压气机喘振的原因分析及防治措施毕业论文.doc
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1、毕 业 设 计(论 文) 论文题目: 压气机喘振的原因分析及防治措施 所属系部: 指导老师: 职 称:高工 学生姓名: 班级、学号: 专 业: 航空机电设备维修 毕毕业业设设计计( (论论文文) )进进度度计计划划表表 日日 期期工工 作作 内内 容容执执 行行 情情 况况 指导教师指导教师 签签 字字 教师对进度 计划实施情 况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。 毕业设计论文 1 压气机喘振的原因分析及防治措施 【摘要】 本论文主要阐述了航空发动机喘振的原因与防治措施。发动机作为飞机的 心脏被誉为“工业之花”它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性而发动机的 喘振就是发动
2、机的所有故障中最常见也是最有危害性的一个。现就从喘振的形 成发生的条件预防措施及使用维护中注意的事项做以浅析。压气机喘振是气流 沿压气机轴线方向发生的低频率高振幅的震荡现象。这种低频率高振幅的气流 振荡是一种很大的激振力来源他会导致发动机机件的强烈机械振动和热端超温 并在很短的时间内造成机件的严重损坏所以在任何状态下都不允许压气机进入 喘振区工作。 关键词:航空发动机 喘振 预防措施 预防措施 超温 熄火停车 AbstractAbstract: This thesis describes the aviation engine surge causes and prevention measu
3、res. Aircraft engine as the heart, known as “the flower industry“, which directly affect aircraft performance, reliability and economy, while the engine surge is all engine failure is the most common but also the most hazardous one. From now on surge formation, occurring conditions, preventive measu
4、res and precautions in the use and maintenance to do with Analysis. Airflow compressor surge is occurring along the axial direction of the compressor, low frequency, high amplitude oscillation phenomenon. This low-frequency high amplitude oscillations of air is a source of great centrifugal force, i
5、t causes the engine parts of the intense mechanical vibration and thermal side-temperature, and in a very short time result in serious damage to the mechanical parts, Therefore, in any state are not allowed to enter the compressor surge zone work. KeyKey words:words: Aircraft engine surge PRECAUTION
6、S overtemperature shutdown Parking 毕业设计论文 2 目目 录录 1 1 概述概述 .3 2 2 喘振的认识喘振的认识 .5 2.1 压气机工作原理5 2.1.1 基元级速度三角形5 2.1.2 增压原理6 2.2 喘振的定义7 2.3 喘振的表现及危害8 2.3.1 案例8 3 3 造成发动机喘振的原因造成发动机喘振的原因 .10 3.1 气流分离10 3.2 叶片槽道的扩压性11 3.3 旋转失速12 3.3.1 旋转失速的定义:12 3.3.2 低速气流区的生成:12 3.3.3 旋转失速分类:12 3.3.4 旋转失速的主要特征:12 3.3.5 旋转
7、失速的影响:12 3.3.6 旋转失速与喘振的关系:13 4 4 喘振的预防及应采取的措施喘振的预防及应采取的措施 .14 4.1 通过改进发动机结构设计来预防喘振14 4.2 通过设计喘振控制系统来防止喘振的发生14 4.2.1 喘振控制系统常用的防止喘振方法:14 4.2.2 可旋转导向叶片15 4.2.3 控制供油规律16 4.3 正确操作, 精心维护发动机,也能避免喘振的发生.17 4.4 战斗机发射武器时发动机喘振采取的措施17 4.5 飞行过程中发动机喘振采取的措施17 4.5.1 副油路节流嘴直径(压降)对主调节器的影响.18 4.5.2 升压限制器投入工作点对防喘切油的影响.1
