壓氣機原理--喘振

1、.,壓氣機原理,06 喘振,.,壓氣機中發(fā)生喘振的原因,流量變化時，在葉柵的流道中出現(xiàn)的氣流脫離現(xiàn)象,.,壓氣機中發(fā)生喘振的原因,當空氣流量增大時 ，氣流的軸向速度就要加大。假如壓氣機的轉速恒定不變，那么，1和2也會增大，由此產生了負沖角。當空氣流量繼續(xù)增大，而使負沖角加大到一定程度后，在葉片內弧表面上就會發(fā)生氣流附面層的局部脫離現(xiàn)象。但是，這個脫離區(qū)不會繼續(xù)發(fā)展。這是由于當氣流沿著葉片的內弧側流動時，在慣性力的作用下，氣流的脫離區(qū)會朝著葉片的內弧面方向擠攏和靠近，因而，會阻止脫離區(qū)的進一步發(fā)展。此外，在負沖角的工況下，壓氣機的級壓比有所減?。髁吭黾?，壓比減少），在這時，即使產生了氣流的局部

2、脫離區(qū)，也不至于進一步發(fā)展形成氣流的倒流現(xiàn)象。,.,壓氣機中發(fā)生喘振的原因,當流經工作葉柵的空氣流量減小時 ，情況就完全不同了。那時，氣流的1和2角都會減小。然而，當1和2角減小到一定程度后，就會在葉片的背弧側產生氣流附面層的脫離現(xiàn)象。只要這種現(xiàn)象一出現(xiàn)，脫離區(qū)就有不斷地發(fā)展擴大的趨勢。這是由于當氣流沿著葉片的背弧面流動時，在（離心）慣性力的作用下，存在著一種使氣流離開葉片的背弧面而分離出去的自然傾向。此外，在正沖角的工況下 ，壓氣機的級壓比會增高，因此，當氣流嚴重脫離時，氣流就會朝著葉柵的進口倒流，這就為發(fā)生喘振現(xiàn)象提供了條件。,.,旋轉脫離,上述氣流脫離現(xiàn)象，往往并不是在壓氣機工作葉柵沿圓

3、周整圈范圍內同時發(fā)生的。試驗研究表明：一般來說，由于葉柵中葉片形狀和分布不均勻性以及氣流沿周向分布不均勻性，在小流量大沖角的工況下，氣流的脫離往往總是在某一個或幾個葉片上發(fā)生的。一般情況，在整個環(huán)形葉柵沿圓周方向范圍內，可以同時產生幾個比較大脫離區(qū)，而這些脫離區(qū)的寬度只不過涉及到一個或幾個葉片通道而已。這些脫離區(qū)并不是固定不動的，這些脫離區(qū)會依次沿著與葉輪旋轉方向相反的方向轉移。因而，這種脫離現(xiàn)象又稱為旋轉脫離。,.,旋轉脫離,壓氣機葉柵中的旋轉脫離現(xiàn)象,.,旋轉脫離,假如壓氣機的葉柵如圖上所示，正以速度u 朝右側方向移動。當時，由于空氣流量的減少，在葉片2 的背弧面上首先出現(xiàn)了氣流的強烈脫離

4、現(xiàn)象?？梢栽O想：這時，處于葉片2和葉片3 之間的那個通道就會部分地，或是全部地被脫離的氣流所堵塞。這樣就會在這個通道的進口部分，形成一個氣流停滯區(qū)（或稱為低流速區(qū)），它將迫使位于停滯區(qū)附近的氣流，逐漸改變其原有的流動方向，即：使位于停滯區(qū)右邊的那些氣流的沖角減小，因而，葉片1的繞流情況得到改善，氣流的脫離現(xiàn)象將逐漸消失；同時，使位于停滯區(qū)左邊的那些氣流的沖角加大，從而促使在葉片3 的背弧側開始發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象。由此可見，氣流的脫離區(qū)并不是恒定地固定在某一個葉片上的，而是它會以某一個與葉柵的運動方向相反的速度，從右側朝左側方向逐漸轉移。試驗表明：脫離區(qū)的轉移速度一般要比葉柵的圓周速度低。因此若

