(cè)喘振變得困難，而且防止了由于在瞬態(tài)氣動(dòng)行為過(guò)程中發(fā)生的振動(dòng)荷載來(lái)精確的評(píng)定結(jié)構(gòu)完整性。本書(shū)涉及了壓縮機(jī)穩(wěn)定性課題，從測(cè)試數(shù)據(jù)得到喘振和失速的物理細(xì)節(jié)，并且對(duì)喘振和失速的預(yù)測(cè)做了實(shí)驗(yàn)的和解析的逼進(jìn)。1.2穩(wěn)定性定義壓縮機(jī)性能的典型特征是壓比，效率，質(zhì)量流量和附加能量。然而穩(wěn)定性也是工作特性之一。它涉及到干擾壓縮機(jī)從穩(wěn)定工作點(diǎn)運(yùn)行的擾動(dòng)的壓縮機(jī)響應(yīng)。如果擾動(dòng)是瞬時(shí)的，并且系統(tǒng)回到原來(lái)的工作平衡點(diǎn)，那么認(rèn)為性能是穩(wěn)定的。如果響應(yīng)是驅(qū)使工作遠(yuǎn)離初始點(diǎn)，那么認(rèn)為性能是不穩(wěn)定的。這種類(lèi)型的例子是通過(guò)質(zhì)量流量的瞬時(shí)變動(dòng)來(lái)擾動(dòng)在壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)渦輪之間的穩(wěn)態(tài)匹配。如果這個(gè)擾動(dòng)是工作點(diǎn)的故意改變，并且在新的質(zhì)量流量情況下能建立穩(wěn)定狀態(tài)的運(yùn)行，那么認(rèn)為性能是穩(wěn)定的。這樣的例子是在工作點(diǎn)上由于抽氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力裝置的變化。如果穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不可能，那么性能是不穩(wěn)定的。這樣的例子是驅(qū)使壓縮機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)的質(zhì)量流量減少。結(jié)果，壓縮機(jī)的性能范圍有兩個(gè)涉及到穩(wěn)定性。其中一個(gè)涉及到運(yùn)行穩(wěn)定性；另外一個(gè)涉及到氣動(dòng)穩(wěn)定性。運(yùn)行穩(wěn)定性涉及到與之匹配的壓縮機(jī)如下游流動(dòng)裝置例如節(jié)流閥門(mén)，渦輪或噴管的性能規(guī)格參數(shù)。氣動(dòng)穩(wěn)定性涉及到由于失速和喘振的穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行的限制。1.3運(yùn)行穩(wěn)定性穩(wěn)定性研究涉及到全部的壓縮機(jī)系統(tǒng)。這包括入口導(dǎo)管，入口導(dǎo)葉片，轉(zhuǎn)子，定子或者擴(kuò)壓器，以及任何壓力恢復(fù)的排氣系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性取決于如同質(zhì)量流量變化一樣的壓力增加或者壓力下降的變化率。在圖1.2中有圖示。圖中的實(shí)線表示壓縮機(jī)規(guī)格參數(shù)的壓力增加；短劃線表示在下游節(jié)流處的壓力下降。圖1.2a表示穩(wěn)定運(yùn)行；圖1.2b表示不穩(wěn)定運(yùn)行。在圖1.2a中，系統(tǒng)在P點(diǎn)處于平衡狀態(tài)。如果一個(gè)外部擾動(dòng)強(qiáng)加于系統(tǒng)以至于質(zhì)量流量減少，那么在節(jié)流處的壓差將減小，并且在壓縮機(jī)里的增壓將會(huì)增加。在下一個(gè)瞬時(shí)，壓縮機(jī)的增壓將導(dǎo)致節(jié)流處的壓差的增加。質(zhì)量流量將增加，并且將恢復(fù)平衡。如果擾動(dòng)引起質(zhì)量流量的增加，那么在節(jié)流處的壓差將增加，并且在壓縮機(jī)里的增壓將減少。壓縮機(jī)增壓的減少將導(dǎo)致節(jié)流處的壓差減少。質(zhì)量流量將減小，并且將恢復(fù)平衡。在圖1.2b中，A點(diǎn)為壓縮機(jī)參數(shù)的一個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn)。