飞机发动机防喘振课题论文

长沙航空职业技术学院

2011届毕业设计（论文）

怎样发动机防止喘振

姓 名 ： 系 别 ： 航空装备维修工程系

专 业 ： 飞机发动机

班 级 ： 发动机0903班

学 号 ： 34号

指导教师 ： 周竑

长沙航空职业技术学院

飞机发动机防喘振课题论文

2012年03月13日

目录

内容摘要..............................................................................7

关键词................................................................................7

前言...............................................................................8

一 喘振的定义

1.1压气机工作原理.........................................................................9

1.1.1基元级速度三角形………………………………………...9

1.1.2增压原理………………………………………………….10

1.2喘振的定义...............................................................................11

1.3喘振的表现及危害...................................................................12

1.4事故案例...................................................................................12

二 造成发动机喘振的原因

2.1气流分离...................................................................................13

2.2叶片槽道的扩压性...................................................................15

2.3旋转失速..................................................................................15

2.3.1旋转失速的定义..................................................................15

2.3.2低速气流区的生成..............................................................16

2.3.3旋转失速分类......................................................................16

2.3.4旋转失速的主要特征..........................................................16

2.3.5旋转失速的影响..................................................................16

2.3.6旋转失速与喘振的关系......................................................16

3.2通过设计喘振控制系统来防止喘振的发生...........................17

3.2.1压气机中间级放气............................................................17

3.2.2可旋转导向叶片................................................................18

3.2.3控制供油规律....................................................................20

3.3正确操作, 精心维护发动机...................................................20

3.4 战斗机发射武器时发动机喘振采取的措施..........................20

3.5 飞行过程中发动机喘振采取的措施......................................21

飞机发动机防喘振课题论文

3.5.1 副油路节流嘴直径（压降）对主调节器的影响……22

3.5.2 升压限制器投入工作点对防喘切油的影响………...22

3.5.3 定压源不稳定对防喘切油过程的影响……………...22

3.5.4 副油路节流嘴直径改变对主油路节流嘴影响……...22

3.5.5 层板节流器流量对防喘切油的影响………………...22

四 总结……………………………………………………………....23

五 致谢...............................................................................................24

六 参考文献......................................................................................24

毕业论文（设计）任务书

飞机发动机防喘振课题论文

学生姓名 黄驰 学号 200900153034

专 业 飞机及发动机维修 指导教师姓名 周竑 指导教师单位 长沙航空职业技术学院 一、 论文(设计)题目：怎样防止飞机发动机喘振

二、论文（设计）要求：常见故障、故障产生的原因、排除故障的

措施。

三、论文（设计）的主要内容：飞机发动机喘振是指喷气发动机压气机的

喘振。压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的振荡现象。

这种低频率高振幅的气流振荡是一种很大的激振力来源，它会导致发动机机件

的强烈机械振动和热端超温，并在很短的时间内造成机件的严重损坏，所以在

任何状态下都不允许压气机进入喘振区工作。

喘振时的现象是：发动机的声音由尖哨转变为低沉；发动机的振动加大；

压气机出口总压和流量大幅度的波动；转速不稳定，推力突然下降并且有大幅

度的波动；发动机的排气温度升高，造成超温；严重时会发生放炮，气流中断

而发生熄火停车。因此，一旦发生上述现象必须立即采取措施，使压气机退出

喘振工作状态。

喘振的根本原因：由于攻角过大，使气流在叶背处发生分离而且这种气流

分离严重扩展至整个叶栅通道。

喘振的机理过程是：空气流量下降，气流攻角增加，当流量减少到一定程

度时 ,流入动叶的气流攻角大于设计值，于是在动叶叶背出现气流分离，流量

下降越多，分离区扩展越大，当分离区扩展到整个压气机叶栅通道肘，压气机

叶栅完全失去扩压能力，这时，动叶再也没有能力将气流压向后方，克服后面

较强的反压，于是，流量急剧下降，不仅如此，由于动叶叶栅失去扩压能力，

后面高压气体还可能通过分离的叶栅通道倒流至压气机的前方，或由于叶栅通

道堵塞，气流瞬时中断，倒流的结果，使压气机后面的反压降得很低，整个压

气机流路在这一瞬间就变得“很通畅”, 而且由于压气机仍保持原来的转速，于是

瞬时大量气流被重新吸入压气机，压气机恢复“正常”流动和工作，流入动叶的气

飞机发动机防喘振课题论文

流由负攻角很快增加到设计值，压气机后面也建立起了高压气流，这是喘振过

程中气流重新吸入状态。然而，由于发生喘振的流动条件并没有改变，因此，

随着压气机后面反压的不断升高，压气机流量又开始减小，直到分离区扩展至

整个叶栅通道，叶栅再次失去扩压能力，压气机后面的高压气体再次向前倒流

或瞬时中断, 如此周而复始地进行下去。

压气机喘振发生的条件 :

