涡轮发动机喘振分析及预防措施样本

中华人民共和国民用航空飞

行学院

高等教诲自学考试毕业论文

论题.涡轮发动机喘振分析及防止办法

姓名_________

专业航空维修工程管理

准考证号______________

指引教师_________

完毕日期6月16日

中国民用航空飞行学院

涡轮发动机喘振分析及防止办法

摘要

发动机是飞机心脏，发动机正常运转保证了飞机安全。发动机喘振是发动

机所有故障中最有危害性一种。现就从喘振形成，发生条件，防止办法及使用

维护中注意事项做如下浅析。

压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生低频率，高振幅震荡现象。这种

低频率高振幅气流振荡是一种很大激振力来源，它会导致发动机机件强烈机械

振动和热端超温，并在很短时间内导致机件严重损坏，因此在任何状态下都不

容许压气机进入喘振区工作。

喘振时现象是：发动机声音由尖哨转变为低沉；发动机振动加大；压气机出口

总压和流量大幅度波动；转速不稳定，推力突然下降并且有大幅度波动；发动

机排气温度升高，导致超温；严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。

因而，一旦发生上述现象，必要及时采用办法，使压气机退出喘振工作状态。

核心词：涡轮发动机；喘振；超温；防止办法;

Abstract:

Th.engin.i.th.hear.o.th.plane’.engine,ensure,th.norma,operatio.

o.th.security.Th.engin.surg.i.th.engin.o.th.mos.dangerou.o.al.faults

.No.fro.th.formatio.o.th.surge,th.chang.i.condition,

th.preventiv.measure,an.us.maintenanc.notice,d.th.followin.analyzed.

Ai.comprosso.surg.i.alon.th.axi.o.th.comprosso.happcno.Io.frcquc

nc.an.hig.amplitud.th.oscillatio.o.th.phenomenon.Thi.kin.o.Io.freque

nc.oscillatio.amplitud.o.hig.flo.i..bi.shoe,source；

i.ca.lea.t.engin.part.o.stron.mechanica.vibratio.an.ho.en.o.overheat

ing，an.i..ver.shor.perio.o.tim.caus.seriou.damag.t.illustrate,

s.i.an.stat.ar.no.allowe.int.th.compresso.surg.are.work.

Surgeisthephenomenon:thevoiceoftheenginebywhistleintodeep

pointed；Theenginevibrationincrease；Compressorexporttotalpressure

andflowofthefluctuationofgreatly；Speedisnotstable,thrustdown

andsuddenlythereisabigwave；Theengineexhausttemperature,cause

overheating；Seriouswhilehappens,theairofinterruptsoccurred

parkingstall.

Therefore,oncetheoccurrenceoftheabovephenomenon,musttake

immediatemeasurestomakethecompressorexitsurgeworkingstate.

目录

摘要..................................

前言....................................

第一章喘振结识........................

1.1压气机工作原理...................

1.1.1基元级速度三角形.................................

1.1.2增压原理..........................................

1.2喘振定义..........................

1.3喘振体现及危害....................

1.4案例..............................

第二章导致发动机喘振因素.............

2.1气流分离..........................

2.2叶片槽道扩压性....................

2.3旋转失速..........................

第三章喘振防止及应采用办法..........

3.1通过改进发动机构造设计以防止喘振.

3.2通过设计喘振控制系统来防止喘振发

3.2.1压气机中间级放气...............................

3.2.2可旋转导向叶片.................................

3.2.3控制供油规律...................................

3.3对的操作，精心维护发动机.........................19

3.4飞行过程中发动机喘振采用办法......

3.4.1选用适当主、副油路节流嘴直径..................

3.4.2提高升压限制器退出工作点......................

3.4.3选取动态性能较好定压活门......................

3.4.4选取适当层板节流器............................

第四章结论............................

第五章道谢............................

第六章参照文献........................

