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1、第三部分第一章 压气机第二节第二节 压气机的特性曲线压气机的特性曲线第三节第三节 压气机的喘振及防喘措施压气机的喘振及防喘措施2024/8/191一、单级轴流压气机特性一、单级轴流压气机特性二、多级轴流压气机特性二、多级轴流压气机特性三、压气机的不稳定工况与扩稳三、压气机的不稳定工况与扩稳2024/8/192一、单级轴流压气机特性一、单级轴流压气机特性 在一般的情况下，压气机的工作状在一般的情况下，压气机的工作状况是由况是由进口压力进口压力PaPa* *、进气温度、转速、进气温度、转速n n和流和流量量等四个独立变量决定的。在进气条件一定等四个独立变量决定的。在进气条件一定和转速不变的条件下，
2、压气机的压比、效率和转速不变的条件下，压气机的压比、效率随流量变化的关系通常称为压气机的流量特随流量变化的关系通常称为压气机的流量特性。用曲线表示这些参数之间的关系称为特性。用曲线表示这些参数之间的关系称为特性曲线。性曲线。2024/8/1931.单级压气机特性曲线的变化规律分析v 大流量工况大流量工况v 小流量工况小流量工况v设计点工况设计点工况2024/8/1942. 单级轴流式压气机的流量特性（1 1）随着压气机流量）随着压气机流量GvGv的的减少，减少，C C起初升高，然后起初升高，然后下降。每条特性线的高压比下降。每条特性线的高压比点将特性线分成左、右两支。点将特性线分成左、右两支。
3、右支对应随右支对应随GvGv减少时压比增减少时压比增加的情况，左支则对应随加的情况，左支则对应随GvGv减少时压比下降的情况。减少时压比下降的情况。2024/8/195（2）当流量Gv减少到一定值时压气机的工作进入不稳定工况区，即进入喘振区。每个转速下的流量特性线都有自己产生喘振时的最小流量Gvmin。各转速下喘振流量点之联线称为喘振边界线。2024/8/196（3）随着压气机转速的升高，流量特性线变得陡直。2024/8/197（4）在一定的转速下，当Gv增加到某一值时，压比和效率均急剧下降。这表明，Gv的增加是有一定限度的，我们把这个现象称为压气机的“阻塞”。在不同的转速下，发生“阻塞”的G
4、v是不同的。2024/8/1983.单级压气机的实验特性曲线n亚声速压气机超跨声速压气机2024/8/1991.为什么压气机级数远大于透平？要使每级压比增大加大气流折转角加大u叶片弯曲程度加剧叶片背弧处易发生边界层分离压气机易喘振二、多级轴流压气机特性2024/8/1910 扭速扭速 的限制的限制 ，增大扭速可以增大基元级的加功量增大扭速可以增大基元级的加功量。亚声速基元级亚声速基元级 增加导致：增加导致：1. 增大；增大；2.W2减小，逆压梯度增大；减小，逆压梯度增大；3.流动分离，动叶加功能力、效率流动分离，动叶加功能力、效率4. 和流量下降。和流量下降。2024/8/1911超、跨声速基
5、元级，扭速超、跨声速基元级，扭速 是是靠强烈的激波系获得。靠强烈的激波系获得。如果激波强度过大，激波本身如果激波强度过大，激波本身的总压损失和激波附面层的总压损失和激波附面层干涉损失严重，使得动叶的效干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降。率急剧下降。 2024/8/1912为为了了保保证证动动叶叶的的效效率率，无无论论亚亚声声速速还还是是超超、跨跨声声速速基基元级，都不能任意增大扭速元级，都不能任意增大扭速 。 增大扭速增大扭速 还会使动叶出口速度还会使动叶出口速度 增大，并且增大，并且 的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。2024/8/1913n由
