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喘振是发动机的一种不正常的工作状态,是由压气机内的空气流量和压气机转速偏离设计状态过多而引发的。喘振是发动机的致命故障,严重时可能导致空中停车甚至发动机致命损坏。衡量发动机喘振性能的指标叫"喘振裕度",就是说发动机的进口流量变化多少会引发喘振,这个值一般都要求达到15％甚至20%以上。
早期的轴流式压气机多数为单转子轴流式压气机,即各级压气机是安装在同一根传动轴上、由同一个涡轮驱动并以相同转速工作的。这种压气机结构比较简单,但是当单转子的发动机在工作中转数突然下降时(比如猛收小油门),气流的容积流量过大而形成堵塞,从而导致前面各级(低压压气机)叶片处于小流量大攻角的工作状态。这时,就像飞机在大攻角飞行时出现失速一样,气流从压气机叶片后部开始分离,这种分离严重到一定程度,就会出现喘振。在单转子轴流式压气机中,为了降低低压部分在这种情况下的攻角,只好在压气机前加装可调导流叶片以降低气流攻角,或者在压气机的中间级上进行放气,即空放掉一部分已经增压的空气来减少压气机低压部分的攻角。
为了提高压气机的工作效率并增加发动机喘振裕度,人们想到了用双转子来解决问题。即让发动机的低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下,这样低压压气机与低压涡轮联动形成低压转子,高压压气机与高压涡轮联动形成高压转子。由于低压压气机和高压压气机分别装在两个同心的传动轴上,当压气机的空气流量与转速前后矛盾时,它们就可以自动调节。推迟了前面各级叶片上的气流分离,从而增加了喘振裕度。
然而双转子结构的发动机也并不是完美的。在双转子结构的涡扇发动机上,由于风扇通常和低压压气机联动,风扇为迁就压气机而必须在高转数下运行,高转数带来的巨大离心力就要求风扇的叶片长度不能太长,涵道比自然也上不去,而涵道比越高的发动机越省油。低压压气机为了迁就风扇也不得不降低转数和单级增压比,单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。这样压气机的重量就难下降。为了解决压气机和风扇转数上的矛盾,人们很自然的想到了三转子结构,所谓三转子就是在双转子发动机上又了多了一级风扇转子。这样风扇、低压压气机和高压压气机都自成一个转子,各自都有各自的转速。因此,设计师们就可以相对自由地设计发动机风扇转速、风扇直径以及涵道比。而低压压气机的转速也可以不受风扇的掣肘。但和双转子发动机相比,三转子结构发动机的结构进一步变得复杂。三转子发动机有三个相互套在一起的共轴转子,支撑结构更加复杂,轴承的润滑也更困难。三转子发动机比双转子发动机多了很多工程上的难题,可是英国的罗·罗公司还是对他情有独钟,罗·罗公司的RB-211润扇发动机上用的就是三转子结构。转子数量的增加换来了风扇、压气机、涡轮的优化。三转子的RB-211与同一技术时期推力同级的波音747用双转子JT9D涡扇发动机相比:JT9D的风扇叶片有46片,而RB-211只有33片;压气机、涡轮的总级数JT9D有22级,而RB-211只有19级;压气机叶片JT9D有1486片,RB-21l只有826片;涡轮转子叶片RB211是522片,而JT9D多达708片;但从支撑轴承上看,RB-211有八个轴承支承点,而JT9D只有四个。
为了千方百计地提高压气机的喘振裕度,除采用双转子压气机外,中间级放气以及机匣处理等措施已逐渐被广泛运用。在很多现代化的发动机上人们都保留放气活门以备不时之需。比如在JT9D涡扇发动机上,普·惠公司就分别在高、低压压气机中的第4、9、15级上保留了三个放气活门。我们的"昆仑"发动机也采用了机匣处理措施。
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发表于 2010-9-1 07:55:15