刖s

近几十年来，随着航空事业发展，飞行器安全性和可靠性越来越引起人们

注重，特别是民用客机,一旦发生故障,轻则影响飞机性能,重则机毁人亡，后果

不堪设想。

航空发动机是飞机心脏，而发动机喘振问题始终制约着涡轮发动机发展，

影响发动机性能，同步发动机喘振是发动机所有故障中最有危害性一种，是对

民用客机安全以及整个航空事业发展巨大威胁。

民用客机规定安全、可靠、经济。安全是民用飞机设计首要考虑问题。要达到

安全目，必要符合最基本适航性规定，即，规定航空器涉及部件及子系统整体

性能和操纵特性在预期运营环境和使用限制下具备安全性和物理完整性品质。

这种品质规定航空器应始终处在符合其型号设计和安全运营状态。

本篇论文从产品设计、修理工艺和维护使用三方面进行分析，使咱们更能清晰

理解飞机发动机喘振形成,发生条件,防止办法及使用维护中注意事项。

第一章喘振结识

1.1压气机工作原理

1.1.1基元级速度三角形

轴流压气机由多级构成，每级由一圈转子和静子级成。如果咱们用某直径圆柱

面取压气机一种级，并呈现为平面，即得一种两排平面叶栅构成基元级。基元

级是压气机基本元素当气流通过动叶栅（转子），在它先后两个速度三角。如

1-1-1

V表达绝对速度，W为相对速度，u为转缘速度

由于轴流压气机级增压比小，且在压气机级先后流程通道尺寸径向尺寸逐渐缩

小，所假定在压气机级进出口轴向分速不变，即V2a73a。如再假定VI、V3方

向一致，就可将叶轮先后两个速度三角形画在一起。

LL2增压原理

从速度三角形看，气流通过动叶栅，相对速度从W1降为W2,绝对速度从VI升

到V2,叶轮轮缘做功，下式右边第一项为气流通过转子所获动能，第二项表达

气流通过转子有多少相对动能转化为气体静压提高，由于转子叶片对气流做功

增长气流速度，依照气动原理，它冲压也增长，但这些增长量还比不上扩压影

响，如图l-l-2a

l-l-2a

当气流流过转子叶片时，叶片剖面形状决定了通道是扩散。依照伯努力原理，气

流静压增强。当流过静子叶片时，动能没增长，气流速度冲压会下降，其下降数

量是前一级转子中所增长值，由于静子叶片形成通道也是扩散，它静压也增长,

这样气流通过每一基元级时速度儿乎不变，而压力（冲压和静压总和）增长了,

气流通过整个压气机时达到了压力增大设计目。如图l-l-2b

5?

