某型发动机台架试车喘振故障分析

某型发动机台架试车喘振故障分析 某型发动机台架试车喘振故障分析 2003年第29卷第2期航空发动机21 张志舒李咏凡陈金国 (沈阳发动机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究所,沈阳110015) 摘要:针对某型涡扇发动机整机地面台架试车中遇到的喘振故障,从研究多级轴流武压气机在低转速下发生 喘振的机理出发,查找发生喘振故障的根源.分析发动机试车中喘振前后所采集到的数据,确认高压压气机 可调导向器叶片角度及转差不合适是导致喘振故障发生的主要原因. 关键词:发动机喘振可调导向叶片故障分析 AnalysisofTypicalTurbofanEngineSurgeinGroundBedTest ZhangZhishuLiYongfanChenJinguo (ShenyangAeroengineResearchInstitute,Shenyang110015,China) Abstract:Typicalmrl~fanenginesurgewasdescribedanda~ayzedduringDImdbedtest.The re~3DSresultinginthe surgewerefoundOUtacmrdingtotheacquireddata.andthen1Esureswereprovidedfortroub leshooting, Keywords:t~bofanengine;groundtest;surge 符号表 i气流攻角 C.气流速度 U工作轮切向速度 wl气流相对速度 _2R换算到发动机进口的高压转子相对转速 a风扇进口可调导向叶片角度 a2高压压气机可调导向叶片角度 N25换算到高压压气机进口的高压转子转速 1引言 防喘调节的任务是提高非设计状态下各级压气 机的稳定性裕度,消除或削弱叶片气流分离,以防止 或减小压气机振动,保证压气机参数和发动机其他 部件参数的最佳匹配;因此,当今几乎所有第3代和 第4代航空燃气涡轮发动机所采用的压气机都有专 门的防喘调节措施. 防止压气机喘振的主要目的是使各级压气机在 非设计状态下能够保证攻角不要过大或过小.改善 的途径一方面可以从气动设计人手,另一方面是增 加调节机构,使压气机叶片或者流路的几何形状能 够随着工作状况的不同而改变,从而适应不同参数 的工作状况.在增设调节机构方面,常用方法是通 过调节导向器叶片来调节压气机,这种方法可改变 流向工作轮叶片的气流攻角.这样,当改变流量系 数时,气流攻角就不至于较大地偏离设计值,但如果 调节可调导向叶片的角度超出了允许范围,则会引 起压气机工作不稳定,导致压气机喘振.对导向叶 片可调的某型涡扇发动机在地面台架试车中遇到的 由高压压气机工作不稳定引起的喘振故障进行了分 析,查找其原因,寻找解决的办法. 2多级轴流式压气机不稳定工作机理分析 一 般来说,航空发动机喘振故障多数发生在压 缩系统(即高,低压压气机部件)上.喘振时,压缩系 统(包括进,排气管道)中的气流出现严重失速分离, 并产生沿轴向的反向倒流. 收稿日期:2002—10—24 第一作者简介:张志舒(1973一).工程师.1996年毕业于南京航空航天大学,沈阳发 动机设计研究所在读硕士研究生,从事航空发动机总 体性能研究. 航空发动机2003年第29卷第2期 在设计工况下,无几何调节措施的多级轴流式 压气机各级的环形通流面积,轴向速度以及密度都 是匹配的,因此轴向速度与切向速度是相互协调的, 前几级和后几级的工作特点如图1所示.在转子转 速小于设计转速的非设计工况下,因流量系数大大 降低,前几级压气机发生严重的叶背分离,最后进入 不稳定边界;因流量系数可能比原来大,后几级压气 机形成很大的负攻角进入涡轮状态;中间级压气机 接近设计工况.这是因为,当转速下降导致整台压 气机的增压比下降时,因环形流通面积不变,轴向速 度,密度和面积之间产生了矛盾,使轴向速度与切向 速度不协调,这种矛盾逐级加重,有可能出现前几级 进入不稳定边界,中间级近似保持不变,而后几级转 入涡轮工作状态,其工作情况如图2所示.