壓縮機穩(wěn)定性的概念

第1章壓縮機穩(wěn)定性的概念1.1導論氣體渦輪機對于飛機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。自從二次世界大戰(zhàn)之后，主要通過提高循環(huán)壓比和渦輪機進口溫度來增加氣體渦輪機的推進能力。壓縮機是這個進展的關鍵，雖然提供壓比，但是也限制了發(fā)動機的穩(wěn)定運行。在一個給定的轉動速度下，最大流量通過壓縮機系統(tǒng)的一些部件的節(jié)流決定。如果質量流量減小，可能發(fā)生穩(wěn)定流動的氣流分離。并且可能出現(xiàn)喘振，這是強烈的不穩(wěn)定狀況的。由于壓縮機內部或者外部的質量流量的變動，壓比急劇振蕩。在這些極端條件之間的流動是發(fā)動機運行的有效范圍。通過下游元件例如渦輪或者噴管的性能特性來規(guī)定流動穩(wěn)定范圍的需求量。在缺少了止動楔塊的噴管里，通過壓縮機的流動由通過驅動渦輪，如同在給定渦輪進口溫度值的條件下與壓縮機運行匹配的渦輪的流動/工作特性決定。在有止動楔塊噴管的情況下，壓縮機流動是通過噴管決定的，并且與之相配的渦輪是由壓縮機運行和渦輪進口溫度的選擇決定。重要的分布范圍位于的情況是在超出設計轉速下的發(fā)動機運行可能出現(xiàn)接近喘振或者接近阻塞取決于發(fā)動機是否是渦輪軸的，渦輪風扇的或者渦輪噴氣的。在低速情況下啟動發(fā)動機，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)運行范圍內的相匹配的元件。在任何給定轉速下的節(jié)流預測是可以直接計算的。受到影響的級的設置出現(xiàn)的不確定用于估計節(jié)流的收縮數(shù)值，也就是在上游級的阻塞影響與之匹配的節(jié)流下游級。喘振或者失速的預測是不及以上易處理的。良好的單級估算可以通過在理想流場的亞音速或者接近音速的條件下從單級測試中得到有用的葉柵數(shù)據或關聯(lián)值。因為級在增加數(shù)目內是匹配連接的，預測變得更加難以捉摸。困難出現(xiàn)在部分失速系統(tǒng)的動力學和這些系統(tǒng)間的相互作用致使整個系統(tǒng)以喘振的形式毀滅。喘振是將聲音應用于壓縮機不穩(wěn)定運行的期限。對于發(fā)動機來說是一個災難性的經驗；綜合壓縮機的不穩(wěn)定性能夠引起過熱蒸汽從發(fā)動機入口驅出或者抽完。在規(guī)定發(fā)動機工作線的過程中，絕對需要知道壓縮機的喘振線在哪里。圖1.1展示了一個在壓縮機特性線圖上疊加的發(fā)動機工作線。來自壓縮機喘振線的發(fā)動機工作線的位移是通過發(fā)動機加速需要進行典型的調配。為了讓發(fā)送機從一些的轉速加速到最大轉速，過量的燃料被投入到燃燒室以允許渦輪有剩余力矩來加速壓縮機。當渦輪進口溫度增加時，發(fā)動機工作線移動到接近壓縮機喘振線。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)動機的加速度將慢于如果遠離喘振線的工作線的加速度。壓縮機，渦輪和燃料控制設備的尺寸誤差將支配在壓縮機特性線圖上的工作線布置。壓縮機元件的葉片入口角和渦輪元件的葉片出口角的變化歸結于容許這樣一種辦法例如移到喘振線時做高速流動和工作線時做低速流動。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。失速可以被認為是停止在空氣動力面上的持續(xù)上升的升力或在擴壓器或葉柵上的靜壓恢復。在壓縮機中，雖然葉排單元可以是完全或者部分失速，但是壓縮機系統(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果，這種持續(xù)減小的質量流量使得整體系統(tǒng)不穩(wěn)定并且引起能聽得見的流動波動。典型的是當一個葉排失速時，所有的空氣動力面不是一致的失速。作為代替的是成組的空氣動力面失速形成一個區(qū)域或者在環(huán)面周圍的失速氣流區(qū)域。在形成失速區(qū)域的瞬態(tài)過程中質量流量是在減小。當這個區(qū)域形成時，質量流量停止改變并且恢復穩(wěn)定運行，但是處在一個相對于沒有失速運行減小的質量流量層中。另外，失速區(qū)域在葉柵環(huán)面附近旋轉。