航空發(fā)動機喘振的研究與發(fā)展

1、2 0 1 5年 6月第 4 4卷 第 6 期 機械設計與制造工程 M a c h i n eD e s i g na n dM a n u f a c t u r i n gE n ~ n e e n n gJ u n ． 2 01 5V0 1 ． 4 4No ． 6D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5— 5 0 9 X ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 1航 空發(fā)

2、動 機 喘振 的研 究 與 發(fā)展 羅澤明 ， 鄭麗， 張玉憲 ( 海軍航空兵學院飛行理論系 ， 遼寧 葫蘆島1 2 5 0 0 1 )摘要： 針對航空發(fā)動機喘振的特殊情況 ， 在總結現(xiàn)有研 究成果的基礎上 ， 指 出了 目前發(fā)動機喘振 研 究的 3 個方向——穩(wěn)定性研 究、 防喘控制研究和喘振故障診 斷， 分析 了各 自的研 究現(xiàn)狀和發(fā)展 趨勢 ， 對發(fā)動機設計人員、 工程技術人 員和飛行人 員全面把握喘振 問題 ， 具有一定的參考價值

3、。關鍵詞 ： 喘振 ； 穩(wěn)定性； 防喘系統(tǒng)； 主動控制 ； 故障診 斷中圖分類號 ： V 2 3 5 ． 1文獻標志碼 ： A文章編號 ： 2 0 9 5 — 5 0 9 X【 2 0 1 5 ) 0 6 — 0 0 0 1 — 0 4喘振是航空發(fā)動機在使用過程 中經常遇到 的一 種特殊情況。當發(fā)動機嚴重偏離設計工作狀態(tài)、壓氣 機前后 流通 能力不 匹配 時 ， 壓氣 機 內就會 出現(xiàn) 葉片邊界層流動分離現(xiàn)象 ， 甚至進一步發(fā)展成旋轉

4、失速狀態(tài)直至喘振狀態(tài)。喘振是發(fā)動機的一種不 穩(wěn)定工作狀態(tài) ， 喘振時， 壓氣機內出現(xiàn)氣流流動、 分 離 、 中斷的脈動現(xiàn)象 ， 氣流時斷時續(xù) ， 壓力 時大 時 小 。飛行中發(fā)生喘振時 ， 發(fā)動機將會 出現(xiàn)振動 ， 發(fā) 出低沉的噪聲 ， 燃氣 溫度急劇升高， 轉速擺動或下 降， 嚴重時會造成發(fā)動機停車。為了改善壓氣機的工作特性 ， 提高發(fā)動機穩(wěn)定 工作的范圍， 目前航空發(fā)動機工程師們的研究包括 3 個方向： 通過喘振裕度分析和流場仿真進

5、行穩(wěn)定 性研究 ； 發(fā)動機防喘和消喘控制系統(tǒng)研究 ； 喘振故 障的檢測和診 斷。本文從這 3 個方面對航空發(fā)動 機喘振的研究現(xiàn)狀和進展進行 了梳理 。1 穩(wěn)定性研 究 穩(wěn)定性是保證航空發(fā)動機安全、 可靠、 穩(wěn)定工 作的關鍵。喘振就是發(fā)動機進入一種 以氣流中斷 為 特征 的不穩(wěn) 定 狀態(tài) 。 目前 ， 在設 計 階段 ， 對 發(fā)動 機喘振的研究分為兩方面 ： 喘振裕度研究和流場研 究。喘振裕度是衡量喘振發(fā)生可能性大小的量 ， 是 影響發(fā)動

6、機穩(wěn)定工作 的關鍵因素。 目前設計階段 的指導思想 是通過 設計 提高 喘振 裕度 。任 曉棟 等?利用計算流體力學方法研究 了可轉靜葉對提 高壓氣機部分轉速下喘振裕度 的效果 ， 指導選取最 優(yōu)可轉靜葉安裝角 ， 使壓氣機 喘振裕度達到最大 。王健康等 提出了一種發(fā)動機喘振裕度 的建模方 法 ， 建立 了常規(guī)飛行時的無畸變模型與超機動飛行 時的損失量模型 ， 并通過數(shù)字仿 真， 驗證該方法可 控制喘振裕度在 1 1 ％ 一 1 3 ％