8、8 4.5.3 定压源不稳定对防喘切油过程的影响.18 4.5.4 副油路节流嘴直径改变对主油路节流嘴影响.18 4.5.5 层板节流器流量对防喘切油的影响.19 结 束 语3 谢 辞4 文 献5 毕业设计论文 3 1 概述 近几十年来,随着航空事业的发展,飞行器的安全性和可靠性越来越引起 人们的重视,特别是民用客机,一旦发生故障,轻则影响飞机的性能,重则机 毁人亡,后果不堪设想。 航空发动机是飞机的心脏,而发动机的喘振问题一直制约着涡轮发动机的 发展,影响发动机的性能,同时发动机的喘振是发动机的所有故障中最有危害 性的一个,是对民用客机安全以及整个航空事业发展的巨大威胁。 民用客机要求安全、
9、可靠、经济。安全是民用飞机设计首要考虑的问题。 要达到安全的目的,必须符合最基本的适航性要求,即: 要求航空器包括部件 及子系统整体性能和操纵特性在预期运行环境和使用限制下具有安全性和物理 完整性品质。这种品质要求航空器应始终处于符合其型号设计和安全运行状态。 飞机发动机喘振是指喷气式发动机压气机的喘振。压气机喘振是气流沿压 气机轴线方向发生的低频率、高振幅的振荡现象。这种低频率高振幅的气流振 荡是一种很大的激振力来源,它会导致发动机机件的强烈机械振动和热端超温, 并在很短的时间内造成机件的严重损坏,所以在任何状态下都不允许压气机进 入喘振区工作。 喘振时的现象是:发动机的声音由尖哨转变为低沉
10、;发动机的振动加大; 压气机出口总压和流量大幅度的波动;转速不稳定,推力突然下降并且有大幅 度的波动;发动机的排气温度升高,造成超温;严重时会发生放炮,气流中断 而发生熄火停车。因此,一旦发生上述现象必须立即采取措施使压气机退出喘 振工作状态。 喘振的根本原因:由于攻角过大使气流在叶背处发生分离而且这种气流分 离严重扩展至整个叶栅通道。 喘振的机理过程是:空气流量下降,气流攻角增加,当流量减少到一定程 度时,流入动叶的气流攻角大于设计值,于是在动叶叶背出现气流分离流量下 降越多,分离区扩展越大,当分离区扩展到整个压气机叶栅通道肘,压气机叶 栅完全失去扩压能力,这时,动叶再也没有能力将气流压向后
11、方,克服后面较 强的反压,于是流量急剧下降,不仅如此,由于动叶叶栅失去扩压能力,后面 高压气体还可能通过分离的叶栅通道倒流至压气机的前方,或由于叶栅通道堵 塞,气流瞬时中断,倒流的结果使压气机后面的反压降得很低,整个压气机流 路在这一瞬间就变得“很通畅” ,而且由于压气机仍保持原来的转速,于是瞬时 大量气流被重新吸入压气机,压气机恢复“正常”流动和工作,流入动叶的气 流由负攻角很快增加到设计值,压气机后面也建立起了高压气流,这是喘振过 毕业设计论文 4 程中气流重新吸入状态。然而,由于发生喘振的流动条件并没有改变,因此, 随着压气机后面反压的不断升高,压气机流量又开始减小,直到分离区扩展至 整
12、个叶栅通道,叶栅再次失去扩压能力,压气机后面的高压气体再次向前倒流 或瞬时中断,如此周而复始地进行下去。 毕业设计论文 5 2 喘振的认识 2.1 压气机工作原理 2.1.1 基元级速度三角形 轴流压气机由多级组成,每级由一圈转子和静子级成,设想用一个与压气 机相同的轴线,其半径等于压气机平均半径的圆柱面去切割压气机,并将所得 的切面展为平面,则如图 2-1 所示的情形,这样的平面叫做“平面叶栅” 。平面 叶栅的形状是沿叶高变化的,把平均半径处的平面叶栅叫做“基元级” 。 图图 2-12-1 平面叶栅平面叶栅 如果我们用某直径的圆柱面取压气机的一个级,并展为平面,即得一个两 排平面叶栅组成的基
13、元级,基元级是压气机的基本元素,当气流经过动叶栅 (转子) ,在它的前后两个速度三角如图 2-2。 图图 2-22-2 气流经过动叶栅前后的速度气流经过动叶栅前后的速度 C 表示绝对速度 w 为相对速度 u 为转缘速度 毕业设计论文 6 由于轴流式压气机基元级的增压比小,且在基元级前后流程通道尺寸径向尺寸 逐渐缩小,所假定在基元级的进出口的轴向分速不变即 C2=C3 ,如再假定 C1 C3 方向一致则叶轮前后的两个速度三角形画在一起。 2.1.2 增压原理 为了更方便的研究单级压气机内气流速度的变化规律,常将叶轮进、出口 速度三角形组合在一起,形成级的速度三角形如图 2-3。 2222 211
14、2 11 ()() 22 u Wccww 图图 2-3 基元级速度的三角形基元级速度的三角形 式中:W表示相对速度; C表示绝对速度; U表示牵连速度。 叶轮轮缘功上式右边第一项为气流经过转子所获动能,第二项表示气流经 过转子有多少相对动能转化为气体静压的提高,由于转子叶片对气流做功增加 气流速度,根据气动原理,它的冲压也增加,但这些增加量还比不上扩压的影 响,如图 2-4,当气流流过转子叶片时,叶片剖面形状决定了通道是扩散的, 根据伯努利原理,气流的静压增强。当流过静子叶片时,动能没增加,气流速 度冲压会下降其下降数量是前一级转子中所增加的值,由于静子叶片形成通道 也是扩散的,它的静压也增加
15、,这样气流通过每一基元级时速度几乎不变,而 压力(冲压和静压的总和)增加了,气流通过整个压气机时达到了压力增大的 设计目的。 毕业设计论文 7 图图 2-4 轴流式压气机内气流参数变化轴流式压气机内气流参数变化 压气机能增加气流压力主要是压气机涡轮输入的能量,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的压力区, 如图 2-5。 图图 2-5 轴流式压气机增压原理轴流式压气机增压原理 而这样排列又使相邻两个级的压力区相互影响,我们称它为瀑布效应,正 是这种效应使气流进入压气机象进入泵中一样,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
