壓氣機(jī)原理--喘振

1、.,壓氣機(jī)原理,06 喘振,.,壓氣機(jī)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(jī)中發(fā)生喘振的原因,當(dāng)空氣流量增大時 ，氣流的軸向速度就要加大。假如壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，那么，1和2也會增大，由此產(chǎn)生了負(fù)沖角。當(dāng)空氣流量繼續(xù)增大，而使負(fù)沖角加大到一定程度后，在葉片內(nèi)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(dāng)氣流沿著葉片的內(nèi)弧側(cè)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(nèi)弧面方向擠攏和靠近，因而，會阻止脫離區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。此外，在負(fù)沖角的工況下，壓氣機(jī)的級壓比有所減小（流量增加，壓比減少），在這時，即使產(chǎn)生了氣流的局部

2、脫離區(qū)，也不至于進(jìn)一步發(fā)展形成氣流的倒流現(xiàn)象。,.,壓氣機(jī)中發(fā)生喘振的原因,當(dāng)流經(jīng)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(dāng)1和2角減小到一定程度后，就會在葉片的背弧側(cè)產(chǎn)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(kuò)大的趨勢。這是由于當(dāng)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(jī)的級壓比會增高，因此，當(dāng)氣流嚴(yán)重脫離時，氣流就會朝著葉柵的進(jìn)口倒流，這就為發(fā)生喘振現(xiàn)象提供了條件。,.,旋轉(zhuǎn)脫離,上述氣流脫離現(xiàn)象，往往并不是在壓氣機(jī)工作葉柵沿圓

3、周整圈范圍內(nèi)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(nèi)，可以同時產(chǎn)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(zhuǎn)方向相反的方向轉(zhuǎn)移。因而，這種脫離現(xiàn)象又稱為旋轉(zhuǎn)脫離。,.,旋轉(zhuǎn)脫離,壓氣機(jī)葉柵中的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象,.,旋轉(zhuǎn)脫離,假如壓氣機(jī)的葉柵如圖上所示，正以速度u 朝右側(cè)方向移動。當(dāng)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(qiáng)烈脫離

4、現(xiàn)象?？梢栽O(shè)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(jìn)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(cè)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(yùn)動方向相反的速度，從右側(cè)朝左側(cè)方向逐漸轉(zhuǎn)移。試驗表明：脫離區(qū)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向相同的方向而以較小的速度轉(zhuǎn)動著。 壓氣機(jī)中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)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(jī)開始發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離時那個流量作為該級的穩(wěn)定工作界限。出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫離還不等于喘振。,.,旋轉(zhuǎn)脫離進(jìn)一步發(fā)展喘振,當(dāng)空氣流量繼續(xù)減小，致使旋轉(zhuǎn)脫離進(jìn)一步發(fā)展之后，在整臺壓氣機(jī)中才能出現(xiàn)不穩(wěn)定的喘振現(xiàn)象。那時，壓氣機(jī)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?xí)袣饬鲝膲簹鈾C(jī)的進(jìn)口處倒流出來，這時，會使整臺機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈地振動。在這種情況下，壓氣機(jī)就完全不能正常工作了，這時往往就會進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)組嚴(yán)

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(jī)在正常工況下b）在喘振工況時,.,喘振,壓氣機(jī)的工作系統(tǒng)示意圖 1 壓氣機(jī)2工作系統(tǒng)3 閥門,.,喘振,上面的圖中，1表示壓氣機(jī)，2代表在壓氣機(jī)后具有一定容積的工作系統(tǒng)。在燃?xì)廨啓C(jī)中，這就相當(dāng)于燃燒室和透平。流經(jīng)壓氣機(jī)的流量可以通過裝在容器出口處的閥門3來調(diào)節(jié)。 當(dāng)壓氣機(jī)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(dāng)流量減少到一定程度時，在壓氣機(jī)的通流部分中開始產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象。 假如空氣流量

7、繼續(xù)減小，旋轉(zhuǎn)脫離就會強(qiáng)化和發(fā)展，當(dāng)它發(fā)展到某種程度后，由于氣流的強(qiáng)烈脈動，就會使壓氣機(jī)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(jī)出口的壓力高，這將會導(dǎo)致氣流從容器側(cè)流到壓氣機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，那么隨著容器中壓力的下降，流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量就會自動增加上去；與此同時，在壓氣機(jī)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(jī)的工作情況將會恢復(fù)正常。當(dāng)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(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量又會重新減少下來，在

8、壓氣機(jī)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(fù)始地進(jìn)行下去。這種在壓氣機(jī)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(jī)的喘振現(xiàn)象。,.,轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計值時，哪些級中最容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象,當(dāng)實際工作轉(zhuǎn)速比設(shè)計轉(zhuǎn)速有所下降時，壓氣機(jī)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(shè)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(jī)進(jìn)口收斂器中的降壓加速效應(yīng)減弱了。同時，由于進(jìn)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(jī)的第一級入口處，氣流的壓力

9、和密度，反而比設(shè)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(dāng)轉(zhuǎn)速減小時，軸向分速czz下降得比c1z 慢些。在軸流式壓氣機(jī)中，由于各級的直徑變化不大，可以近似地認(rèn)為各級圓周速度相等。結(jié)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(jīng)驗指出：與設(shè)計工況偏離最遠(yuǎn)的是前幾級和末幾級，而中間各級相對于設(shè)計工況的變化較小。,.,喘振,轉(zhuǎn)速低于設(shè)計轉(zhuǎn)速時各類級沖角的變化 從該圖中可看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時（與設(shè)計轉(zhuǎn)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(shè)計工況為基準(zhǔn)進(jìn)行比較。設(shè)計工況下有一定的壓比、各級前的壓力、體積流量，以及相應(yīng)的軸向分速。 轉(zhuǎn)速低于設(shè)計轉(zhuǎn)速時： 壓氣機(jī)低壓級：體積流量和壓比都很小。注意進(jìn)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(chǎn)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(jī)前的壓力低于設(shè)計壓力，密度低于設(shè)計工況的密度，而比體積高于設(shè)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(dāng)壓氣機(jī)在高于設(shè)計轉(zhuǎn)速的情況下工作時，情況相反。