7、。向宏輝等 基于多 臺軸流壓氣機喘振的試驗數(shù)據(jù) ， 提出并驗證 了一種 軸流壓氣機喘振邊界經驗預估方法。流場研究是利用大型 C F D計算軟件 ， 如 C F X、NU MEC A、 F L UE NT、 S T AR— C D等對壓氣 機 內部流 場進行穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流 場計算 ， 獲得 喘振時 的特 征。胡江峰等 對某型多級軸 流壓氣機非設計工 況進行了數(shù)值計算 ， 分析了近喘振工況下 的流場特 性 ， 仿真結果與試驗數(shù) 據(jù)吻合。賀曉

8、亮 _ 5進行 了壓氣機近喘振點三維非定常計算 ， 對喘振時的速度 場和壓力場進行了研究。馬超、 朱智富等 一對離 心壓氣機進行 了設計轉速下喘振臨界點 的非穩(wěn)態(tài) 數(shù)值模擬， 并對壓氣機各部件在該工況下的非定常 流動狀 況進 行 了詳 盡 闡述 。2 防喘控制研 究 為提高喘振裕度 ， 防止發(fā)動機 喘振 ， 現(xiàn)代戰(zhàn)斗 機都進行 了防喘控制。E d w a r d。認 為， 喘振 的控制是今后 5 0 年壓氣機研究的主要問題。著名 的美

9、國 國家發(fā) 動機 研究 計 劃I H P T E 和 V A A T E 的智 收稿 日 期 ： 2 0 1 5 — 0 4 — 0 2作者簡介 ： 羅澤明( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 湖北武漢人 ， 海軍航空兵學院教授 ， 主要研究方 向為航空發(fā)動機。2 0 1 5 年第 6 期 羅澤明 ： 航空發(fā)動機喘振的研 究與發(fā)展 壓氣機 出口總壓 轉速 排氣 溫度 推 力圖 1 發(fā)動機喘振參數(shù)變化曲線時 間 王春瑞等[ 】馴均

10、選擇壓力脈動數(shù)據(jù)。在燃氣輪機 喘振上， 還有選擇振動和噪聲作為分析數(shù)據(jù)的， 如 宋光雄等 選擇振動相關數(shù)據(jù)， 曹呋劫等 ’ - 2綜 合了壓力、 振動、 聲音等 3 個數(shù)據(jù)。3 ． 2 故障信號分析 提取參數(shù)信號后 ， 對信號分析采取的方法主要 有紊流度分析法 、 脈動壓力方差法、 壓力變化速率 法 、 頻譜分 析法 、 小波 分析法 、 L y a p u n o v穩(wěn)定性 分析 和相關積分法等。其 中， 小波分析、 L y a p

11、 u n o v 穩(wěn)定 性分析和相關積分法算法較為復雜， 主要用于信號 的事后分析 ； 紊流度分 析法 、 脈動壓力方差法和壓 力變化速率法是基于信號時域波形幅值特征的分 析方法 ； 頻譜分析是基于頻域特征的分析方法 。此外 ， 一些新技術如短時能量 、 模糊控制、 時間 序列等被逐漸應用于喘振故障診斷中， 并且取得了顯著成果。具體的可參見文獻 [ 1 8 ] ～ [ 2 8 ] 。3 ． 3 故障診 斷 故障診斷是對發(fā)動機的運行工作狀

12、態(tài)與變化 趨勢 的監(jiān)測評價。目前 ， 故障診斷朝著智能化、 自動化的方向發(fā)展。通常采用的診斷方法有基于故 障方程的故障診斷、 基于規(guī)則 的專家診斷 、 神經 網(wǎng)絡等 。對于喘振來說， 由于其特征明顯 ， 一般采用 閾值判斷對喘振進行在線監(jiān)控 ， 即將轉速、 排氣溫度 信息數(shù)據(jù)實時輸入相應軟件 ， 與正常情況下的數(shù)據(jù) 對比， 若有異?，F(xiàn)象 ， 例如某個點測量值超過正常 閾值表明此時有故障。丁蓬勃等_ 2 9將故障樹分析 與閾值分析相結合

13、， 實現(xiàn)了喘振的快速有效判斷。4 結束語 航空發(fā)動機喘振是關系發(fā)動機穩(wěn)定性 的重要 因素， 它嚴重影響著飛行安全 ， 是發(fā)動機穩(wěn)定性研 究的關鍵。為提高穩(wěn)定性 ， 研究人員 以喘振裕度為 標準 ， 從設計到使用對各環(huán)節(jié)都進行 了深入研究。隨著喘振主動控制技術的深入研究和應用 ， 喘振這 個難題將會得到很好 的解決。參考文獻 ：[ 1 ] 任曉棟 ， 李想 ， 顧春偉． 多級軸流壓 氣機穩(wěn)定性數(shù)值研究 [ J ] ．工程熱物理學報 ， 2

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