16、机。 2.2 喘振的定义 压气机喘振是指气流沿压气机轴线方向发生的低频率(通常有几赫或十几 赫) 、高振幅(强烈的压强和流量波动)的气流振荡现象。 在研究压气机特性线时已经指出:在压气机特性线的左侧,有条喘振边界 线。假如流经压气机的空气流量减小到一定程度,而使运行工况进入到喘振边 界线的左侧,那么,整台压气机就不能稳定工作。那时,空气流量就会出现波 动,忽大忽小;压力出现脉动,时高时低;到严重时,甚至会出现气流从压气 的进口处倒流出来的现象;同时还会伴随着低频的怒吼声响;这时还会使机组 产生强烈地振动。这种现象通常称为喘振现象。在机组的实际运行中,我们决 不能容许压气机在进入喘振状况。如图
17、2-6 是发动机压气机特性曲线 毕业设计论文 8 图图 2-62-6 压气机特性曲线压气机特性曲线 2.3 喘振的表现及危害 喘振时的现象是:发动机的声音由尖哨转变为低沉;发动机的振动加大; 压气机出口总压和流量大幅度的波动;转速不稳定,推力突然下降并且有大幅 度的波动;发动机的排气温度升高造成超温;严重时会发生放炮,气流中断而 发生熄火停车。因此一旦发生上述现象必须立即采取措施,使压气机退出喘振 工作状态。 2.3.1 案例 (1)2007 年 12 月 18 日下午 3 点,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候该客机降落。3 点 45 分
18、, 飞机安全在原定地点降落。这架杭州飞往广州的航班,航班号为 CZ3804,正常 情况下航班下午 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作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 辆救护车在等候飞 机降落。机场工作人员周先生也对此作了证实。周先生说,飞机左发动机出现 故障不能正常降落。 下午 3 点 45 分左右这架空客 320,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平静。随后,消防车和救护车离开 现场。 毕业设计论文 9 18 日下午 4 点 25
19、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 的飞机拖走。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一负责人说,这架飞机在飞行过程中出现 了“机器疲劳”发生“喘振”现象。据其介绍, “喘振”现象全国民航每年大约 发生 60 次。此次事件中,飞机降落到预定地点,为避免给飞机上的乘客造成恐 慌,事先并未知会乘客。该负责人表示,机场方面之所以派出消防车和救护车 是启动了应急预案,是机场方面对此的重视,并不是说飞机遭遇了太大的危险。 该负责人还解释说“喘振”发生后,飞机发动机会停止工作,而
20、另外一台发动 机将继续工作 150 分钟,不影响飞机航行。 (2)2010 年 9 月新加坡媒体日前报道称,9 月 17 日原定从狮城飞往上海 的东航 MU568 次航班,起飞后 5 分钟引擎着火,飞机因此被迫折返,机上 229 名乘客“空中惊魂,死里逃生” 。东航方面昨天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” ,机组为确保安全而决定返 航。目前东航上海总部派的工程师已抵达新加坡检查排除故障。 东航发言人回应,该次航班于 17 日下午新加坡当地时间 16:35 起飞,起飞 后不久,飞机左发动机喘振(发动机内部气流出现瞬态异常) ,2 秒后发动机恢 复正常
21、,未发生起火现象。为确保安全,机组决定返航,飞机安全降落。东航 对因此给旅客造成的不便表示歉意,并在当天对旅客进行了妥善安排。据称机 上没有乘客受伤,受影响的 229 名乘客,每人都获得了超过 500 元的食宿补偿。 毕业设计论文 10 3 造成发动机喘振的原因 3.1 气流分离 航空发动机喘振现象究竟是怎样产生的呢?通常认为:喘振现象的发生总 是与压气机通流部分中出现了严重的气流脱离现象有密切关系。 当压气机在偏离设计工况的条件下运行时,在压气机工作叶栅的进口处, 必然会出现气流的正冲角或负冲角。当这种冲角增大到某种程度时,粘附在叶 型表面上的气流附面层在逆流动方向的的压力梯度下就会出现局部
22、逆流区,形 成涡流,造成附面层的分离,以致发生气流的脱离现象。 流量变化时,在叶栅的流道中出现的气流脱离现象。下面引入流量系数这 一概念,用速度三角形对喘振发生的原因和过程做具体分析。相对于压气机叶 轮进口而论,气流是否发生分离要看相对速度的方向如何。而此相对速度的方 向则与气流轴向分速度与叶轮圆周速度的大小有关,取决于轴向分速度与圆周 速度的比值。这个比值,称为流量系数用符号 Ca表示,即: _ a a c c u 式中 Ca 空气的轴向分速度; u 压气机叶轮圆周速度 如图 3-1 为进口气流轴向速度变化时相对速度的变化。 (a)方向变陡;(b)方向正好;(c)方向变平 图图 3-13-1
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