11、但一般在燃?xì)廨啓C(jī)中，高于設(shè)計轉(zhuǎn)速下運(yùn)行是不希望的。因而，后一種喘振工況不會經(jīng)常遇到；可是，在燃?xì)廨啓C(jī)的起動過程中，或是在變轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行時，壓氣機(jī)卻會經(jīng)常處在低于設(shè)計轉(zhuǎn)速的情況下工作。那時，壓氣機(jī)就很有可能由于在前幾級中發(fā)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象而進(jìn)入喘振工況。為了保證機(jī)組啟動工況和低轉(zhuǎn)速工況下能夠正常運(yùn)行，就必須采取相應(yīng)的防喘振措施。,.,喘振小結(jié),1 級壓比越高的壓氣機(jī)，或者是總壓比越高和級數(shù)越多的壓氣機(jī)，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。這是由于在這種壓氣機(jī)的葉柵中，氣流的擴(kuò)壓程度比較大，因而也就容易使氣流產(chǎn)生脫離現(xiàn)象。 2 多級軸流式壓氣機(jī)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(rèn)為：其原因可能是由于在不同的轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)入喘振工況的級并不相同的緣故； 3 在多級軸流式壓氣機(jī)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(jī)的最后幾級中發(fā)生喘振現(xiàn)象時，機(jī)組的負(fù)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(nèi)發(fā)生，再加上當(dāng)?shù)氐膲毫τ趾芨?，壓?qiáng)的波動就比較厲害，因而氣流的大幅度脈動就會對機(jī)組產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響； 4 進(jìn)、排氣口的流動情況很不均勻的壓氣機(jī)，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。,.,壓氣機(jī)防止喘振的措施1、設(shè)計,1 在設(shè)計壓氣機(jī)時，應(yīng)該合理地選擇各級之間的流量系數(shù) 的分配關(guān)系，力求擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。 由于在

13、低速工況下，壓氣機(jī)的前幾級最容易發(fā)生喘振，因而在設(shè)計那種需要經(jīng)常在低于設(shè)計轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行的壓氣機(jī)時，就應(yīng)該把壓氣機(jī)前幾級的流量系數(shù)選得大些。此外，這些級的作功量應(yīng)該取得小些，這樣就能保證壓氣機(jī)前幾級不容易進(jìn)入喘振工況。反之，在設(shè)計轉(zhuǎn)速恒定不變的壓氣機(jī)，或者是運(yùn)轉(zhuǎn)速度容許比設(shè)計轉(zhuǎn)速稍微高一些的壓氣機(jī)，我們就應(yīng)該把這類壓氣機(jī)的后幾級的流量系數(shù)取得大些，以擴(kuò)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(jī)防止喘振的措施2、IGV,2、采用可轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉和靜葉的防喘措施 壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉固定不調(diào)和可調(diào)時，氣流速度三角形的變化情況 a. 進(jìn)口導(dǎo)葉不調(diào)b.進(jìn)口導(dǎo)葉可調(diào) (由于在低轉(zhuǎn)速工況下

14、,壓氣機(jī)的前幾級最容易進(jìn)入喘振工況,因而,通常就把壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉,設(shè)計成為可轉(zhuǎn)動（可調(diào)）的。),.,壓氣機(jī)防止喘振的措施,壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的示意圖。 當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)起動時，在機(jī)組的轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速 的95%之前，進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角將始終固定在 =44的位置上。當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速 時，帶動齒圈動作的油動機(jī)，在液壓油的作用下，通過活塞和連桿機(jī)構(gòu)的動作，使大齒圈轉(zhuǎn)動一定角度。這樣，就把每個可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角迅速地開大到=80的位置上。此后，當(dāng)機(jī)組進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角將始終保持在 =80的位置上。,.,壓氣機(jī)防止喘振的措施,當(dāng)對機(jī)組發(fā)出停機(jī)信號之后，并且當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速已經(jīng)下

15、降到額定轉(zhuǎn)速 的87.5% 時，這時再次通過油動機(jī)去推動這個大齒圈作反向轉(zhuǎn)動，使壓氣機(jī)的進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角重新關(guān)小到 =44的位置上。 采用了進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的措施，不僅可以防止壓氣機(jī)的第一級進(jìn)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(dāng)壓氣機(jī)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(dāng)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(zhuǎn)動，其道理和進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉一樣。考慮到中間級在低速時，偏離設(shè)計情況不大，一般就不必轉(zhuǎn)動靜葉了。根據(jù)實踐，對高壓比的

16、壓氣機(jī)，一般轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動更多的靜葉。,.,壓氣機(jī)防止喘振的措施3、防喘放氣閥,3、在壓氣機(jī)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(jī)組在啟動工況和低轉(zhuǎn)速工況下，流經(jīng)壓氣機(jī)前幾級的空氣流量過小，以致會較大的正沖角，而使壓氣機(jī)進(jìn)入喘振工況：于是人們設(shè)想出在最容易進(jìn)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(jīng)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(chǎn)生過大的正沖角，從而達(dá)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(jī)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(jī)最后幾級，甚至是安裝在壓氣機(jī)后的排氣管道上對于擴(kuò)大壓氣機(jī)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(jī)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(jī)級的工作條件，又能使放氣能量不至于過大。,.,壓