6、于轴流式压气机的单级增压能力是有限的，特别是亚音速级，每级增压比只有1.151.3，最高也不大于1.4（超音速级可以高一些），所以，工业燃气轮机均采用多级式轴流压气机，使压比高达1730。2024/8/19142.多级轴流压气机在非设计工况下级间的不协调性多级轴流压气机在非设计工况下级间的不协调性 若工作压比高于设计值，此时流道收缩太慢，轴向速若工作压比高于设计值，此时流道收缩太慢，轴向速度逐级加速变小；度逐级加速变小；第第一一级级第第二二级级末末级级 若工作压比低于设计值，此时流道收缩太快，轴向速度若工作压比低于设计值，此时流道收缩太快，轴向速度逐级加速变大。逐级加速变大。2024/8/19
7、152024/8/19163.四类非设计工况分析之一（一），在设计转速，工作（一），在设计转速，工作点位于红点处。此时流量大于点位于红点处。此时流量大于设计值，压比小于设计压比。设计值，压比小于设计压比。第一级流量系数大于设计值，第一级流量系数大于设计值，由于各级压比小于设计值，导由于各级压比小于设计值，导致后面级流量系数加速放大，致后面级流量系数加速放大，并容易出现堵塞。这也是多级并容易出现堵塞。这也是多级压气机的特性线要更陡峭一些压气机的特性线要更陡峭一些的原因。的原因。2024/8/1917 目前燃气轮机中采用的压气机，由于设目前燃气轮机中采用的压气机，由于设计工况下的压比较大，流向动叶
8、片的气流相计工况下的压比较大，流向动叶片的气流相对速度已经很大，增大空气流量（变工况）对速度已经很大，增大空气流量（变工况）时，在流道的喉部截面（最小截面）上速度时，在流道的喉部截面（最小截面）上速度很快达到局部声速而很快达到局部声速而“阻塞阻塞”。 多级压气机的特性曲线较陡，流量变化范围多级压气机的特性曲线较陡，流量变化范围也较窄，尤其在高转速情况下，流量的微小改变也较窄，尤其在高转速情况下，流量的微小改变都会引起压升比很大的变化。都会引起压升比很大的变化。2024/8/1918四类非设计工况分析之二（二），在设计转速，工作（二），在设计转速，工作点位于红点处。此时流量小于点位于红点处。此时
9、流量小于设计值，压比大于设计压比。设计值，压比大于设计压比。第一级流量系数小于设计值，第一级流量系数小于设计值，由于各级压比大于设计值，导由于各级压比大于设计值，导致后面级流量系数加速变小，致后面级流量系数加速变小，此时容易出现喘振。此时容易出现喘振。2024/8/1919四类非设计工况分析之三（三），在中低转速，工作（三），在中低转速，工作点位于红点处。此时流量小于点位于红点处。此时流量小于设计值，压比小于设计压比。设计值，压比小于设计压比。第一级流量系数远小于设计值，第一级流量系数远小于设计值，由于各级压比小于设计值，导由于各级压比小于设计值，导致后面级流量系数加速放大。致后面级流量系数加
10、速放大。这就是压气机在中低转速容易这就是压气机在中低转速容易出现前喘后堵的原因。出现前喘后堵的原因。2024/8/1920四类非设计工况分析之四（四），在超转的情况下，工（四），在超转的情况下，工作点位于红点处。此时流量大于作点位于红点处。此时流量大于设计值，压比也大于设计压比。设计值，压比也大于设计压比。第一级流量系数大于设计值，由第一级流量系数大于设计值，由于各级压比大于设计值，导致后于各级压比大于设计值，导致后面级流量系数加速变小。此时容面级流量系数加速变小。此时容易出现前堵后喘的情况。易出现前堵后喘的情况。2024/8/1921n什么是什么是“特性曲线特性曲线”？n为什么要使用通用特性
