航空发动机压气机结构和故障分析

胡文祺

摘要：航空发动机被称作飞机的“心脏”，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的动力。压气机是航空发动机很关键的结构之一，其作用是给燃烧室提供压缩后的高温、高压气体。风扇叶片是航空发动机的关键转动零件，承担着将空气输送到内、外涵道的重要作用。在高转速高气压的飞行状态下，压气机主要承受着气动载荷、离心载荷以及温度载荷，常常导致疲劳失效，一旦发生断裂直接危及其它部件的正常运转。为了保证在飞行过程中发动机稳定、可靠地运行，为了能够全面了解航空发动机，了解压气机的结构、知晓压气机的工作原理、懂得如何减少和排除压气机的故障。本文将系统地介绍航空发动机的类别、压气机的类别。简单结合军用和民用层面分析压气机结构和故障，浅析压气机发展趋势，进一步推动我国航空事业的发展。

关键词：航空发动机；压气机；结构分析；故障分析

1.现代航空发动机类型

1.1活塞型发动机

很早在飞机上被应用的航空引擎装置，是用来带动螺旋桨的。一台活塞式航空发动机功率可达2500千瓦。后来它被功率大、运行速高的涡轮引擎代替了。

1.2涡轮型发动机

该发动机应用最广。有涡喷式、涡扇式、螺旋桨式和涡轮轴式，都有带压气机、燃烧室及涡轮。涡桨型应用在飞行时速范围小于800千米的飞机上；涡轴式是用于直升机的驱动力；涡扇式应用在飞行速度快的航空器。

1.3冲压型发动机

它的机体构造简单、推动力强，非常适合在高速或者远的任何地方高空飞行。由于不能自动着陆和低速自行降落，限制了其主要应用领域，只广泛使用在导弹和空中发射靶导弹上。

1.4综述

火箭发动机的推进剂（包括氧化物和燃烧剂）全部都是由自己携带，燃料的消耗过多，不能够适合长时间的工作，一般只能用来作为运输火箭的引擎，在飞机上只能被应用于短时内加速。脉冲式用于低速目标靶机。由太阳能驱动的动力机只用于小型飞行器，目前正处在测试阶段。

2.压气机喘振故障分析

2.1压气机失速和随机振动

在用于航空喷气发动机的压气机上，除没有障碍物的振动尾流激振，还有由涡轮旋转或气流失速所致的激振。下图为失速发生的，图中的叶栅，某种原因可能导致位于A线处的内部气流攻角增加，因而可能导致位于A线处的内部气流被自动分离（失速）。由于对叶片气流的堵塞，使b处两个叶片攻角变大，这里的叶片气流进行分离，使叶栅a处的两个叶片攻角气流的分离现象逐渐消失，于是叶栅a处的叶片气流迅速地恢复正常，这样的连续运动，形成一个失速的运动区域不断向叶片最背部的一个方向加速运行。

上述情况可称之为旋转失速，它主要是发生于静子转动叶栅或者位于转子叶栅上。这种失速产生区域既甚至可一直延伸至整个叶片，又可仅仅在几个不同叶片的基部末端依次产生。旋转和转向失速的振动现象仅仅可能发生于涡轮空气增压器失速时驱动发动机最大转速运动状态:例如，由于发动机在45%~70%的最大驱动转速下，所以其失速引起的驱动叶片轻微振动仅仅只是很短一段时间，但它却很大可能不会直接导致驱动叶片的严重损坏。

另一种激振的类型被称为随机波的激振，这种随机波的激振主要是由于弦波具有一种广义的激振频率谱，也就是说在各种激振频率下均具随机激振力。而在特定的激振频率下则可能会直接引起叶片共振。这几个振动频率也同样是整个叶片的随机振动频率，随机振动激振也同样是不随时变的，因而整个叶片的随机振动也是随机振动改变的，称为随机振动。这种噪声振动疲劳现象我们可在应用实际中从一台发动机的各个叶片上直接进行观察分析得到，发动机的随机叶片激振疲劳来源主要是强大的随机噪声，因此，把这种强大噪声振动引起的随机叶片疲劳称为随机噪声疲劳。

