飞机发动机的「喘振」是什么,有何危害?

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飞机发动机的「喘振」是什么,有何危害?

2023-03-31 10:47| 来源: 网络整理| 查看: 265

简而言之就是发动机咳嗽了。

要搞清楚喘振是什么,首先要了解喷气发动机的原理。

涡喷发动机的主要结构由进气道,压气机,燃烧室,涡轮和尾喷口组成

空气从进气道进入压气机,由压气机做功压缩成高压空气,进入燃烧室与燃油混合燃烧成高温高压燃气,高温高压燃气再对涡轮做功,经过涡轮后压力和温度都下降,之后经尾喷管排出发动机。

而涡扇发动机在压气机前面还有一级或几级风扇,气流先经过风扇,之后分成两股,一股经过外涵道直接排出,一股进入内涵道被压气机吸入,进入内涵道的气流之后经历的过程与涡喷发动机一样。典型的涡扇发动机结构如下图

从原理上讲,涡喷发动机和涡扇发动机没有太大的本质区别,可以认为涡扇发动机是在涡喷发动机的基础上加了一个大风扇。

喘振则是由压气机引起的发动机工作异常。

压气机在喷气发动机中的作用是对低压空气做功,将其压缩成高压空气。目前固定翼飞机所用的喷气发动机其压气机都为多级轴流压气机,多级轴流压气机的每一个增压级都由一级转子叶片(又称动叶)和一级静子叶片(又称静叶)组成,剖面简图如下

其中深蓝色的就是转子叶片,安装在轮盘上一整圈,蓝绿色的是静子叶片。只有转子叶片是旋转的,静子叶片是不动的。

下图为真实的转子叶片

工作时,由轴带动转子叶片高速旋转,空气在经过高速旋转的动叶叶片时被加速,同时在动叶中叶栅通道由窄变宽,使空气与动叶的相对速度变小,其相对动能就会被被转化成压力能,而动叶叶片是在高速运动的,空气与动叶的相对速度变小就意味着绝对速度增加,被加速的空气通过动叶后进入静叶,又被静叶减速,在通过静叶时,空气的动能减少了,但能量是守恒的,减少的动能变成了气体的压力能,即通过静叶时减速增压,之后进入下一级动叶又被加速扩压,而下一级的静叶又使空气减速增压,这样经过多级动叶和静叶,空气总压可以上升二三十倍。

但是如果动叶的转速过快,就会在动叶的叶背处产生气流分离(动叶转速是否过快是由压气机进口气压,进口气流速度,空气流量和发动机转速等多种因素决定的,因此不存在转速超过某个定值就一定会发生分离),当气流分离严重时,动叶将失去扩压能力,即无法将气流压向后方,而压气机中的气压都是后面级高于前面级,无法将气流压向后方,就意味着后面的高压气体将倒流到前面,而高压气体一旦倒流到前面,后方的气压就减小,此时动叶又可以将空气压向后面级(因为此时后面级气压变小了),但此时动叶依然没有恢复正常工作时的扩压能力,一旦将空气压向后面级导致后面级气压增大,后面的高压气体又会向前倒流,接着后方气压减小,空气又被压回后面级,如此陷入一个恶性循环。这就是喘振,形象的说就是发动机咳嗽了。

所以发生喘振时,气流会沿压气机轴向发生低频率(几赫兹到十几赫兹)高振幅的气流震荡,这种低频率高振幅的气流震荡会带动压气机的叶片产生强烈的震动,使叶片在短时间内发生严重损坏甚至断裂。

更危险的是燃烧室火焰逆流,这种情况是由于压气机喘振太剧烈,导致后方的燃烧室的高温燃气倒流进压气机,使本应在燃烧室里燃烧的火焰从压气机喷到了发动机前面,即便这样过程只持续零点几秒,乱窜的高温火焰也足以烧坏压气机的所有叶片导致发动机报废。

所以任何工作状态下都要极力避免压气机进入喘振状态。



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