11、为什么要使用通用特性曲线？曲线？4 4压气机的通用特性压气机的通用特性2024/8/1922（1）压气机折合流量）压气机折合流量（3）压气机增压比为）压气机增压比为（4）绝热效率）绝热效率 （2）压气机）压气机折合转速折合转速2024/8/1923n以换算（折合）参数表示的轴流压气机的通用特性则折合流量和折合转速分别为2024/8/1924v自变量自变量相似流量相似流量v参变量参变量相似转速相似转速v变量变量压比、效率压比、效率v等转速线等转速线v等效率线等效率线v不稳定边界不稳定边界n压气机的通用特性曲线是由等折合转速线、喘振边界线和效率特性线等三部分组成的。2024/8/1925三、压气机
12、的不稳定工况与扩稳2024/8/1926失速裕度的定义失速裕度的定义流量流量流量流量s sd d压比压比压比压比v增压比稳定裕度增压比稳定裕度v综合稳定裕度的定义综合稳定裕度的定义v一般情况，在设计转速下，压气机失速裕度应一般情况，在设计转速下，压气机失速裕度应为为20%以上以上v流量稳定裕度流量稳定裕度2024/8/1927不稳定工况的分类不稳定工况的分类v压气机非稳定工况可以分为两大类。压气机非稳定工况可以分为两大类。v第一类属于气动弹性现象，这时叶片的振动属于自第一类属于气动弹性现象，这时叶片的振动属于自激振动，这种现象被称之为颤振。这种现象不在这里激振动，这种现象被称之为颤振。这种现象
13、不在这里介绍。介绍。v第二类是单纯气动现象，它也会激发叶片的振动，但第二类是单纯气动现象，它也会激发叶片的振动，但这种叶片振动性质属于他激振动。这种叶片振动性质属于他激振动。v第二类非稳定工况又分为两种：一是旋转失速或称旋第二类非稳定工况又分为两种：一是旋转失速或称旋转分离；另一种是喘振现象。二者既有差别又有联系。转分离；另一种是喘振现象。二者既有差别又有联系。2024/8/1928 当压气机的转速一定，流量减小时，Clz下降，使冲角i增大，产生正冲角，到正冲角过大时，会在叶背引起气流分离这就是失速现象。这时气流转折角增加，扭速也增加，从而使叶栅通道中沿气流方向的压力梯度增大，气流拐弯产生的离
14、心力场加剧了叶背的气流分离。失速使效率明显下降，甚至会导致喘振的发生。 实践证明，压气机叶栅中出现的失速区不是静止不动的，它围绕着叶轮轴线以低于叶轮的转速连续地旋转，所以这种失速现象称为旋转失速。1.旋转失速旋转失速2024/8/1929当转速一定而空气流量减少时，就会引起转子动叶攻当转速一定而空气流量减少时，就会引起转子动叶攻角的增加。空气流量减少到一定程度就能观察到不稳角的增加。空气流量减少到一定程度就能观察到不稳定流动，同时压气机发出特殊叫声，振动也增大。在定流动，同时压气机发出特殊叫声，振动也增大。在转子后测得的流场表明，有一个或多个低速气流区以转子后测得的流场表明，有一个或多个低速气
15、流区以某一转速沿动叶旋转方向转动，这种非稳定工况被称某一转速沿动叶旋转方向转动，这种非稳定工况被称为旋转失速。为旋转失速。旋转失速出现后，叶片会受到周期性交变的气动力作旋转失速出现后，叶片会受到周期性交变的气动力作用，叶片材料会因此而产生疲劳。如失速频率接近叶用，叶片材料会因此而产生疲劳。如失速频率接近叶片自振频率，将会使叶片产生很大的振动应力，造成片自振频率，将会使叶片产生很大的振动应力，造成叶片损坏。叶片损坏。2024/8/1930v 旋转失速现象的经典解释n当流量减少时，动叶排中的某几个叶片可能率先出现分离，于是这些叶片前面出现了明显的气流阻塞现象，受阻滞的气流区使周围的流动发生偏转，从