其中的高速噪声干扰来源主要指的是传动叶片对于高速气流的噪音干扰。

2.2压气机喘振

2.2.1喘振发生的条件

引起发动机压气机喘振的条件主要有:

1、压气机的进口空气的流量骤然增加或减少；

2、涡轮转速低；

3、压气机进出口温度高；

4、异物打坏压气机；

5、发动机防喘机构的不协调或有卡阻发生；

6、不符台规定情况，进行外场试车；

7、发动机保养不当，致压气机通道被积污。

2.2.2压气机防喘系统

压气机的喘振问题是一个多级轴流型压气机执始至终都需要研究的问题。多级轴流式喘振有以下原因:一发动机处非设计运行状态下且正常工作时，压气机前的增压级与后面的增压级之间的流通性能不相适应，因而导致前喘后涡或前漩后喘的情况。要想有效地保证压气机的稳定运行，其中最重要的一点就是合理地控制空气流经压气机各层次的空气流量，使与空气流通相适应，从而保持空气流动的连续性。

放气输送带的传动机构主要部分包括放气输送带、放风排气孔、工作台传动筒及空气控制传动单元件等。

放气孔一般位于压气机中后部某个不同等级的机匣角度分布，用于把弹性固定型钢制的放入排气带将其紧紧束住。放气时胶带气机通过外力转动筒体来操控气机，放气时胶带松弛时的气机空气排出流量并可由放气孔自动排出，从而大大降低了气机进入压气机后面各个层级的空气流量，当放气时胶带松紧时就会自动停止。wp6、wp8发动机均可以采取此种方式对在紧急起动及低速高功耗状态下进行防喘的。

若放气带的束紧程度需经过细致地计算在偏松处就会产生泄漏，如果太久了，就很有可能导致放气带的折断。且在当其被用作双发飞机使用时，也需充分考虑到在单发起动中着陆时候的效果。放气窗放气机构是目前较大的涵道，相对于涡扇式发动机而言普遍使用的一种防喘方法，通常适合于在低压式发动机的进出口放气，以减小从其中输送到高压式发动机的空气。该机构主要由环型放气门窗、放气密闭封严环、工作动筒和控制单元等部分组成。而防止压气机喘振的一种措施就是在压气机的进口处采用带有可转导流风机的叶片或者带有变弯度风机的叶片。机匣处理是为了减少在叶尖部位产生的旋转和失速，然而试验时即放气量保持为零也需对在风扇与压气机转子外的电动机匣内进行一些的结构措施，这样才可使失速充裕度得到很大的改善。目前采取的结构防护措施主要有将物体从机内壁加工形成环梢、材料槽或者设置蜂窝式结构环。带有此类机械结构进行保护措施的机械手续箱被用来称为机匣，其用以进行机械处理。在WPl3发动机的第一级吹气转子是在叶片的外围进气部件和装在机匣内部的表面之间安装着、由两个吹气转子叶片组合而成的机械风力传动箱和压气箱，它也是一种重要的机械抗寒性喘气和保护措施。所谓的单转子主轴压气机或双转子主轴压气机就是由两个或三个不同转子主轴连接而组成的各个不同转子的传动主轴。内轴上的转速最小，而相应的单缸压气机就在最前面的另一端，这叫做单缸低压式气缸。外轴上的电机转速最大，相应的外轴压气机就是在最后端，被人们称为外轴高压式的压气机。对于三至四转子的高压气机，则因其具有一定的运动中压和三转子，它们的运动位置、轴线和运动转速均相对居中。在相同转子增压等级比和相同总级压系数下，每当两台转子压气机的转子被完全分开时，每驱动一台电机转子的增压等级就可能会大大降低，各台机的转子就同样可以保持在各自的最优转速条件下正常进行工作。另外转子的转速也可以进行自动调整。

参考文献

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