(1) 发动机转速减小而偏离设计值

大气温度升高，飞行高度下降，飞行马赫数增大，三者对压气机工作的影

响是相同的，都是 使压气机进口处空气的总温升高。总温升高，使空气难以压

缩，压气机增压比小于设计值，与前述相仿，前几级流量减小，所以流量系数

变小，攻角变大，气流在叶背处分离；到某一中间级，轴向速度下降的程度与

切向速度下降的程度相同，流量系数正好等于设计值，工作叶轮进口处气流的

相对速度 的方向不变，攻角不变，到后面几级，轴向速度下降的程度小于切

向速度下降的程度，流量系数变大，攻角减小为负值，气流在叶盆处发生分离。

（2）压气机进口总温度高

大气温度升高，飞行高度下降，飞行马赫数增大，三者对压气机工作的影

响是相同的，都是使压气机进口处空气的总温升高。总温升高，使空气难以压

缩，压气机增压比小于设计值，与前述相仿，前几级流量减小，所以流量系数

变小，攻角变大，气流在叶背处分离；到某一中间级，轴向速度下降的程度与

切向速度下降的程度相同，流量系数正好等于设计值，工作叶轮进口处气流的

相对速度 的方向不变，攻角不变，到后面几级，轴向速度下降的程度小于切

向速度下降的程度，流量系数变大，攻角减小为负值，气流在叶盆处发生分离。

(3) 发动机空气流量骤然减少

发动机空气流量骤然减少，使压气机前几级的空气轴向速度减小，流量系

数变小,攻角变大，气流在叶背处分离而发生喘振。

造成发动机空气流量骤然减少的情况有 :

发动机从慢车状态加速时，推油门过猛过快，使供油量增加过快，过多，

涡轮前燃气总温突然升高，涡轮的流通能力减少而发生堵塞，造成压气机的空

气流量减少，使流量系数变小，攻角变大，气流在叶背处分离而发生喘振。

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着陆滑跑速度很低时仍使用反推；喷出的燃气又被吸入发动机，使进口温

度骤然升高，空气流量减少，而发生喘振。

飞行中，拉杆过猛，使发动机进口与气流之间的夹角突然改变过大，造成

进气道内流场畸变，而引起喘振。

(4) 发动机损伤和翻修质量差。

防喘措施：

（1）压气机中间级放气

（2）可调导向器叶片和整流叶片

(3) 双转子或三转子等等

四、主要参考资料：

1) http:///z/q170975153.htm

2) http:///p-18060751957.html

3) 机务在线

4) http:///

5) http:///

指导教师（签名）＿

＿＿＿＿＿

部门负责人（签 名）＿＿＿＿＿＿

（校外设计请加盖单位公章）

年 月 日

怎样防止飞机发动机喘振

内容摘要：发动机是飞机的心脏，发动机的正常运转保证了飞机的安

全.发动机的喘振是发动机的所有故障中最有危害性的一个.现就从

喘振的形成，发生的条件，预防措施及使用维护中注意的事项做以

飞机发动机防喘振课题论文

浅析。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

的震荡现象。这种低频率高振幅的气流振荡是一种很大的激振力来

源，他会导致发动机机件的强烈机械振动和热端超温，并在很短的

时间内造成机件的严重损坏，所以在任何状态下都不允许压气机进

入喘振区工作．喘振时的现象是；发动机的声音由尖哨转变为低沉；

发动机的振动加大；压气机出口总压和流量大幅度的波动；转速不

稳定，推力突然下降并且有大幅度的波动；发动机的排气温度升高，

造成超温；严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。因此，

一旦发生上述现象，必须立即采取措施，使压气机退出喘振工作状

态。

关键词：飞机发动机；压气机喘振；预防措施；超温；熄火停车

前言

近几十年来, 随着航空事业的发展, 飞行器的安全性和可靠性

越来越引起人们的重视, 特别是民用客机,一旦发生故障,轻则影响

飞机的性能,重则机毁人亡,后果不堪设想。

航空发动机是飞机的心脏, 而发动机的喘振问题一直制约着涡

轮发动机的发展, 影响发动机的性能,同时发动机的喘振是发动机

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的所有故障中最有危害性的一个，是对民用客机安全以及整个航空

