壓氣機防喘系統

為了改善壓氣機的工作特性，擴大穩定工作範圍，在現代高增壓比的軸流式壓氣機上均安裝有防喘振裝置。按其結構形式，可分為放氣機構、壓氣機進口可變彎度導流葉片或可轉導流葉片、可轉整流葉片、雙轉子或多轉子壓氣機和機匣處理等。

基本介紹

• 中文名：壓氣機防喘系統
• 外文名：Compressor antiasthmatic system
• 學科：航空工程
• 領域：部件設計
• 作用：防止喘振

壓氣機喘振

壓氣機喘振是氣流沿壓氣機軸線方向發生的低頻率、高振幅的振盪現象。壓氣機喘振是多級軸流式壓氣機始終要面對的課題。

壓氣機喘振的根本原因

多級軸流式壓氣機喘振本質上的原因是，當發動機在非設計狀態工作時，壓氣機前面增壓級和後面增壓級的流通能力不匹配，因而造成了前喘後渦或前渦後喘的現象。

要保證壓氣機穩定工作，根本措施就是合理控制流經壓氣機各級的空氣流量，使之與流通能力相匹配，保持空氣流動的平穩與連續。

放氣機構

把空氣從壓氣機中間級放出（或從低壓壓氣機後放出）是改善壓氣機特性，擴大穩定工作範圍的簡單而有效的方法，可用於防止前喘後渦型的喘振。此種方法的缺點是放氣時會使發動機震動和效率降低。

放氣機構的主要類型有放氣活門、放氣帶和放氣窗。它們都是在發動機起動和低轉速範圍內（即低增壓比時）打開，當接近發動機設計狀態時就關閉，所以放氣系統的調節器通常都感受轉速或者增壓比。

（1）放氣活門

放氣活門一般由若干個放氣活門和控制元件組成。通過液壓或氣壓作動筒來操縱。氣動式放氣活門結構及工作原理，一般用於雙轉子發動機起動時的放氣。WP7發動機的起動放氣屬於這種類型。

（2）放氣帶

放氣帶機構主要由放氣帶、放氣孔、作動筒和控制元件等組成。放氣孔在壓氣機中後部某一級機匣外沿周向分布，用彈性鋼製放氣帶束住。放氣帶由作動筒操縱，放氣帶鬆弛時，氣流可由放氣孔排出，從而減少進入壓氣機後面級的空氣流量；放氣帶束緊時停止放氣。

WP6，WP8發動機都是採用這種方法在起動和低功率狀態防喘。

放氣孔的位置和數目應滿足儘量減少對轉子葉片前的速度場和壓力場影響的要求，否則會引起葉片劇烈振動甚至折斷。放氣帶的束緊度要經過精細計算，偏松時會產生漏氣，過緊則可能造成放氣帶折斷。當其用於雙發飛機時，還要考慮單發起動時先起動發動機放氣對後起動發動機的影響。

（3）放氣窗放氣機構是大涵道比渦扇發動機普遍採用的防喘方式，一般用於在低壓壓氣機出口放氣，以減少進入高壓壓氣機的空氣流量。該機構由環形放氣窗、放氣封嚴環、作動筒及控制元件等組成。

進口可轉導流葉片和變彎度導流葉片

防止壓氣機喘振的另一措施是在壓氣機進口採用可轉的導流葉片或變彎度導流葉片。當壓氣機在非設計狀態工作時，進口變彎度導流葉片的尾部扭轉一個角度，使壓氣機進口預旋量相應改變。這樣就可使第一級轉子葉片進口氣流的攻角恢復到接近設計狀態的數值，消除了葉背上的氣流分離，避免了喘振現象的發生。若採用進口可轉導流葉片，則是整個葉身一起扭轉。這樣在改變第一級轉子葉片進口氣流的攻角的同時，還改變（減小）了壓氣機進口的流通面積，減小空氣流量。

進口可轉導流葉片機構由帶內外圓柱軸頸的導流葉片、搖臂、聯動環、作動筒和控制器等組成。聯動環及作動簡組成操縱機構，可分為外操縱和內操縱兩種方案。如果操縱機構在機匣外部，則稱為外操縱方案；如果操縱機構在軸承機匣或整流機匣內殼體裡面，則稱為內操縱方案。進口可轉導流葉片系安裝在壓氣機進口處，所以葉片通常都有內、外兩個支座。可轉葉片由作動筒在控制器指令下操縱。作動筒的操縱桿帶動聯動環轉動，聯動環帶動該級全部導流葉片的搖臂使所有葉片同步轉動一個相應角度。

