基于扩压器优化提升发动机加速性的方法

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摘要：摘要：本文对某型航空涡轴发动机的喘振现象进行研究。通过开展厂内专题试验确定了该发动机喘振发生的首发为离心压气机部件，采用气动仿真方法找到气流分离位置为径向扩压器叶片叶背的叶根处。对径向扩压器结构进行优化设计，并进行串装试车验证，改善了发动机的加速性

　　摘要：本文对某型航空涡轴发动机的喘振现象进行研究。通过开展厂内专题试验确定了该发动机喘振发生的“首发”为离心压气机部件，采用气动仿真方法找到气流分离位置为径向扩压器叶片叶背的叶根处。对径向扩压器结构进行优化设计，并进行串装试车验证，改善了发动机的加速性，改进设计有效。

　　關键词：喘振;扩压器;涡轴发动机

　　1 概述

　　压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的气流振荡现象，并伴有非常强烈的机械振动，可在很短时间内造成发动机零件的严重损坏，会使压气机转、静子叶片受交变应力而断裂，引起发动机熄火停车，严重威胁发动机安全工作。在新型号研制过程中，为确保足够的喘振裕度，常采用放气活门，可调导向叶片或处理机匣等防喘措施[1]，提高非设计状态下压气机的稳定工作的裕度，消除或削弱叶片气流的分离，以防止压气机发生喘振。对于早期的航空涡轴发动机，受限于当时的设计、加工水平，整机的喘振裕度较低。在生产、交付试车中常出现加速性不合格，发生喘振的现象。如果采用目前较成熟的技术手段进行加改装，工作量大，不经济。如果能够准确确认喘振的最“短板”，进行局部优化，将大大节省零件试制及反复试车的成本。本文对某型发动机在厂内出现的喘振现象进行分析，通过专题试验，找到该发动机喘振发生的“源头”，采用气动仿真计算软件[2]对相关气流通道件进行三维流场气动模拟仿真，找到敏感位置，仅对结构进行局部优化设计，通过试车验证，改善发动机的加速性。

　　2 故障现象

　　某型3号发动机在台架试车时，进行加速性检查时，75%设计转速至95.8%设计转速加速过程中，发动机出现低频的轰鸣声，发生喘振。具体数据见表1。

　　3 压气机结构

　　该型发动机采用一级轴流+一级离心的组合压气机。轴流压气机的作用是给离心压气机增压，主要由轴流压气机转子、双排整流器和压气机机匣组成。离心压气机是主增压部件，主要由内机匣、离心叶轮、前盖、径向扩压器、轴向扩压器和后盖组成。气流经轴流压气机压缩后流入离心叶轮，并在高速旋转作用下，由叶轮中心被离心力甩向叶轮外缘，气流速度和压力进一步提高，之后气流由叶轮流出进入扩压器。

　　径向扩压器位于离心叶轮出口，其主要功能是对来自离心叶轮的气流减速增压。径向扩压器对离心压气机性能有重要的影响，一般叶轮出口的气流动能占叶轮耗功的25～50%[3]，能否将这部分动能有效的转化为压力能，不但决定了径向扩压器性能的高低，而且决定了离心压气机性能的优劣。该型发动机径向扩压器为环形结构，叶片与前侧盖板通过数控铣成型，叶根圆角为R1.2。

　　4 喘振原因分析

　　4.1 喘振机理

　　发动机喘振的本质原因是气流分离，当气流的进气攻角过大后，气流发生分离，并随着叶轮的旋转迅速扩展到整个压气机通道，使压气机通道发生堵塞，气流流动受阻，流量随之减小，当气流前进的动能不足以克服压气机出口处的反压时，气流发生倒流。倒流发生后，出口反压不断下降，当出口反压较低时，压气机堵塞状况被解除，被堵塞的气流迅速流向压气机出口，再次超出压气机出口的流通能力，压气机出口反压又急剧升高，气流再次发生倒流。如此反复，造成了气流沿压气机轴线方向的反复振荡，即发动机喘振。在发动机整机运转时，如发生喘振，会出现轰鸣声，同时伴随着燃气涡轮后温度上升、输出功率下降。

　　为使排喘工作有的放矢，需在试验台构建失稳的进气条件，诱发喘振现象出现。同时在压气机各截面(主要为进气界面，轴流压气机出口及离心压气机进口)增加压力传感器，捕捉喘振信号，确定首先失稳的部件。通过三维仿真手段进行气动仿真，确定喘振发生的“源头”。最终通过结构优化设计，改善气流堵塞现象，解决喘振问题。

　　4.2 逼喘试验

　　为准确确定发动机发生喘振的首发位置，找出发动机稳定工作的薄弱构件，在整机上开展逼喘试验，装置示意如图1。本次试验采用插板式畸变发生器，在发动机台架试车过程中对发动机进行“诱喘”，以获取发动机进入失速或喘振状态时的轴流和离心压气机压力、整机振动以及声振信号的变化情况，分析稳态工作及加速性两种条件下的试验数据，确定压气机喘振的首发位置。

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