雖然在這個情況下的運行是可能的，但是由于通過旋轉失速區(qū)域設置振動應力，所以在結構上是危險的。壓縮機喘振和失速的課題包括穩(wěn)定性需求和氣動過程物理性質的研究。詳細匹配額的輔助系統(tǒng)元件需要能夠提供最大范圍的穩(wěn)態(tài)流動。這可以通過由葉柵數(shù)據提供的損失或失速特性完成。然而單獨的失速數(shù)據不能決定喘振和失速；一些判別條件必須由系統(tǒng)穩(wěn)定性來建立。即使有穩(wěn)定性評價標準和葉柵失速數(shù)據，喘振和失速的預測仍然是一個難懂的技術。不能預測喘振和失速取決于作為準備和發(fā)生在葉排失速的瞬態(tài)流動。瞬態(tài)流動特性不僅使得預測喘振變得困難，而且防止了由于在瞬態(tài)氣動行為過程中發(fā)生的振動荷載來精確的評定結構完整性。本書涉及了壓縮機穩(wěn)定性課題，從測試數(shù)據得到喘振和失速的物理細節(jié)，并且對喘振和失速的預測做了實驗的和解析的逼進。1.2穩(wěn)定性定義壓縮機性能的典型特征是壓比，效率，質量流量和附加能量。然而穩(wěn)定性也是工作特性之一。它涉及到干擾壓縮機從穩(wěn)定工作點運行的擾動的壓縮機響應。如果擾動是瞬時的，并且系統(tǒng)回到原來的工作平衡點，那么認為性能是穩(wěn)定的。如果響應是驅使工作遠離初始點，那么認為性能是不穩(wěn)定的。這種類型的例子是通過質量流量的瞬時變動來擾動在壓縮機和驅動渦輪之間的穩(wěn)態(tài)匹配。如果這個擾動是工作點的故意改變，并且在新的質量流量情況下能建立穩(wěn)定狀態(tài)的運行，那么認為性能是穩(wěn)定的。這樣的例子是在工作點上由于抽氣發(fā)動機的動力裝置的變化。如果穩(wěn)態(tài)運行不可能，那么性能是不穩(wěn)定的。這樣的例子是驅使壓縮機進入喘振狀態(tài)的質量流量減少。結果，壓縮機的性能范圍有兩個涉及到穩(wěn)定性。其中一個涉及到運行穩(wěn)定性；另外一個涉及到氣動穩(wěn)定性。運行穩(wěn)定性涉及到與之匹配的壓縮機如下游流動裝置例如節(jié)流閥門，渦輪或噴管的性能規(guī)格參數(shù)。氣動穩(wěn)定性涉及到由于失速和喘振的穩(wěn)定狀態(tài)運行的限制。1.3運行穩(wěn)定性穩(wěn)定性研究涉及到全部的壓縮機系統(tǒng)。這包括入口導管，入口導葉片，轉子，定子或者擴壓器，以及任何壓力恢復的排氣系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性取決于如同質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。圖中的實線表示壓縮機規(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)定運行；圖1.2b表示不穩(wěn)定運行。在圖1.2a中，系統(tǒng)在P點處于平衡狀態(tài)。如果一個外部擾動強加于系統(tǒng)以至于質量流量減少，那么在節(jié)流處的壓差將減小，并且在壓縮機里的增壓將會增加。在下一個瞬時，壓縮機的增壓將導致節(jié)流處的壓差的增加。質量流量將增加，并且將恢復平衡。如果擾動引起質量流量的增加，那么在節(jié)流處的壓差將增加，并且在壓縮機里的增壓將減少。壓縮機增壓的減少將導致節(jié)流處的壓差減少。質量流量將減小，并且將恢復平衡。在圖1.2b中，A點為壓縮機參數(shù)的一個不穩(wěn)定點。如果一個外部擾動強加于系統(tǒng)以至于質量流量減少，節(jié)流處的壓差和壓縮機的增壓將同時減少。在下一個瞬時，壓縮機的增壓小于節(jié)流處的壓差。質量流量將繼續(xù)減少，并且將不會恢復平衡。如果擾動引起質量流量的增加，那么節(jié)流處的壓差和壓縮機的增壓將同時增加。然而，壓縮機的增壓高于節(jié)流處的壓差。質量流量將繼續(xù)增加，而且將不會恢復平衡。假定出現(xiàn)如圖1.2c所示的壓縮機特性的斜率將低于節(jié)流特性的斜率。如果擾動引起質量流量的減少，那么壓縮機的增壓將高于節(jié)流處的壓差，而且質量流量將增加。如果擾動引起質量流量的增加，壓縮機的增壓將低于節(jié)流處的壓差，那么質量流量將減小，而且將會重新建立平衡。