根据以 上分析可知,在低换算转速时,是前几级造成整台压 气机进入不稳定边界的,严重时,后几级进入堵塞状 态.压气机此时的工作状况称为"前喘后涡". 前几级后几级 图1压气机前几级和后几级在设计状态时的工作特点 . , 前几级后几级 图2压气机前几级和后几级在低转速时的工作特点 3可调导向叶片工作特点 由于多级轴流式压气机在低转速时工作不稳定 是由前几级压气机造成的,因此,可将前几级导向叶 片设计成可调的(相应于变化气流的方向),来解决 压气机在低转速下的工作稳定性问题,图3示出了 可调导向叶片转动前后工作叶片的进气攻角变化情 况.因此,当转速,流量变化时,可调导向叶片借助 转动使流向工作叶片的流入角保持不变.在设计转 速时,可调导向叶片处于全开状态;随着转速的下 降,同步转动可调导向叶片,调小其流入角度,保持 前几级工作叶片进气攻角始终处于最佳状态,其工 作情况如图4所示.但是,如果角度偏开(未调到 位)则会引起压气机工作不稳定,增压比较大的多级 轴流式压气机尤为明显. l UI 图3低转速时,可调导向叶片转动前后工作叶片 的进气攻角变化 图4用可调导向叶片进行级的调节 当然,可调导向叶片调转角度有一个最佳调节 规律.在转速小于设计转速的情况下,可调导向叶 片调转角度过大时,级效率下降得非常显着,同时喘 振边界移向流量大的区域,喘振裕度减小.这是因 为,当叶片转向大角度时,使轴向速度沿叶高急剧地 重新分布,因此,旋转叶片就不能同时在所有半径上 张志舒等:某型发动机台架试车喘振故障分析23 保证空气流动的设计条件.此时,如果可调导向叶 片在平均半径上保持设计的流人角,工作叶片的叶 根和叶尖截面上就会出现非设计状态. 4故障发生的过程 某型发动机在04,05次试车时起动较快,在慢 车状态停留5min,高压换算转速升至78.36%时停 留了3min,转速升高至85%时收喷口,最高转速达 到90%,情况正常,工作3min后拉转,在转速下降 到87%时放喷口,转速继续下降过程中喷口处喷出 一 团白色火球,同时伴有"砰"的一声响声,发动机发 生喘振,停车检查,本次试车结束. 从台架上的压力脉动测量及过渡态示波 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 显 示来看,喘振发生得突然,而整个喘振过程也只有短 短几秒.分析过渡态示波的记录结果,喘振前发动 机主要参数的变化为:风扇转速在下降过程中有一 个先降后升的波动变化,而高压转速一直下降,a 及0'2的变化呈减小趋势,但a基本按照其角度控 制规律变化,而a则偏离了其角度控制规律. 5故障原因分析 5.1初步判断 分析喘振前后记录的数据:拉转过程中N2下 降,N则有个先降后升的往复过程.这是因为,按 照发动机节流控制规律,当转速下降至某一值时,喷 口由小喷口状态扩张到大喷口状态,导致低压涡轮 膨胀比突然变大,风扇转速上升,喘振即发生在这一 变化过程中.对于涡扇发动机而言,扩大喷口面积 会使转差率减小,流量增加,但涡扇发动机的双涵道 可以自动平衡流量的变化,因此,风扇出口处的反压 不会增加,只是使涵道比增加,且风扇共同工作线远 离喘振边界线.从a1基本满足要求可以判断出,此 次喘振不是由风扇不稳定工作引起的,而是由高压 压气机不稳定工作引起的. 5.2原因分析 5.2.1口2偏开过大 a2偏开过大是导致高压压气机工作不稳定,发 动机喘振的最直接因素. 对于发动机的不同工作转速,a2处于不同控制 角度,即按照a2=f(N2R)的规律进行控制.由图5 可以看出,试车记录的a2与a2控制规律比较,在各 转速下至少偏开15%以上,其中a2偏开的最大值 约为25%,在喘振点附近a2偏开了20%左右.如 果与N2R25对应的最佳a2比较,在喘振点的a2偏 开大大高于25%.对较高压比的多级轴流压气机 来说,在低换算转速时,az偏开会使高压压气机后 几级进入堵塞状态,前几级进入失速状态,即"前喘 后涡". 图5偏离a2调节规律的相对量 N.(%) 5.2.2N2R25突然降低 在转速下降过程中,尾喷口临界面积由小增大 时引起的转差变化是导致高压压气机不稳定工作, 发动机喘振的另一个因素. 