l-l-2b

压气机能增长气流压力，重要是压气机泯轮输入能量，而每个转子或静子

与气流之间都要有一定攻角，这样就在每个叶片上下表面形成不同压力区，如

下图l-l-2c

旋转方向

蒋子静子接于静于

l-l-2c

而这样排列又使相邻两个级压力区互相影响，咱们称它为瀑布效应，正是这种

效应使气流进入压气机就像进入泵中同样，气流在第一级转子高压区被压入第

一级静子低压区以此方式气流流过整个压气机。

1.2喘振定义

压气机喘振是指气流沿压气机轴线方向发生低频率（普通有几赫或十几

赫）、高振幅（强烈压强和流量波动）气流振荡现象。

咱们在研究压气机特性线时已经指出：在压气机特性线中左侧，有条喘振

边界线。如果流经压气机空气流量减小到一定限度，而使运营状况进入到喘振

边界线左侧，那么，整台压气机就不能稳定工作。那时，空流量就会浮现波动,

忽大忽小；压力浮现脉动，时高时低；到严重时，甚至会浮现气流从压气进口

处倒流出来现象；同步还会随着着低频怒吼声响；这时还会使机组产生强烈振

动现象。这种现象普通称为喘振现象。在飞机实际运营中，咱们决不能容许压

气机在进入喘振状况。以上图片是发动机压气机特性曲线1-2

nc=const

喘振边n=const

塞边界

1-2

1.3喘振体现及危害

喘振时现象是：发动机声音由尖哨转变成为低沉；发动机振动加大；压气机出

口总压和流量大幅度波动；转速不稳定，推力突然下降并且有大幅度波动；发

动机排气温度升高，导致超温;严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。

因而，一旦发生上述现象，必要及时采用办法，使压气机退出喘振工作状态。

L4案例

①12月18日下午3点过，一架空中客车客机在飞行中引擎发生故障,5辆消防车、

3辆救护车在广州白云国际机场等待该客机降落。3点45分，飞机安全在原定地点降落。

这架杭州飞往广州航班，航班号为CZ3804,正常状况下，航班下午1点20分从杭州起飞,3

点在广州降落。

18日下午3点35分，广州白云国际机场工伶人员黄先生告诉记者，CZ3804

在广州白云国际机场上空盘旋，而机场上有5辆消防车、3辆救护车在等待飞

机降落。机场工作人员周先生也对此作了证明。周先生说，飞机左发动机浮现

故障，不能正常降落。

卜午3点45分左右，这架空客320飞机，在地面人群关注下，安全降落在

广州白云国际机场。飞机上数十名乘客走出机舱，面色安静。随后，消防车和

救护车离开现场。

18日下午4点25分，记者赶到广州白云国际机场时，远远看到一辆拖车,

将这辆航班号为CZ3804飞机拖走。拖行过程中，飞机没有亮灯，飞机被拖到广

州白云国际机场维修处后，发动机被取了下来，用货车运走。

据该航空公司广州分公司宣传部负责人说，这架飞机在飞行过程中浮现了

“机器疲劳”，发生“喘振”现象。据其简介，“喘振”现象全国民航每年大

概发生60次。本次事件中，飞机降落到预定地点，为避免给飞机上乘客导致恐

慌，事先并未知会乘客。该负责人表达，机场方面之因此派出消防车和救护车,

是启动了应急预案，是机场方面对此注重，并不是说飞机遭遇了太大危险。该

负责人还解释说，“喘振”发生后，飞机发动机会停止工作，而此外一台发动

机将继续工作150分钟，不影响飞机航行。

②9月新加坡媒体日前报道称，9月17日原定从狮城飞往上海东航MU568次航

班，起飞后5分钟引擎着火，飞机因而被迫折返，机上229名乘客“空中惊魂,

死里逃生”。东航方面就此接受本报记者采访时回应，该班机并未发生起火现

象，只是飞机左发动机“喘振”，机组为保证安全而决定返航。当前东航上海

总部派工程师已到达新加坡检查排除故障。

东航发言人回应，该次航班于17日下午新加坡本地时间16:35起飞，起飞后不

久，飞机左发动机喘振（发动机内部气流浮现瞬态异常），2秒后发动机恢复

正常，未发生起火现象。为保证安全，机组决定返航，飞机安全降落。东航对

因而给旅客导致不便表达歉意，并在当天对旅客进行了妥善安排。据称，机上

没有乘客受伤，受影响229名乘客，每人都获得了超过500元食宿补偿。

第二章导致发动机喘振因素

2.1气流分离