事业发展的巨大威胁。

民用客机要求安全、可靠、经济。安全是民用飞机设计首要考

虑的问题。要达到安全的目的,必须符合最基本的适航性要求, 即:

要求航空器包括部件及子系统整体性能和操纵特性在预期运行环境

和使用限制下具有安全性和物理完整性品质。这种品质要求航空器

应始终处于符合其型号设计和安全运行状态。

本篇文章从产品设计、修理工艺和维护使用三方面进行分析，

使我们更能清楚的了解飞机发动机喘振的形成,发生的条件,预防措

施及使用维护中注意的事项。

一 、喘振的认识

1.1压气机工作原理

1.1.1基元级速度三角形

轴流压气机有多级组成，每级由一圈转和静子级成 如果我们用某直

径的圆柱面取压气机的一个级，并展为平面，即得一个两排平面叶

栅组成的基元级 基元级是构气机的基本元素当气流经过动叶栅（转

子），在它的前后两个速度三角，如图a

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V 表示绝对速度， w 为相对速度， u 为转缘速度

由于轴流压气机级的增压比小，且在级前后流程通道尺寸径向尺寸

逐渐缩小，所假定在级的进出口的轴向分速不变，即V2a=V3a 如再

假定V1 V3 方向一致 就可叶轮前后的两个速度三角形画在一起。

1.1.2增压原理

从速度三角形看，气流经过动叶栅，相对速度从 W1 降为 W2，

绝对速度从 V1 升到 V2，叶轮轮缘功

叶轮轮缘功上式右边第一项为气流经过转子所获动能，第二项表示

气流经过转子有多少相对动能转化为气体静压的提高，由于转子叶

片对气流做功增加气流速度，根据气动原理，它的冲压也增加，但

这些增加量还比不上扩压的影响，如图，当气流流过转子叶片时，

叶片剖面形状决定了通道是扩散的 根据伯努力原理，气流的静压增

强。当流过静子叶片时，动能没增加，气流速度冲压会下降，其下

降数量是前一级转子中所增加的值，由于静子叶片形成通道也是扩

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散的，它的静压也增加，这样气流通过每一基元级时速度几乎不变，