可變彎度的進口導流葉片由前、後兩段組成。前段固定，保持氣流軸向進入；後段鉸接，可連續調節，保證轉子葉片最有利的進入角。如在F100發動機上，進口導流葉片前段的內、外端分別與整流錐和風扇機匣焊接在一起。後段可轉動尾部的內、外端均有一轉軸。外端轉軸借搖臂與一共同的作動環相聯，作動環由兩個氣壓作動筒操縱。在J85發動機的可變彎度進口導流葉片上，後段可轉動尾部隨發動機折合轉速而改變，與放氣活門協同動作。

多級可調靜子葉片

進口可轉導流葉片和變彎度導流葉片都只能使第一級轉子葉片進口氣流的攻角恢復到接近設計狀態的數值，消除其葉背上的氣流分離，而不能使第一級後面的若干級轉子葉片進口氣流的攻角也接近到設計狀態的數值。所以，在先進發動機上採用多級可調靜子葉片（VSV）的方法，使壓氣機的穩定工作範圍更寬，達到更好的防喘作用。

多級可調靜子葉片的組成

多級可調靜子葉片防喘機構均採用外操縱方案，主要由可轉靜子葉片、搖臂、聯動環、曲軸、作動筒和控制器等組成。

機匣處理

為了避免在葉尖處產生旋轉失速，利用吹氣和放氣來控制附面層是非常有效的。但是試驗過程中發現，即使放氣量為零，只要在風扇和壓氣機轉子外側的機匣內表面上採用一些特殊的結構措施，就能使失速裕度大大改善。

常見的結構措施有：在機匣內壁上加工成環槽、斜槽或者安裝蜂窩結構環。帶有這類結構措施的機匣稱為機匣處理。在WP13發動機第一級轉子葉片外圍機匣內表面上安裝的、由吹氣葉片(擾流片)組成的吹氣盒就是機匣處理的一種形式。

雙轉子或三轉子壓氣機

把壓氣機設計成雙轉子的或三轉子的，也是重要的防喘措施之一。所謂雙轉子或三轉子壓氣機是由兩個或三個轉子組成，各轉子的軸是套在一起，但轉速不同。內袖的轉速最低，相應的壓氣機在最前端，稱為低壓壓氣機；外軸的轉速最高，相應的壓氣機在最後端，稱為高壓壓氣機。對於三轉子壓氣機則有中壓轉子，其位置、軸和轉速都居中。各轉子分別由各自的渦輪驅動。

雙轉子或三轉子壓氣機防喘的基本原理

在相同總增壓比及總級數時，當壓氣機轉子分開後每個轉子的級數減少，同時各轉子可以在各自的最佳轉速工作(如風扇要求的工作轉速低，高壓壓氣機需要高轉速以增大加功量)。當壓氣機在非設計狀態工作時，較少的級數可以減小前後各級壓氣機流通能力的差異。另外，轉子的轉速可以實現自動調節：前面的低壓壓氣機轉速降低，從而減少進入壓氣機的空氣流量；後面的高壓壓氣機轉速提高(但不超過最大限制轉速)，從而流通能力提高，因而使壓氣機前後各級的流通能力自動相匹配。

壓氣機氣流控制系統(CACS)

早期的發動機一般採用單一的防喘措施，如中間級放氣(WP6，WP8)，或採用雙轉子(WP7)，或進口可調導流葉片(MK202)。但現代雙轉子發動機壓氣機的高增壓比使得高壓壓氣機的級數仍然很多，而且要求其工作範圍更寬，發生喘振的可能性仍然存在。壓氣機容易發生喘振的工作狀態和外部條件有：起動及低功率狀態，發動機轉速（推力）下降過程中，民用飛機打開反推、軍機打開加力，殲擊機作大過載機動飛行，使用操縱不當等。所以在先進的航

空燃氣渦輪發動機上是中間級放氣、雙轉子、進口可調導流葉片和多級可調整流葉片等多種防喘擴穩措施並用，以保證壓氣機在各種工作狀態下、各種工作條件下和工作狀態轉換的過程中不發生喘振。

壓氣機氣流控制系統的功用

壓氣機氣流控制系統的功用是在發動機起動、非設計狀態和反推力工作狀態下，保證壓氣機穩定工作。

壓氣機氣流控制系統的組成

該系統一般由放氣系統和可變靜子葉片系統組成。

放氣系統中有起動放氣系統、程式放氣系統和打開反推放氣系統。程式放氣系統的功用是在發動機工作時依據發動機的轉速、壓比等信號，程式化的控制各個放氣機構工作。壓氣機氣流控制系統一般由發動機的控制系統控制，系統主要由燃油泵、燃油控制器、發動機靜子葉片和放氣控制器（EVBC）、Ma感測器、操縱機構、控制活門、作動筒和位置開關、反饋裝置、可調靜子葉片、放氣活門、放氣帶或放氣窗等元件組成。