航空发动机喘振现象究竟是如何产生呢？普通以为：喘振现

象发生总是与压气机通流某些中浮现了严重气流脱离现象有密切关

系。

当压气机在偏离设计工况条件下运营时，在压气机工作叶栅进口处，必然会

浮现气流正冲角或负冲角。当这种冲角增大到某种限度时，粘附在叶型表面上

气流附面层在逆流动方向压力梯度下就会浮现局部逆流区，形成涡流，导致附

面层分离，以致发气愤流脱离现象。

流量变化时，在叶栅流道中浮现气流脱离现象。下面引入流量系数这一概念，

用速度三角形对喘振发生因素和过程做详细分析。相对于压气机叶轮进口而论,

气流与否发生分离要看相对速度方向如何。而此相对速度方向则与气流轴向分

速度与叶轮圆周速度大小关于,取决于轴向分速度与圆周速度比值。这个比值，

称为流量系数用符号*Ca表达，即：*Ca=Ca/u。式中Ca——气流轴向分速度，

对某一压气机它可代表空气容积流量大小；u——压气机叶轮圆周速度。

(a)方向复*;，力方向正好：方向史平

2I进口｛滤轴向途度变化时.相对建房方向的焚化

2-1

如下分析压气机处在各种不同工作状态下，叶轮上发气愤流分离状况。如图

2-1画出了气流流入一级压气机工作叶轮在设计工作状态和非设计工作状态下

速度三角形，其中C①a空气轴向分速度；C①一一空气绝对速度，u压

气机叶轮圆周速度;w①一压气机叶轮相对速度。

压气机在设计工作状态下工作时：

在①a=*(XDa时，这时气流相对速度方向与叶轮叶片前缘方向基本一致，不

会浮现气流分离现象，如图2T(b)o

当压气机处在非设计工作状态时，空气流动状况就不同了：

制①a>*(XDa时,此时相对气流方向偏离了叶片前缘方向。所偏离角度

i,叫做冲角。这时,气流将冲向叶片凸面，形成负冲角(i<0)。如果负冲角较

大，则在叶片凹面将浮现涡流，发气愤流分离现象，如图2T⑹。但是由于空气

具备惯性，当它流过弯曲叶片通道时，总有压向叶片凹面趋势，这就有助于削弱

和消除气流分离现象。虽然发生分离，其涡流区也不易扩大。此时，仅引起压

气机效率减少，而不会引起喘振。

*C①a<布①之此时相对气流将冲向叶片凹面,形成正冲角（i>0）。如果正

冲角较大，在叶片凸面就会发气愤流分离现象。由于空气惯性作用，本来就有

脱离凸面流动趋势,因此气流容易分离,并且涡流区域容易迅速扩大。当涡流区

发展到把大某些甚至所有叶片通道堵塞时,前面空气就流不进来，气流暂时中

断。但由于叶轮不断转动，压气机内空气将被叶轮推动而继续向后流动,涡流区

也就随之向后移动，空气便又继续流入叶轮。此后,由于该处空气流■系数仍不

大于设计值,因而又重复了上述分离现象。这样压气机工作过程中，便浮现了流

动、分离、中断而后再流动，再分离、再中断周而复始脉动现象,压气机内空气

流・时断时续,空气压力忽大忽小,压气机工作极不稳定，进而使整个涡轮发动

机进入喘振状态。

通过以上分析，可以得出如下结论：当流量系数不不大于或不大于设计值时，

在涡轮发动机压气机进口处会产气愤流分离现象。但是流量系数过大所形成涡

流区不会继续扩大，而流量系数过小时所形成涡流区则会继续扩大,从而在叶

轮旋转作用下，产生强烈分离，引起喘振。

2.2叶片槽道扩压性

从构造上讲压气机发生喘振主线因素是叶片槽道扩压性。由于槽道具备正向压

力梯度，因而使气流很容易在叶片吸力面发生大范畴附面层分离甚至倒流现象,

从而导致该叶片发生失速、阻塞叶片通道。

当失速叶片数量达到一定限度时整个压气机实际流通能力变小，压气机背面高

压气体在压力梯度作用下发生倒流现象；倒流现象发生同步也会消除先后存在

压力梯度，使得气流重新在叶片作用下正向流动，这样先后压力梯度增长又使

得背面级高压气体发生回流从而带动更大范畴内叶片发生失速，如此重复就导

致了气流轴向振荡,这就形成了喘振。

2.3旋转失速

1.旋转失速定义：一种或各种低速气流区以不大于压气机转速速度向压气

机旋转方向作旋转运动，这种非稳定工况被称为旋转失速或旋转分离。

2.低速气流区生成：压气机在一定转速下运营时，由于某种因素而浮现流

量增大或减小，产生负冲角和正冲角，气流就会在叶背和叶盆分离。

3.旋转失速分类：

1）平稳型旋转失速，其特点是随着流量下降，压气机性能是逐渐持续下

降;