如果一個(gè)外部擾動(dòng)強(qiáng)加于系統(tǒng)以至于質(zhì)量流量減少，節(jié)流處的壓差和壓縮機(jī)的增壓將同時(shí)減少。在下一個(gè)瞬時(shí)，壓縮機(jī)的增壓小于節(jié)流處的壓差。質(zhì)量流量將繼續(xù)減少，并且將不會(huì)恢復(fù)平衡。如果擾動(dòng)引起質(zhì)量流量的增加，那么節(jié)流處的壓差和壓縮機(jī)的增壓將同時(shí)增加。然而，壓縮機(jī)的增壓高于節(jié)流處的壓差。質(zhì)量流量將繼續(xù)增加，而且將不會(huì)恢復(fù)平衡。假定出現(xiàn)如圖1.2c所示的壓縮機(jī)特性的斜率將低于節(jié)流特性的斜率。如果擾動(dòng)引起質(zhì)量流量的減少，那么壓縮機(jī)的增壓將高于節(jié)流處的壓差，而且質(zhì)量流量將增加。如果擾動(dòng)引起質(zhì)量流量的增加，壓縮機(jī)的增壓將低于節(jié)流處的壓差，那么質(zhì)量流量將減小，而且將會(huì)重新建立平衡。這些例子顯示了當(dāng)壓縮機(jī)特性的比降為負(fù)或者為零（圖1.2a）時(shí)，或者斜率小于節(jié)流特性的斜率的正數(shù)（圖1.2c與圖1.2b對(duì)比）時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行是穩(wěn)定的。數(shù)學(xué)規(guī)定當(dāng)質(zhì)量流量的壓縮機(jī)增壓的變化率在代數(shù)上小于質(zhì)量流量的節(jié)流壓差的變化率時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到確定。這個(gè)判定條件已限制了應(yīng)用。只有低壓比的單級(jí)軸流壓縮機(jī)或者鼓風(fēng)機(jī)已經(jīng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而且有了確切斜率的工作特性。實(shí)際上說(shuō)明，在圖1.2a里始終描述了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)的運(yùn)行。在圖1.2c中展示了任何試圖與壓縮機(jī)和渦輪的匹配通過(guò)壓縮機(jī)下降特性曲線的氣動(dòng)不穩(wěn)定性所阻止。1.4氣動(dòng)穩(wěn)定性壓縮機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性是整個(gè)系統(tǒng)（導(dǎo)葉片，轉(zhuǎn)子和定子或者擴(kuò)壓器）維持或者增加在低速流動(dòng)擾動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)下游儲(chǔ)液器中的排氣壓力的能力。圖1.3展示了通過(guò)三個(gè)節(jié)流特征交叉作用的壓縮機(jī)的壓比/流動(dòng)特性。例如當(dāng)采用壓縮機(jī)成套器械的數(shù)據(jù)時(shí)，這個(gè)圖能解釋一個(gè)節(jié)流閥的三個(gè)位置。當(dāng)節(jié)流閥從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，附加能量繼續(xù)增加，損失趨向減少，并且在系統(tǒng)里的擴(kuò)散趨向增加。典型的是在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的效率將得到最大化。由于附加能量快速增加超過(guò)了系統(tǒng)損失，所以增壓比特性將繼續(xù)增加并超過(guò)了峰值效率。最終在一些流動(dòng)中，例如在B點(diǎn)，損失增加與附加能量增加相稱(chēng)，增壓比達(dá)到最大。在低速流動(dòng)損失比附加能量以快速增加時(shí)，增壓比是減小的。像前面部分展示的一樣，每一個(gè)節(jié)流交叉點(diǎn)都是穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。