16、而引起左面叶片攻角增大并分离，同时引起右面叶片的攻角减小并解除分离，因而分离区相对于叶片排向左传播，即相对转子叶片按照叶片旋转方向相反的方向转动。站在绝对坐标系上观察，旋转失速团以比压气机转速站在绝对坐标系上观察，旋转失速团以比压气机转速为低的速度，和压气机旋转方向相同作旋转运动。为低的速度，和压气机旋转方向相同作旋转运动。 2024/8/1931v失速的不同类型n有些情况下，失速团会贯穿整个叶高，这时，失速团通常只有一个。这样的失速形态一般发展为突变性失速。突变型失速较多地产生在轮毂比较大的压气机中，由于叶片短，旋转失速一旦产生就可能波及整个叶高 。有时，失速团有多个，但每个失速团都没有贯穿
17、叶高。其失有时，失速团有多个，但每个失速团都没有贯穿叶高。其失速形式称为部分展向失速。在一定的条件下，渐进型失速也速形式称为部分展向失速。在一定的条件下，渐进型失速也可以发展为突变型失速。可以发展为突变型失速。 2024/8/19322024/8/1933v旋转失速的主要特征旋转失速的主要特征旋转失速时，失速团沿周向运动，造成周向旋转失速时，失速团沿周向运动，造成周向不均匀流动，流场是非轴对称的；不均匀流动，流场是非轴对称的；渐进型失速时，随流量降低，压气机的压升渐进型失速时，随流量降低，压气机的压升逐渐减小；逐渐减小；突变型失速时，压升会发生突然的下降；突变型失速时，压升会发生突然的下降；旋
18、转失速时，其气流脉动频率和脉动振幅与旋转失速时，其气流脉动频率和脉动振幅与流路容积特性无关，主要取决于压气机的工流路容积特性无关，主要取决于压气机的工况（轴向速度和转速）。况（轴向速度和转速）。危害：频率高、强度大，叶片疲劳断裂。危害：频率高、强度大，叶片疲劳断裂。2024/8/19342.2.喘振喘振l旋转失速的发展会导致压气机喘振。旋转失速的发展会导致压气机喘振。l压气机的工质流量和气流参数的时大时小的低压气机的工质流量和气流参数的时大时小的低频周期性强烈振荡，称为喘振。频周期性强烈振荡，称为喘振。l喘振是压气机的一类气动失稳现象，其流量和喘振是压气机的一类气动失稳现象，其流量和压升具有周
19、期性的高振幅振荡，时而体现为非压升具有周期性的高振幅振荡，时而体现为非失速的正常流动，时而表现为低流量低压升的失速的正常流动，时而表现为低流量低压升的失速流动。失速流动。2024/8/1935喘振现象喘振现象 喘振时，压气机的出口压力、流量等参数会出现大幅度的波动，机组的转速和功率都不稳定，并伴有强烈的机械振动，发出低沉的噪声。2024/8/1936喘振发生的物理机理喘振发生的物理机理v流量减少，攻角增大，叶背出现分离；流量减少，攻角增大，叶背出现分离；v当分离区扩展至整个压气机叶栅通道，这时压气机转当分离区扩展至整个压气机叶栅通道，这时压气机转子丧失了将气流压向后方，克服后面高反压的能力，于
20、子丧失了将气流压向后方，克服后面高反压的能力，于是流量急剧下降；是流量急剧下降； v出口的高压气流会向进口方向倒流，此时反压降低，出口的高压气流会向进口方向倒流，此时反压降低，由于压气机轮缘功的作用，流量又开始增加，并大致沿由于压气机轮缘功的作用，流量又开始增加，并大致沿等转速线由低压升迅速发展为高压升小流量的状态；等转速线由低压升迅速发展为高压升小流量的状态；v只要高反压环境继续维持，这种周期性的喘振现象就不只要高反压环境继续维持，这种周期性的喘振现象就不会终止。因此，喘振总是经历流动、分离、倒流、再流会终止。因此，喘振总是经历流动、分离、倒流、再流动、再分离、再倒流的循环过程。动、再分离、