5、你是站在地面上去觀察，脫離區(qū)是沿著與葉輪轉向相同的方向而以較小的速度轉動著。 壓氣機中出現(xiàn)旋轉脫離后，壓比和效率都要下降，而且由于氣流參數(shù)的周向不均勻分布而引起脈動。一般把單級壓氣機開始發(fā)生旋轉脫離時那個流量作為該級的穩(wěn)定工作界限。出現(xiàn)旋轉脫離還不等于喘振。,.,旋轉脫離進一步發(fā)展喘振,當空氣流量繼續(xù)減小，致使旋轉脫離進一步發(fā)展之后，在整臺壓氣機中才能出現(xiàn)不穩(wěn)定的喘振現(xiàn)象。那時，壓氣機的流量和壓力就會發(fā)生大幅度的低頻周期性波動，并伴隨有怒吼似的喘振聲響，甚至會有氣流從壓氣機的進口處倒流出來，這時，會使整臺機組產生強烈地振動。在這種情況下，壓氣機就完全不能正常工作了，這時往往就會進一步導致機組嚴

6、重毀壞事故的發(fā)生。 在喘振工況時，平均出口壓力明顯下降，壓力與速度脈動的振幅大大增加，說明氣流流動的規(guī)律性已完全破壞了。,.,喘振,正常工況與喘振工況下壓力與流速變化的波形圖 a）壓氣機在正常工況下b）在喘振工況時,.,喘振,壓氣機的工作系統(tǒng)示意圖 1 壓氣機2工作系統(tǒng)3 閥門,.,喘振,上面的圖中，1表示壓氣機，2代表在壓氣機后具有一定容積的工作系統(tǒng)。在燃氣輪機中，這就相當于燃燒室和透平。流經壓氣機的流量可以通過裝在容器出口處的閥門3來調節(jié)。 當壓氣機的工作情況正常時，隨著空氣流量的減小，容器中的壓力就會升高。 當流量減少到一定程度時，在壓氣機的通流部分中開始產生旋轉脫離現(xiàn)象。 假如空氣流量

7、繼續(xù)減小，旋轉脫離就會強化和發(fā)展，當它發(fā)展到某種程度后，由于氣流的強烈脈動，就會使壓氣機的出口壓力突然下降。那時，容器 中的氣體壓力就會比壓氣機出口的壓力高，這將會導致氣流從容器側流到壓氣機中去；而另外一部分空氣則仍然會繼續(xù)通過閥門 ，流到 容器外面去。由于這兩個因素的同時作用，容器中的壓力就會立即降低下來。假如這時壓氣機的轉速恒定不變，那么隨著容器中壓力的下降，流經壓氣機的空氣流量就會自動增加上去；與此同時，在壓氣機葉柵中發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象就會逐漸趨于消失。這就是說，壓氣機的工作情況將會恢復正常。當這種情況繼續(xù)一個很短的時間后，容器中的壓力會再次升高，流經壓氣機的空氣流量又會重新減少下來，在

8、壓氣機通流部分中發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象又會再出現(xiàn)。上述過程就會周而復始地進行下去。這種在壓氣機與其后具有一定容積的工作系統(tǒng)之間發(fā)生的空氣流量和壓力參數(shù)的時大時小的周期性振蕩，就是壓氣機的喘振現(xiàn)象。,.,轉速偏離設計值時，哪些級中最容易發(fā)生旋轉脫離現(xiàn)象,當實際工作轉速比設計轉速有所下降時，壓氣機的壓比要下降。這時末幾級中的空氣壓力和密度降低了。而在前幾級中，與設計工況相比較，其壓力和密度卻均有所增加。因為在大氣壓力恒定不變的前提下，隨著空氣流量的減小，氣流在壓氣機進口收斂器中的降壓加速效應減弱了。同時，由于進氣流道中氣流速度的降低，流動的壓力損耗又略有所下降，因而，在壓氣機的第一級入口處，氣流的壓力

