23:06:09
18
四类非设计工况分析之二
1 c za z n const c1a
•（二），在设计转速，工作 点位于红点处。此时流量小于 设计值，压比大于设计压比。 第一级流量系数小于设计值， 由于各级压比大于设计值，导 致后面级流量系数加速变小， 此时容易出现喘振。
23:06:09
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。
23:06:09
40
喘振的主要特征
① ② ③ ④ ⑤ 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动； 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。 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。 ⑥ 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。
23:06:09
14
2.多级轴流压气机在非设计工况下级间的不协调性
末 级 第 一 级 第 二 级
G A 1c1a A2 2 c2 a A3 3c3a＝ Az z cza 1
• 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； • 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。
23:06:09
21
4压气机的通用特性

什么是“特性曲线”？ 为什么要使用通用特性 曲线？
23:06:09
22
u nD / 60 nD nD Mu ( ) a kRT T0* 60 kR T0* cz G / A (G / A) RT Mcz 2 * a D P0 kRT P kRT a:声速
23:06:09
5
（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。
23:06:09
6
（3）随着压气机转速的 升高，流量特性线变得 陡直。
23:06:09
7
（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Gv是不 同的。
23:06:09
26
失速裕度的定义
压比 s d
流量稳定裕度 增压比稳定裕度 综合稳定裕度的定义
s / Gs S .M . 1 100% d / Gd
பைடு நூலகம்
流量
一般情况，在设计转速下，压气机失速裕度应 为20%以上
27
23:06:09
不稳定工况的分类
3
23:06:09
1.单级压气机特性曲线 的变化规律分析
设计点工况
大流量工况
小流量工况
23:06:09
4
2. 单级轴流式压气机的流量特性
（1）随着压气机流量Gv的 减少，πC＊起初升高，然后 下降。每条特性线的高压比 点将特性线分成左、右两支。 右支对应随Gv减少时压比增 加的情况，左支则对应随Gv 减少时压比下降的情况。
23:06:09
30
旋转失速现象的经典解释
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 为低的速度，和压气机旋转方向相同作旋转运动。
23:06:09
37
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 下游的高压气体会产生倒流 叶片作用
堵塞压气机通道
正向压力梯度消失
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
23:06:09
反复
38
喘振
23:06:09
39
喘振发生的位置
23:06:09
8
3.单级压气机的实验特性曲线

亚声速压气机
超跨声速压气机
23:06:09
9
二、多级轴流压气机特性
1.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Δu 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
23:06:09 10
扭速 wu 的限制
• Lu ucu uwu ，增大扭速可以增大基元级的加功量。 wu 增加导致：
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。
23:06:09 29
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 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 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。 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 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。
23:06:09 17
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，流向动叶片的气流相 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 很快达到局部声速而“阻塞”。
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 都会引起压升比很大的变化。
23:06:09
20
四类非设计工况分析之四
1 c za z n const c1a
•（四），在超转的情况下，工 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。第一级流量系数大于设计 值，由于各级压比大于设计值， 导致后面级流量系数加速变小。 此时容易出现前堵后喘的情况。
w1

w u
w2

c1
c1a
c2

1. 2 1增大； 2. W2减小，逆压梯度增大；

c1u
u2
cu
u1
(b) 亚声速基元级
3. 流动分离，动叶加功能力、效率 和流量下降。
23:06:09
11
•超、跨声速基元级，扭速 wu 是靠强烈的激波系获得。 •如果激波强度过大，激波本身 的总压损失和激波－－附面层 干涉损失严重，使得动叶的效 率急剧下降。
压气机非稳定工况可以分为两大类。 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 介绍。 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。
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。
（1）压气机折合流量 （2）压气机折合转速 （3）压气机增压比为 （4）绝热效率
23:06:09 23
G T0*

以换算（折合）参数表示的轴流压气机的通用特性
n T0
G T0
p0

ncor 288 .16

Gcor 288 .16 101325
则折合流量和折合转速分别为
ncor n 288 .16 T0

23:06:09 31
失速的不同类型 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 可以发展为突变型失速。
第三部分 第一章 压气机
第二节 压气机的特性曲线 第三节 压气机的喘振及防喘措施
23:06:09 1
一、单级轴流压气机特性 二、多级轴流压气机特性 三、压气机的不稳定工况与扩稳
23:06:09
2
一、单级轴流压气机特性 在一般的情况下，压气机的工作状 况是由进口压力Pa*、进气温度、转速n和流 量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，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 性。用曲线表示这些参数之间的关系称为特 性曲线。
23:06:09
28
1.旋转失速
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。
1 c za z n const c1a
c za＝
c za
uz
23:06:09
16
3.四类非设计工况分析之一
1 c za z n const c1a
•（一），在设计转速，工作 点位于红点处。此时流量大于 设计值，压比小于设计压比。 第一级流量系数大于设计值， 由于各级压比小于设计值，导 致后面级流量系数加速放大， 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 的原因。
23:06:09 15
G A 1c1a A2 2 c2 a Az z cza 1
p

n
const
1 n
z pz 1 p1