2）突跃型旋转失速，其特点是随着流量下降到一定限度时，压气机性能会

浮现突然下降。

1）4、旋转失速重要特性：

2）气流脉动沿压气机周向变化和传播；

3）平稳型旋转失速时流过压气机流量基木不变，突跃型旋转失速时气流

参数会突然下降；

4）旋转失速流场是非轴对称；

5）旋转失速时振动频率较高。

5.旋转失速影响：

旋转失速对压气机正常运营严重影响体当前.：使压气机气动性能明显恶化。

旋转失速会产生频率较高、强度大而危险激振力，并也许导致叶片共振断裂。

登记表白：旋转失速是使压气机叶片疲劳断裂重要因素之一。

1）6、旋转失速与喘振关系:

2）两者既有联系又有差别

3）旋转失速可以导致压气机喘振。

旋转失速引起是气流周向脉动，而喘振引起气流轴向低频高幅振荡。

第三章喘振防止及应采用办法

为保证涡轮发动机在所有瞬态和稳态工作条件下都不发生喘振，就需要从改进

发动机构造设计和防止喘振控制系统入手，使涡轮发动机有较大喘振余度。

3.1通过改进发动机构造设计以防止喘振

重要采用如下办法：

采用双转子或三转子构造。当发动机转速变化,压气机工作状态偏离设计

值时,双转子或三转子发动机高低压转子会自动地调节转速，保持各级压力机进

口处流量系数接近设计值，使压气机稳定工作，喘振余度增长。

发动机进气道内表面解决。采用进气道内表面开直槽或斜槽办法可以增大

进气口喘振裕度。当进气冲角增大,接近气流分离状态时,气流可沿所开槽方向

流入进气道，这样进气道内壁气流速度加快，使气流分离不能发生，避免了喘振

浮现。

压气机转子叶片解决。沿着压气机转子叶片轴向倾斜开缝。倾斜缝平行于

轴线方向且向转动方向倾斜。倾斜缝位于转子叶片中部且占叶片弦长50%。实

验表白，经此解决可使发动机喘振裕度从8%增长到17机

3.2通过设计喘振控制系统来防止喘振发生

发动机喘振控制系统由信号、控制、执行三某些构成。当喘振将要发生时，

由探测元件把信号传给控制系统，由控制系统分析后，控制执行系统动作，从而

避免喘振发生。喘振控制系统惯用如下几种办法防止喘振：

3.2.1压气机中间级放气

在压气机通流某些某一种或若干个截面上，安装防喘放气阀办法。

鉴于机组在启动状况和低转速状况下，流经压气机前几级空气流量过小，

以致会较大正冲角，而使压气机进入喘振工况：于是人们设想出在最容易进入

喘振工况某些级背面，启动一种或几种旁通放气阀，迫使更多空气流过放气阀

之前那些级，这样就有也许避免在这些级中产生过大正冲角，从而达到防喘

目。

选取防喘放气阀安装位置甚为重要。实践表白：把防喘放气阀安装在玉气

机最前几级，并不能获得很效果。如果把防喘放气阀安装在压气机最后几级，

甚至是安装在压气机后排气管道上对于扩大压气机稳定工作范畴虽有好处：但

是，由于放气压力很高，由旁通放气阀排出空气所带走能量损失很大。因而,

人们总是乐意把防喘阀分布在压气机通流某些若干截面上。这样，既能改进那

些流动状况最为恶劣压气机级工作条件，又能使放气能量不至于过大。

转速低于设计转速时喘振现象，是由于压气机前几级流量系数减少过多引

起。因而在压气机中间级机匣上开一圈放气孔，用放气活门控制，使某些空气由

此孔向外排出，可增长前几级空气流量,避免喘振。多级轴流压气机中间级防喘

放气阀示意图3-2-1

3-2-1

3.2.2可旋转导向叶片

压气机进口导叶固定不调和可调时，气流速度三角形变化状况:

a.进口导叶不调b.进口导叶可调。由于在低转速工况下，压气机前几级最容

易进入喘振工况,因而,普通就把压气机进口导叶片，设计成为可醇动。

3~2-2a

运用可转动进气导向叶片，或前几级整流静子叶片，使气流在

叶轮进口相对速度方向不因流量系数减小而变陡，仍保持有利用度进入叶轮，则

可避免叶片背部发气愤流分离，防止喘振发生。压气机进口可转导叶示意图

3-2-2b

3-2-2b

当燃气轮机起动时，在机组转速升到额定转速95%前，进口可转导叶安装角将

始终固定在=44位置上。当机组转速升到额定转速时，带动齿圈动作油动

机，在液压油作用下，通过活塞和连杆机构动作，使大齿圈转动一定角度，这

样，就把每个可转导叶安装角迅速地开大到=80位置上。此后，当机组进

入正常运营状态后，压气机进口可转导叶安装角将始终保持在=80位置

上。

3.2.3控制供油规律

由于燃油流量可单值地控制发动机工作状态。当发动机接近或进入喘振区

时,通过燃油流量控制，可以变化发动机状态，从而使发动机退出喘振区域。

3.3对的操作，精心维护发动机

在起动发动机或推油门增大发动机转速时，必要按操作程序，做到环节对的,

动作柔和，应避免小速度大转速运营，加速时推油门不可过猛，否则易引起发动

机喘振。

维护不良，如压气机机叶片锈蚀，表面不光滑；叶片被吸入物打伤，破坏了本来

叶型;进气道表面粗糙不平,油漆层脱落,划伤或变形等都会引起流量系数下降,

引起喘振。

3.4飞行过程中发动机喘振采用办法

航空发动机在使用中，由于内部因素或外来因素影响，压气机通道中气流受到

扰动，也许引起压气机失速和喘振等气动不稳定工作状态，发动机防喘系统接

受防喘盒发来脉冲信号，实现脉冲式中断和恢复发动机主燃烧室供油，以清除

发动机喘振状态，通过研究，可从如下方面防止喘振：

3.4.1选用适当主、副油路节流嘴直径

防喘调节器主、副油路节流嘴选用，应以切油过程燃油压力变化作为原则，选用

适当主、副油路节流嘴直径，可以有效地减少系统燃油压力脉动，防喘装置切油

异常重要因素是主、副油路节流嘴尺寸选取不当，导致切油时燃油压力脉动，引

起燃烧室燃烧效率下降，甚至导致爆燃等现象；以及由于燃烧品质较差，导致发

动机转速下降过多，在燃油流量不断上升状况下，转速却在下降，也许导致发

动机富油熄火。

解决办法：选用适当主、副油路节流嘴直径，减少切油过程中发动机供油量脉

动，提高燃烧品质。

3.4.2提高升压限制器退出工作点

升压限制器和流量分派器共同工作，按给定控制规律，保持发动机主燃烧室供

油量，其中升压限制器，决定着主、副油路压力随时间变化；而流量分派器，决

定着与主、副油路压力相应燃烧室主、副油路供油量。

由于该发动机最大状态供油量高于原有型号发动机，并且发动机最大状态主、

副油路燃油压力升高，而升压限制器退出工作点仍维持不变，由于升压限制器

退出工作后加速过程由中腔层板节流器控制，供油量增长较快，也许会导致发

动机加速过程异常，应提高升压限制器退出工作点主、副油路压力。

3.4.3选取动态性能较好定压活门

在切油过程中，流量分派器活门前压力存在脉动，燃油泵后压力也会随之变化,

因而，定压活门进口压力是不断变化，定压活门出口压力也会有一定变化，因

而应选取动态性能较好定压活门，保证切油过程中，定压油压力保持在容许范

畴内，而定压油油压在一定范畴内脉动，不影响切油过程进行。

3.4.4选取适当层板节流器

层板节流器重要功用，是限制流入联锁活门左端燃油流量。

联锁活门作用是：当系统一旦发生故障，使控制活门不能在0.15s后回位而依

然留在最左位置，从而使断油活门停留在切断位置，联锁活门则继续右移，通

过大概0.5s时，控制换向，从而保证向发动机主燃烧室正常供油。

第四章结论

通过了两个多月学习和努力，我终于完毕了《涡轮发动机喘振分析及防止

办法》毕业设计论文。从开始选论文题目到系统实现，再到论文文章逐渐完毕,

每走一步对我来说都是新尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完毕最大项

目。这段时间里，我学到了诸多知识也有诸多感触，再回眸这三年时间学习中,

感觉自己有太多知识没有