當(dāng)如同出現(xiàn)在圖1.3中的規(guī)格參數(shù)已經(jīng)在本文中報(bào)道過(guò)。相當(dāng)?shù)湫偷氖亲鳛樵趫D1.2中展現(xiàn)的特性斜率是不連續(xù)變化的。有正斜率的特性部分通常是壓縮機(jī)特性線圖上包括輔助系統(tǒng)失速或者整體不穩(wěn)定導(dǎo)致喘振的區(qū)域。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)移動(dòng)到這個(gè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)的靜壓恢復(fù)也許小于作為稍微高速質(zhì)量流量的前運(yùn)行點(diǎn)。在這種情況下，當(dāng)?shù)退儋|(zhì)量流量擾動(dòng)運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)不能匹配上建立在高速質(zhì)量流量下的下游儲(chǔ)液器中的壓力，并且儲(chǔ)液器能在喘振或者轉(zhuǎn)變到旋轉(zhuǎn)失速時(shí)通過(guò)壓縮機(jī)排出質(zhì)量流量。處于喘振情況下，在當(dāng)質(zhì)量流量被吸回時(shí)作為壓縮機(jī)試圖產(chǎn)生壓力增量的不穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中質(zhì)量流量是波動(dòng)的，只有通過(guò)再次失速并且允許質(zhì)量流量再次流出。從而，即使運(yùn)行穩(wěn)定性理論上可能在壓縮機(jī)特性線上有正斜率，由于葉排失速開(kāi)始并且系統(tǒng)喘振導(dǎo)致運(yùn)行是典型的氣動(dòng)不穩(wěn)定性。1.5喘振特性線

在壓縮機(jī)特性線圖上的喘振線形狀可以通過(guò)在壓縮機(jī)性能中顯示的壓力系數(shù)W和流量系數(shù)甲的使用來(lái)理解。通常，在亞音速條件下，在壓縮機(jī)特性線圖上的變化的旋轉(zhuǎn)速度的性能數(shù)據(jù)可以作為如圖1.4中W-甲圖像的極限。系數(shù)V=AV=AP/ipU22m這里：V=壓力系數(shù)AP=壓縮機(jī)總體增壓，1大氣壓每平方英尺p=密度，斯勒格每立方英尺Um=轉(zhuǎn)子平均圓周速度，英尺每秒同時(shí)有：9=V/U (2)這里：甲=流量系數(shù)V=入口軸向速度，英尺每秒Zf 2222FLOW 圖1.3壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的漸進(jìn)節(jié)流FLOW 圖1.3壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的漸進(jìn)節(jié)流V-FLOWCOEFFICIENT圖1.4壓力系數(shù)一流量系數(shù)性能特性或者:(或者:(3)(4)如果喘振發(fā)生在一個(gè)沖角的唯一值，那么在喘振時(shí)的流量系數(shù)是不唯的。用下標(biāo)，描述喘振情況，沖角/，在喘振時(shí)有：i=tan-1(U/V)一tan-i(bladeangle)i=tan-i(p-i)一tan-i(bladeangle)在壓縮機(jī)特性線圖上的喘振線的形狀可以通過(guò)根據(jù)甲獲得一個(gè)關(guān)于W的等

式?jīng)Q定。流量系數(shù)可以根據(jù)質(zhì)量流量通過(guò)下面的公式表達(dá)：中=V/U=（W/pA）/U （5）這里：'m mw=質(zhì)量流量，斯勒格/立方英尺A=入口環(huán)面升量，平方英尺在喘振時(shí)，pU=W/甲A喘振時(shí)的壓比息：'這里:(P/P)=(P+AP)/P這里:2 1$ 1s1P=出口總壓，1大氣壓每平方英尺2P=進(jìn)口總壓，1大氣壓每平方英尺1將方程1代入方程7得到：（P/P）=1+2一嘰》2 1$ pP1將方程6代入方程8得到：WW2（P/P）=1+二一2 1s 甲2A2pPTOC\o"1-5"\h\zs 1如果我們定義一個(gè)連續(xù)體B，當(dāng), 1 ",、12A2pP火甲然后，在重新排列后方程9變?yōu)椋≒/P）-1