21、再倒流的循环过程。2024/8/1937喘振的产生过程喘振的产生过程流量减少旋转失速流量继续减少叶背气流严重失速堵塞压气机通道下游的高压气体会产生倒流正向压力梯度消失叶片作用气流又沿正方向流动流量过小，失速区又会迅速扩大而产生堵塞下游气体再度倒流轴向振荡 喘振反复2024/8/19382024/8/1939喘振发生的位置喘振发生的位置当压气机工作转速小于设计值时，首级将发生旋转失速，并可能导致喘振；当压气机工作转速大于设计值时，末级将发生旋转失速，并可能导致喘振。2024/8/1940 喘振的主要特征压气机出口总压和流量大幅度的波动；压气机出口总压和流量大幅度的波动；压气机内部形成逆向的轴向流
22、动；压气机内部形成逆向的轴向流动；发出音调低而沉闷的放炮声；发出音调低而沉闷的放炮声；非常强烈的机械振动；转速不稳定。非常强烈的机械振动；转速不稳定。喘振时，其气流脉动频率和脉动振幅与流路容积喘振时，其气流脉动频率和脉动振幅与流路容积特性相关，频率低、强度大。特性相关，频率低、强度大。只要具备一定的出口高反压管路系统，旋转失速只要具备一定的出口高反压管路系统，旋转失速基本上会成为喘振的前奏。基本上会成为喘振的前奏。2024/8/1941 喘振现象总结：2024/8/1942n防喘振方法通常有：改进气动设计中间放气采用旋转导叶合理选择压气机运行工况点分轴压气机等n尽管方法不同，但指导思想都是通过
23、减小非设计工况时的冲角变化来保持压气机工作的稳定性。3 3、扩稳措施、扩稳措施2024/8/1943（a）气动设计中的扩稳措施v重点是考虑多级压气机的前面级和后面级重点是考虑多级压气机的前面级和后面级v第一级动叶宽弦设计、机匣处理设计、大稠度第一级动叶宽弦设计、机匣处理设计、大稠度v末级宽弦设计、大稠度、端弯设计、组合叶栅末级宽弦设计、大稠度、端弯设计、组合叶栅v各级设计攻角的限制，各级设计攻角的限制，D因子的限制因子的限制v其它气动设计措施：如边界层吸附等。其它气动设计措施：如边界层吸附等。2024/8/1944（b）压气机中间级放气2024/8/1945 放气放气是从多级轴流式压气机通流部
24、分中是从多级轴流式压气机通流部分中间的一个或几个截面上引出空气，排放到大间的一个或几个截面上引出空气，排放到大气中或重新引回压气机进口。气中或重新引回压气机进口。 放气系统打开，这时，放气口截面前后放气系统打开，这时，放气口截面前后的空气流量是不等的，前几级的容积流量增的空气流量是不等的，前几级的容积流量增加，相应地轴向速度和流量系数增加，从而加，相应地轴向速度和流量系数增加，从而消除了冲角过大引起失速和发生喘振的可能消除了冲角过大引起失速和发生喘振的可能性。由于前面级的工作条件的改善以及压比性。由于前面级的工作条件的改善以及压比和效率的提高，末级的空气密度增加，流动和效率的提高，末级的空气密
25、度增加，流动条件也得到改善。条件也得到改善。2024/8/1946n放气防喘的工作原理v高换算转速情况高换算转速情况v后面级压气机可能发生喘振，应采用后面级压气机可能发生喘振，应采用“末级末级”放气，放气，减少后面级压气机攻角，退出喘振。减少后面级压气机攻角，退出喘振。v放气防喘的不利放气防喘的不利v将将1525的压缩空气放掉没有利用；的压缩空气放掉没有利用；v仅适用于增压比仅适用于增压比10以下的多级轴流压气机。以下的多级轴流压气机。v低换算转速情况低换算转速情况v多级压气机的不稳定工作特点是多级压气机的不稳定工作特点是“前喘后堵前喘后堵”，采，采用用“中间级中间级”放气，可增大前面级流量，