9、和密度，反而比設計工況下的數(shù)值要高。這樣就使軸向分速比czz/c1z增加了。這意味著，當轉速減小時，軸向分速czz下降得比c1z 慢些。在軸流式壓氣機中，由于各級的直徑變化不大，可以近似地認為各級圓周速度相等。結果使各級中的流量系數(shù)=cz/u發(fā)生變化，流入各級的氣流方向就發(fā)生變化。 經驗指出：與設計工況偏離最遠的是前幾級和末幾級，而中間各級相對于設計工況的變化較小。,.,喘振,轉速低于設計轉速時各類級沖角的變化 從該圖中可看出：當轉速降低時（與設計轉速相比），氣流在頭幾級中（正）沖角加大了，而沖角增加得太甚時，就可能產生旋轉脫離和喘振。在末幾級中，沖角減小，這時增壓值和效率就迅速降低。,.,喘

10、振,以設計工況為基準進行比較。設計工況下有一定的壓比、各級前的壓力、體積流量，以及相應的軸向分速。 轉速低于設計轉速時： 壓氣機低壓級：體積流量和壓比都很小。注意進口壓力，由于流量小，流動損失小，第一級前空氣的壓力反而有所增加，體積流量減少較多，因此軸向速度降低較多，由此產生正沖角，容易引起背弧脫離。 高壓級，由于前面各級壓比很低，由此該機前的壓力低于設計壓力，密度低于設計工況的密度，而比體積高于設計工況的比體積，因此體積流量相對的減少的較少，軸向速度減少的較少。 圓周速度的變化對低壓級和高壓級是相同的。 從而得到上面的速度三角形。,.,喘振,當壓氣機在高于設計轉速的情況下工作時，情況相反。

11、但一般在燃氣輪機中，高于設計轉速下運行是不希望的。因而，后一種喘振工況不會經常遇到；可是，在燃氣輪機的起動過程中，或是在變轉速的工況下運行時，壓氣機卻會經常處在低于設計轉速的情況下工作。那時，壓氣機就很有可能由于在前幾級中發(fā)生強烈的旋轉脫離現(xiàn)象而進入喘振工況。為了保證機組啟動工況和低轉速工況下能夠正常運行，就必須采取相應的防喘振措施。,.,喘振小結,1 級壓比越高的壓氣機，或者是總壓比越高和級數(shù)越多的壓氣機，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。這是由于在這種壓氣機的葉柵中，氣流的擴壓程度比較大，因而也就容易使氣流產生脫離現(xiàn)象。 2 多級軸流式壓氣機的喘振邊界線不一定是一條平滑的曲線，而往往可能是一條折線。據(jù)

12、分析認為：其原因可能是由于在不同的轉速工況下，進入喘振工況的級并不相同的緣故； 3 在多級軸流式壓氣機中，發(fā)生在最后幾級的喘振現(xiàn)象，要比在最前幾級中發(fā)生的喘振現(xiàn)象更加危險。因為在壓氣機的最后幾級中發(fā)生喘振現(xiàn)象時，機組的負荷一定很高，而這些級的葉片又比較短，氣流的脫離現(xiàn)象很可能在整個葉高范圍內發(fā)生，再加上當?shù)氐膲毫τ趾芨?，壓強的波動就比較厲害，因而氣流的大幅度脈動就會對機組產生非常嚴重的影響； 4 進、排氣口的流動情況很不均勻的壓氣機，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。,.,壓氣機防止喘振的措施1、設計,1 在設計壓氣機時，應該合理地選擇各級之間的流量系數(shù) 的分配關系，力求擴大壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。 由于在