這些例子顯示了當壓縮機特性的比降為負或者為零（圖1.2a）時，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對比）時，系統(tǒng)運行是穩(wěn)定的。數(shù)學規(guī)定當質量流量的壓縮機增壓的變化率在代數(shù)上小于質量流量的節(jié)流壓差的變化率時，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到確定。這個判定條件已限制了應用。只有低壓比的單級軸流壓縮機或者鼓風機已經穩(wěn)態(tài)運行，而且有了確切斜率的工作特性。實際上說明，在圖1.2a里始終描述了發(fā)動機壓縮機的運行。在圖1.2c中展示了任何試圖與壓縮機和渦輪的匹配通過壓縮機下降特性曲線的氣動不穩(wěn)定性所阻止。1.4氣動穩(wěn)定性壓縮機氣動穩(wěn)定性是整個系統(tǒng)（導葉片，轉子和定子或者擴壓器）維持或者增加在低速流動擾動壓縮機運行時下游儲液器中的排氣壓力的能力。圖1.3展示了通過三個節(jié)流特征交叉作用的壓縮機的壓比/流動特性。例如當采用壓縮機成套器械的數(shù)據時，這個圖能解釋一個節(jié)流閥的三個位置。當節(jié)流閥從A點移動到B點時，附加能量繼續(xù)增加，損失趨向減少，并且在系統(tǒng)里的擴散趨向增加。典型的是在A點和B點之間的效率將得到最大化。由于附加能量快速增加超過了系統(tǒng)損失，所以增壓比特性將繼續(xù)增加并超過了峰值效率。最終在一些流動中，例如在B點，損失增加與附加能量增加相稱，增壓比達到最大。在低速流動損失比附加能量以快速增加時，增壓比是減小的。像前面部分展示的一樣，每一個節(jié)流交叉點都是穩(wěn)定運行點。當如同出現(xiàn)在圖1.3中的規(guī)格參數(shù)已經在本文中報道過。相當?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特性線圖上包括輔助系統(tǒng)失速或者整體不穩(wěn)定導致喘振的區(qū)域。當壓縮機運轉移動到這個區(qū)域時，系統(tǒng)的靜壓恢復也許小于作為稍微高速質量流量的前運行點。在這種情況下，當?shù)退儋|量流量擾動運行時，壓縮機不能匹配上建立在高速質量流量下的下游儲液器中的壓力，并且儲液器能在喘振或者轉變到旋轉失速時通過壓縮機排出質量流量。處于喘振情況下，在當質量流量被吸回時作為壓縮機試圖產生壓力增量的不穩(wěn)定運行過程中質量流量是波動的，只有通過再次失速并且允許質量流量再次流出。從而，即使運行穩(wěn)定性理論上可能在壓縮機特性線上有正斜率，由于葉排失速開始并且系統(tǒng)喘振導致運行是典型的氣動不穩(wěn)定性。1.5喘振特性線

在壓縮機特性線圖上的喘振線形狀可以通過在壓縮機性能中顯示的壓力系數(shù)W和流量系數(shù)甲的使用來理解。通常，在亞音速條件下，在壓縮機特性線圖上的變化的旋轉速度的性能數(shù)據可以作為如圖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=轉子平均圓周速度，英尺每秒同時有：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壓縮機實驗臺上的漸進節(jié)流FLOW 圖1.3壓縮機實驗臺上的漸進節(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)生在一個沖角的唯一值，那么在喘振時的流量系數(shù)是不唯的。用下標，描述喘振情況，沖角/，在喘振時有：i=tan-1(U/V)一tan-i(bladeangle)i=tan-i(p-i)一tan-i(bladeangle)在壓縮機特性線圖上的喘振線的形狀可以通過根據甲獲得一個關于W的等

式決定。流量系數(shù)可以根據質量流量通過下面的公式表達：中=V/U=（W/pA）/U （5）這里：'m mw=質量流量，斯勒格/立方英尺A=入口環(huán)面升量，平方英尺在喘振時，pU=W/甲A喘振時的壓比息：'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如果我們定義一個連續(xù)體B，當, 1 ",、12A2pP火甲然后，在重新排列后方程9變?yōu)椋≒/P）-1