而压力（冲压和静压的总和）增加了，气流通过整个压气机时达到

了压力增大的设计目的。

压气机能增加气流压力，主要是压气机涡轮输入的能量，而每

个转子或静子与气流之间都要有一定攻角，这样就在每个叶片上下

表面形成不同的压力区，如下图

而这样排列又使相邻两个级的压力区相互影响，我们称它

为瀑布效应，正是这种效应使气流进入压气机象进入泵中一样，

气流在第一级转子高压区被压入第一级静子低压区以此方式气

流流过整个压气机

1.2喘振的定义

压气机喘振是指气流沿压气机轴线方向发生的低频率（通常有

几赫或十几赫）、高振幅(强烈的压强和流量波动)的气流振荡现象。

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我们在研究压气机特性线时已经指出：在压气机特性线当的左

侧，有条喘振边界线。假如流经压气的空气流量减小到一定程度，

而使运行工况进入到喘振边界线的左侧，那么，整台压气机就不能

稳定工作。那时，空流量就会出现波动，忽大忽小；压力出现脉动，

时高时低；到严重时，甚至会出现气流从压气的进口处倒流出来的

现象；同时还会伴随着低频的怒吼声响；这时还会使机组产生强烈

地振动。这种现象通常称为喘振现象。在机组的实际运行中，我们

决不能容许压气机在进入喘振状况。

以上图片是发动机压气机特性曲线

1.3喘振的表现及危害

喘振时的现象是；发动机的声音由尖哨转变为低沉；发动机的

振动加大；压气机出口总压和流量大幅度的波动；转速不稳定，推

力突然下降并且有大幅度的波动；发动机的排气温度升高，造成超

温；严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。因此，一旦发

生上述现象，必须立即采取措施，使压气机退出喘振工作状态。

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1.4案例

① 2007年12月18日下午3点过，一架空中客车客机在飞行

中引擎发生故障，5辆消防车3辆救护车在广州白云国际机场等候

该客机降落。3点45分，飞机安全在原定地点降落。这架杭州飞往

广州的航班，航班号为CZ3804，正常情况下，航班下午1点20分

从杭州起飞，3点在广州降落。

18日下午3点35分，广州白云国际机场工作人员黄先生告诉

记者，CZ3804在广州白云国际机场上空盘旋，而机场上有5辆消防

车、3辆救护车在等候飞机降落。机场工作人员周先生也对此作了证

实。周先生说，飞机左发动机出现故障，不能正常降落。

下午3点45分左右，这架空客320飞机，在地面人群关注下，

安全降落在广州白云国际机场。飞机上数十名乘客走出机舱，面色

平静。随后，消防车和救护车离开现场。

18日下午4点25分，记者赶到广州白云国际机场时，远远看

到一辆拖车，将这辆航班号为CZ3804的飞机拖走。拖行过程中，

飞机没有亮灯，飞机被拖到广州白云国际机场维修处后，发动机被

取了下来，用货车运走。

据该航空公司广州分公司宣传部一负责人说，这架飞机在飞行

过程中出现了“机器疲劳”，发生“喘振”现象。据其介绍，“喘振”现象

全国民航每年大约发生60次。此次事件中，飞机降落到预定地点，

为避免给飞机上的乘客造成恐慌，事先并未知会乘客。该负责人表

示，机场方面之所以派出消防车和救护车，是启动了应急预案，是

机场方面对此的重视，并不是说飞机遭遇了太大的危险。该负责人

还解释说，“喘振”发生后，飞机发动机会停止工作，而另外一台发动

机将继续工作150分钟，不影响飞机航行。

②2010年9月新加坡媒体日前报道称，9月17日原定从狮城飞

往上海的东航MU568次航班，起飞后5分钟引擎着火，飞机因此被

迫折返，机上229名乘客“空中惊魂，死里逃生”。东航方面昨天

就此接受本报记者采访时回应，该班机并未发生起火现象，只是飞

机左发动机“喘振”，机组为确保安全而决定返航。目前东航上海

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总部派的工程师已抵达新加坡检查排除故障。

东航发言人回应，该次航班于17日下午新加坡当地时间16:35

起飞，起飞后不久，飞机左发动机喘振（发动机内部气流出现瞬态

异常），2秒后发动机恢复正常，未发生起火现象。为确保安全，机

组决定返航，飞机安全降落。东航对因此给旅客造成的不便表示歉

意，并在当天对旅客进行了妥善安排。据称，机上没有乘客受伤，

受影响的229名乘客，每人都获得了超过500元的食宿补偿。

二、 造成发动机喘振的原因

2.1气流分离

航空发动机喘振现象究竟是怎样产生的呢？通常认为：喘振现

象的发生总是与压气机通流部分中出现了严重的气流脱离现象有密

切关系。

当压气机在偏离设计工况的条件下运行时，在压气机工作叶栅

的进口处，必然会出现气流的正冲角或负冲角 。当这种冲角增大到

某种程度时，粘附在叶型表面上的气流附面层在逆流动方向的的压

力梯度下就会出现局部逆流区，形成涡流，造成附面层的分离，以

致发生气流的脱离现象。

流量变化时，在叶栅的流道中出现的气流脱离现象。下面引入

流量系数这一概念, 用速度三角形对喘振发生的原因和过程做具体

分析。相对于压气机叶轮进口而论, 气流是否发生分离要看相对速

度的方向如何。 而此相对速度的方向则与气流轴向分速度与叶轮圆

周速度的大小有关,取决于轴向分速度与圆周速度的比值。 这个比

值,称为流量系数用符号*Ca表示,即: *Ca =Ca/u。

式中Ca ——气的轴向分速度,对某一压气机它可代表空气容积

流量的大小; u ——气机叶轮圆周速度。

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以下分析压气机处于各种不同工作状态下,叶轮上发生气流分

离的情况。 如图1 画出了气流流入一级压气机工作叶轮在设计工作

状态和非设计工作状态下的速度三角形,其中 C①a ——空气的轴

向分速度; C①——空气的绝对速度，u——压气机叶轮的圆周速度;w

①—压气机叶轮的相对速度; i —冲角。

压气机在设计工作状态下工作时:

*C①a = *C①a 设,这时气流相对速度方向与叶轮的叶片前缘方

向基本一致,不会出现气流分离现象,如图1( b)。

当压气机处于非设计工作状态时, 空气的流动情况就不同了:

