组合压气机退喘异常分析与排故

张燎源

(中国航空动力机械研究所，湖南 株洲412002)

1 引言

压气机出现失速/喘振等不稳定现象时，会产生很大的气流激振力[1]，必须尽快退出，否则会出现叶片断裂、轴承损坏、转子断裂等严重事故。在试车台上录取压气机特性线时，需要确定失速/喘振点的位置，不可避免地要求压气机进入失速/喘振工况，如果出现退喘或退出失速不及时的现象，就要认真分析原因，找出解决问题的办法。下面，笔者介绍某组合压气机试验中出现的退喘异常现象的分析、排故过程，以期为今后排除类似故障现象提供参考。

2 压气机退喘异常现象介绍

试验在中国航空动力机械研究所压气机试验器（其示意图见图1）上进行。压气机退喘采用从排气转接管分出旁路放气管的方法，在压气机喘振瞬间打开旁路放气管出口的封气堵盖，使试验器排气面积瞬间增大，流通能力瞬间增强，从而使压气机快速退喘。旁路放气管出口封严堵盖的打开和关闭由气缸控制。此试验器在以前做过多种型号的压气机试验，但从未出现退喘异常的情况。

此次试验的组合压气机结构形式为4级轴流压气机加1级离心压气机，进口装有可调角度导流叶片，1、2级静叶角度也可调。压气机动态压力通过LDS Nicolet数据采集系统进行采集和实时显示， 最大采样速率为100 kS/s/ch，通道可扩展。试验时，一般取压气机进口外壁面静压1点、出口总压1点及设备流量管壁面静压1点共3点接到LDS系统。

3 退喘异常分析与排故

出现压气机退喘异常现象后，试验人员首先怀疑旁路放气管封严堵盖是否及时打开。为了验证这一情况，试验人员把气缸两端的充气管压力接入数采系统，以便监控气缸是否及时动作。采取以上措施后，重新录取了的特性线。在录取=0.7～0.9的特性线时，退喘正常，压气机在3 s内就退出了喘振。数采系统中录取的的逼喘数据显示，压气机进入喘振后不到0.6 s气缸就开始动作，而旁路放气管封严堵盖完全打开的时间大概持续0.6 s(见图4，图中Pvalve代表气缸一端的充气管压力)，压气机喘振大概持续了1 s，这一时间与旁路阀门打开时间比较吻合。但在录取的特性线时，退喘又出现了异常。动态压力曲线显示，压气机从进入喘振到恢复正常状态，持续时间超过了10 s。从数采系统中的逼喘数据看，在压气机进入喘振状态后不到1.5 s气缸就开始动作，旁路放气管封严堵盖完全打开的时间大概持续了1 s(见图5)，按常理压气机应该在3 s内退出喘振。这说明，压气机不能及时退出喘振不是气缸的问题。

从动态压力曲线分析可知，压气机进入喘振后，首先表现为气流脉动强度较大、频率较低；当旁路放气管封严堵盖打开后，气流脉动强度大幅降低，频率增加，但仍然没有退出喘振。初步分析认为，在压气机进入喘振后，即使在打开旁路放气管封严堵盖后，试验器排气管路总的流通能力仍不能满足压气机恢复稳定工作的需求。从图6中看，压气机要退出喘振恢复到稳定工作状态，排气管路流通面积必须大于或等于退喘临界点所要求的排气管路流通面积。另外，在关闭排气阀逼喘时，由于是手动操作，阀门关闭面积时大时小，如果关闭的面积稍大，那么压气机退喘时的排气面积也要大一些。因此，加大旁路放气管出口的流通面积应该是解决问题的最好办法。快速退喘时，由于旁路放气管出口流通面积猛然开得太大会造成试验件超转、轴向力超限，酿成安全事故，故只能逐渐加大旁路放气管出口的流通面积。

将旁路放气管出口的流通面积由原来的φ24加大至φ30后，又录取了的特性线。在录取以下等转速特性线时，压气机退喘正常；在录取的特性线时，压气机再次出现退喘异常的情况。但当旁路放气管出口进一步加大至φ36时，在录取的特性线过程中，再也没出现退喘异常情况。

分析认为，压气机在低状态下不会出现退喘异常的原因为：压气机在低状态下的流量较小，增压能力有限，当压气机发生喘振时，出口的堵塞效应不是很突出，此时旁路放气管出口的流通面积足以解除压气机出口气流堵塞状态，只要快速打开旁路放气管出口的封严堵盖，就可以使压气机及时退喘。

4 结束语

从本文某组合压气机退喘异常的分析及排故过程可以看出，对于不同的压气机，退喘时要求的旁路放气管的流通面积是不一样的，这与压气机的退喘临界点流量有关，最简便的解决办法是针对每种压气机从试验器旁路放气管上开合适尺寸的放气口。压气机在低转速没有出现退喘异常情况，这与压气机在低转速时的流量小、增压能力低有关。

另外，在试验中还发现，该组合压气机接近喘振时没有出现失速波形，进入喘振后出现频率为0.7～1.2 Hz的喘振压力波形，且进出口气流的压力脉动频率相等，进口气流开始脉动的时间略为超前，据此可初步推断喘振始发于前面级，与文献[2]的比较相似。

本研究对今后排除压气机不能及时退出不稳定工况故障具有一定的借鉴意义。

[1]汤国才，张惠民.关于压气机喘振判据可应用性的数值试验[R].南京：南京航空学院，1984.

[2]夏 联，顾 杨，崔 健，等.多级轴流压气机不同工况下失速/喘振试验研究[J].燃气涡轮试验与研究，2001，14(3)：16—23.