26、解除后面级放气，可增大前面级流量，解除后面级的堵塞状态。的堵塞状态。2024/8/1947（c）旋转导叶（可调静叶） 将导向叶片制作成可以按照叶片本身的一条轴线旋转，从而使叶片的安装角得以改变的方法。2024/8/1948（c）旋转导叶 在低转速时，前几级出现过大的正冲角，如果减小导叶的安装角，使动叶栅进口的绝对速度流入角得以减小，那么就可以消除偏离设计值的正冲角，从而扩大了压气机的稳定工作范围。2024/8/1949（c）旋转导叶 相对放气而言，它无放气损失。此外，当叶栅的流入角改变时，流出角的变化一般不大，所以导叶旋转后动叶栅的扭速将减小，即该级的耗功和压比都减小，特性线上的等速线将移向低
27、压比、小流量处。 高压比的压气机其前面数级往往采用跨声速级，不仅在启动时且在较大的功率范围内，扩大压气机的稳定范围都是很重要的问题。这时不仅进口需要导叶可调，且前几级静叶亦要求可调。2024/8/1950（c）可调进口导流叶片和静子叶片 2024/8/1951可调进口导流叶片和静子叶片的优点n不仅可以达到防喘目的，而且非设计点效率高；n改善发动机的加速性；n适用于高增压比发动机。v可调导流、静子叶片的发展可调导流、静子叶片的发展v可变弯度叶栅。可变弯度叶栅。2024/8/1952（d）合理选择压气机运行工况点 那么满负荷工况时就不会发生喘振 如能使机组在满负荷工况下运行点离压气机有一定安全裕量
28、：2024/8/1953（e）双转子发动机 2024/8/1954n双转子压气机的工作原理压气机的情况压气机的情况n在低换算转速下工作时，压气机的前面级正攻角增大而后面级攻角减小，可能出现“前喘后堵”“前重后轻”；n在高换算转速下，表现为“前堵后喘” “前轻后重” 。涡轮的情况涡轮的情况v在低换算转速下，后面级涡轮作功能力急剧下降（或在低换算转速下，后面级涡轮作功能力急剧下降（或明显下降），而前面级涡轮作功能力无明显下降。明显下降），而前面级涡轮作功能力无明显下降。v在高换算转速下，后面级涡轮作功能力明显上升，前在高换算转速下，后面级涡轮作功能力明显上升，前面级面级v涡轮作功能力变化不明显。涡
29、轮作功能力变化不明显。 双转子发动机的优点双转子发动机的优点v可以在宽广的范围内工作仍保持较高的压气机效率；可以在宽广的范围内工作仍保持较高的压气机效率；自动防喘；容易起动等。自动防喘；容易起动等。2024/8/1955 对单转子压气机而言，低转速时，前几级冲角太大，易于喘振，且使加功量增加；后几级为负冲角太太，易于产生堵塞，使耗功减少。因此，前几级加功与后几级加功的比值与设计转速时相比就要增加，相当于前几级负荷加重而后几级负荷减轻。 分轴压气机可在宽广的工况下工作，效率较高，不易喘振，并具有容易启动等优点，使它获得了广泛的应用。显然，它的缺点是结构复杂，给制造带来困难。2024/8/1956
30、通常，当压气机的设计压比不超过通常，当压气机的设计压比不超过4 45 5时，因工况时，因工况偏离设计工况不大，不采取防喘振措施各级还能协偏离设计工况不大，不采取防喘振措施各级还能协调地工作。当设计压比达到调地工作。当设计压比达到6 67 7时，如不采用中间时，如不采用中间放气或转动导叶等防喘振措施，则难以避免喘振。放气或转动导叶等防喘振措施，则难以避免喘振。当压比高达当压比高达10101212时，就需要在好几个截面上放气，时，就需要在好几个截面上放气，并且同时旋转好几级静叶，否则压气机在低转速工并且同时旋转好几级静叶，否则压气机在低转速工况下很难正常工作。况下很难正常工作。2024/8/1957END2024/8/1958