*C① a > *C①a 设,此时相对气流的方向偏离了叶片前缘的方

向。 所偏离的角度 i ,叫做冲角。 这时,气流将冲向叶片凸面(背

面) ,形成负冲角( i < 0)。 如果负冲角较大, 则在叶片的凹面将

出现涡流, 发生气流分离现象,如图1( c)。 不过由于空气具有惯性,

当它流过弯曲的叶片通道时,总有压向叶片凹面的趋势, 这就有利

于减弱和消除气流分离现象,即使发生分离, 其涡流区也不易扩大。

此时,仅引起压气机效率降低,而不会引起喘振。

*C①a < *C①a,此时相对气流将冲向叶片的凹面,形成正冲角

( i > 0)。 如果正冲角较大,在叶片凸面就会发生气流分离现象。 由

于空气的惯性作用, 本来就有脱离凸面流动的趋势,所以气流容易

分离,而且涡流区容易迅速扩大。 当涡流区发展到把大部分甚至全

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部叶片通道堵塞时, 前面的空气就流不进来, 气流暂时中断。但由

于叶轮的不停转动, 压气机内的空气将被叶轮推动而继续向后流动,

涡流区也就随之向后移动, 空气便又继续流入叶轮。 此后,由于该

处的空气流量系数仍小于设计值,因而又重复了上述的分离现象。

这样压气机的工作过程中, 便出现了流动、 分离、 中断而后再流

动, 再分离、 再中断的周而复始的脉动现象,压气机内的空气流量

时断时续,空气压力忽大忽小,压气机的工作极不稳定, 进而使整个

涡轮发动机进入喘振状态。 如图1—(a)

经过以上分析, 可以得出以下结论: 当流量系数大于或小于设

计值时,在涡轮发动机压气机进口处会产生气流分离现象。 但是流

量系数过大所形成的涡流区不会继续扩大, 而流量系数过小时所形

成的涡流区则会继续扩大,从而在叶轮旋转的作用下,产生强烈的分

离,引起喘振。

2.2叶片槽道的扩压性

从结构上讲压气机发生喘振的根本原因是叶片槽道的扩压性。

因为槽道具有正向压力梯度，因而使气流很容易在叶片吸力面发生

大范围附面层分离甚至倒流现象，从而导致该叶片发生失速、阻塞

叶片通道。

当失速叶片数量达到一定程度时整个压气机实际流通能力变

小，压气机后面高压气体在压力梯度作用下发生倒流现象；倒流现

象发生的同时也会消除前后存在的压力梯度，使得气流重新在叶片

作用下正向流动，这样前后压力梯度增加又使得后面级高压气体发

生回流从而带动更大范围内叶片发生失速，如此反复就造成了气流

的轴向振荡,这就形成了喘振。

2.3旋转失速

2.3.1旋转失速的定义：

一个或多个低速气流区以小于压气机转速的速度向压气机旋转

方向作旋转运动，这种非稳定工况被称为旋转失速或旋转分离。

2.3.2低速气流区的生成：

压气机在一定转速下运行时，由于某种原因而出现流量增大或

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减小，产生负冲角和正冲角，气流就会在叶背（吸力面）或叶盆（压

力面）处分离。

2.3.3旋转失速分类：

（1）旋转失速（或称渐进型旋转失速），其特点是随着流量的

下降，压气机性能是逐渐连续的下降；

（2）突跃式旋转失速，其特点是随着流量下降到一定程度时，

压气机性能会出现突然下降。

2.3.4旋转失速的主要特征：

气流脉动沿压气机周向变化和传播；

平稳型旋转失速时流过压气机的流量基本不变，突跃

式旋转失速时气流参数会突然下降；

旋转失速的流场是非轴对称的；

旋转失速时振动频率较高。

2.3.5旋转失速的影响：

旋转失速对压气机正常运行的严重影响表现在：使压气机的气

动性能明显恶化。

旋转失速会产生频率较高、强度大而危险的激振力，并可能导

致叶片共振断裂。

统计表明:旋转失速是使压气机叶片疲劳断裂的主要原因之

一。

2.3.6旋转失速与喘振的关系：

两者既有联系又有差异

旋转失速可以导致压气机喘振。

旋转失速引起的是气流的周向脉动，而喘振引起的气

流的轴向低频高幅振荡。

三 喘振的预防及应采取的措施

为保证涡轮发动机在所有瞬态和稳态工作条件下都不发生喘振,

就需要从改进发动机结构设计和设计防喘控制系统入手,使涡轮发

动机有较大的喘振裕度。

3.1通过改进发动机结构设计以预防喘振