低转速下扩张尾喷口能扩大风扇的喘振裕度, 但因a2是按N2R进行调节的,因此,扩大尾喷口面 积对高压压气机的工作稳定性来说是不利的.因为 尾喷口临界面积在由小状态扩大到大状态的瞬间, 由于低压涡轮后的反压降低,导致低压涡轮的膨胀 比加大,低压转子转速升高,发动机转差偏小,因此, 风扇出口处的温度升高,N25降低,而a2按N2R调 节不能考虑风扇出口温度的变化,所以a2不能随风 扇转速突然升高作出相应的调节,结果a相对于降 低后的N2R25偏开的角度更大了,使高压压气机进 入不稳定的工作状态. 另外,尾喷口的收扩时机对发动机喘振也有一 定影响.下拉转速时,尾喷口如果张开较早,易引起 高压压气机工作不稳定,但如果张开较晚,则导致风 扇工作不稳定. 6两点思考 要排除发动机喘振故障,必须找到故障发生的 根源,从根本上消除引发喘振的因素,保证发动机安 全工作. (1)通过试验找出最佳a2控制规律 根据发动机性能的要求,通过高压压气机的部 件试验得出了在各转速下性能参数随a的变化规 航空发动机2003年第29卷第2期 律,在满足喘振裕度的前提下,以效率达到最高值为 判断 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,确定了各转速下a2的最佳安装角范围, 以获得发动机的最佳性能. (2)选择合理的a2控制方式 仅从发动机气动稳定性考虑,根据N25来控 制a2的方式是最佳控制方式,因为这样能够完全按 照高压压气机部件试验得出的最佳a2来调节高压 压气机,保持a2处于最佳角度,使高压压气机效率 达到最高,这样既提高了发动机的整机性能,又避免 了由高压压气机引起的发动机工作不稳定.如果根 据N2R来控制a2,则由各种因素引起的发动机转差 变化会使a2可能不处在最佳角度,从而引发高压压 气机工作不稳定. 7结束语 发动机的此类喘振故障主要是由高压压气机工 作不稳定引起的.a2偏开过大以及转差偏小是高 压压气机喘振裕度减小,发动机喘振的根本原因. 调整a2控制规律,保证各转速下a2都处于最佳安 装角,保持合理转差,即可避免喘振故障的发生. 致谢 本文的撰写得到了白学士同志的帮助,特此致 谢! 参考文献 1聂恰耶夫IoH.航空动力装置控制规律与特性.北京: 国防工业出版社,1999.69,102. 2西北工业大学,南京航空学院,北京航空学院.航空燃气 涡轮发动机原理.北京:国防工业出版社,1981.108, 1l1. 3《航空发动机设计手册》总编委会.航空发动机设计手册 (第5册)——涡喷及涡扇发动机总体.北京:航空工业 出版社,2001.135,139. 4吴国钏,等.航空叶片机原理.南京:南京航空航天大学 出版社,1993.152,160. 5斯捷金BC,等.喷气发动机原理(叶片机).北京:国防 工业出版社,1958.326--334. (责任编辑刘殿春) EJ200发动机未来的全整体叶盘结构压气机 EJ200发动机的5级高压压气机是按高效率,轻质量,短 长度,宽喘振裕度设计的.为了简化结构,减轻质量,提高性 能,延长寿命和提高可靠性,EJ200生产型发动机的第1,3 级高压压气机转子采用了线性摩擦焊的整体叶盘结构,现已 得到试验验证.20世纪9o年代末,EI公司开展了第4,5级 压气机采用整体叶盘结构的研究工作.这2级压气机的盘 采用Incond 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 加工,叶片采用电化学工艺和线性摩擦焊 工艺加工成一体.由于相邻叶片距离很近,不能采用线性摩 图1K1200发动机高压压气机整体叶盘结构转子 擦焊工艺替换叶片,而采用修补,倒圆和简单修剪工艺进行 修理.这样,EJ200发动机的改进型将实现全整体叶盘结构 的压气机.目前,日公司又在研制强度高,刚性大,密度小 的硅碳增强的钛合金基复合材料的整体叶盘和整体叶环结 构,准备将其应用到未来EJ200发动机的第1,2级高压压气 机上,为在21世纪初EJ200改进型发动机的推重比达到15 -- 20提供技术支持. (梁春华) 图2钛合金基复合材料整体叶环