13、低速工況下，壓氣機的前幾級最容易發(fā)生喘振，因而在設計那種需要經常在低于設計轉速工況下運行的壓氣機時，就應該把壓氣機前幾級的流量系數(shù)選得大些。此外，這些級的作功量應該取得小些，這樣就能保證壓氣機前幾級不容易進入喘振工況。反之，在設計轉速恒定不變的壓氣機，或者是運轉速度容許比設計轉速稍微高一些的壓氣機，我們就應該把這類壓氣機的后幾級的流量系數(shù)取得大些，以擴大后面幾級葉柵的穩(wěn)定工作范圍，使具備有較大的喘振裕度。,.,壓氣機防止喘振的措施2、IGV,2、采用可轉的進口導葉和靜葉的防喘措施 壓氣機進口導葉固定不調和可調時，氣流速度三角形的變化情況 a. 進口導葉不調b.進口導葉可調 (由于在低轉速工況下

14、,壓氣機的前幾級最容易進入喘振工況,因而,通常就把壓氣機進口導葉,設計成為可轉動（可調）的。),.,壓氣機防止喘振的措施,壓氣機進口可轉導葉的示意圖。 當燃氣輪機起動時，在機組的轉速升到額定轉速 的95%之前，進口可轉導葉的安裝角將始終固定在 =44的位置上。當機組的轉速升到額定轉速 時，帶動齒圈動作的油動機，在液壓油的作用下，通過活塞和連桿機構的動作，使大齒圈轉動一定角度。這樣，就把每個可轉導葉的安裝角迅速地開大到=80的位置上。此后，當機組進入正常運行狀態(tài)后，壓氣機進口可轉導葉的安裝角將始終保持在 =80的位置上。,.,壓氣機防止喘振的措施,當對機組發(fā)出停機信號之后，并且當機組的轉速已經下

15、降到額定轉速 的87.5% 時，這時再次通過油動機去推動這個大齒圈作反向轉動，使壓氣機的進口可轉導葉的安裝角重新關小到 =44的位置上。 采用了進口可轉導葉的措施，不僅可以防止壓氣機的第一級進入到喘振工況，而且還能使其后各級的流動情況也得到改善。因為，當壓氣機第一級動葉柵中氣流的正沖角減小時, 級的作功量就會減小。也就是說，在第一級出口處，空氣的壓力會減小，這樣就可以增大流到其后各級中去的空氣容積流量，使這些級的氣流的正沖角也適當減小，因而也有利于改善這些級的穩(wěn)定工作特性。 靜葉的轉動，其道理和進口可轉導葉一樣?？紤]到中間級在低速時，偏離設計情況不大，一般就不必轉動靜葉了。根據(jù)實踐，對高壓比的

16、壓氣機，一般轉動前面一、二級的靜葉已效果明顯，只有在壓比很高時，才需要轉動更多的靜葉。,.,壓氣機防止喘振的措施3、防喘放氣閥,3、在壓氣機通流部分的某一個或若干個截面上，安裝防喘放氣閥的措施。 鑒于機組在啟動工況和低轉速工況下，流經壓氣機前幾級的空氣流量過小，以致會較大的正沖角，而使壓氣機進入喘振工況：于是人們設想出在最容易進入喘振工況的某些級的后面，開啟一個或幾個旁通放氣閥，迫使更多的空氣流過放氣閥之前的那些級（那時，流經這些級的空氣流量必然要比流往放氣閥后面各級中去的空氣量多，它們之間的差值，就是通過放氣閥排向大氣的流量），這樣就有可能避免在這些級中產生過大的正沖角，從而達到防喘的目的。 選擇防喘放氣閥的安裝位置甚為重要。實踐表明：把防喘放氣閥安裝在壓氣機的最前幾級，并不能獲得很的效果。假如把防喘放氣閥安裝在壓氣機最后幾級，甚至是安裝在壓氣機后的排氣管道上對于擴大壓氣機的穩(wěn)定工作范圍雖有好處，但是，由于放氣壓力很高，由旁通放氣閥排出的空氣所帶走的能量損失很大。因此，人們總是愿意把防喘閥分布在壓氣機通流部分的若干截面上。這樣，既能改善那些流動情況最為惡劣的壓氣機級的工作條件，又能使放氣能量不至于過大。,.,壓