压气机的喘振及防喘振方案
压气机的喘振及防喘措施
1.在压气机中发生喘振的原因
2.压气机中防止喘振的措施
在压气机中发生喘振现象
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工况 。
在压气机中发生喘振的原因
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
压气机叶栅中的旋转脱离现象
试验表明：在叶片较长的压气机级中 ， 气流的脱离现象多半发生在沿叶高方向的局部范围内（例如在叶片的顶部） 。但是 ，在叶片较短的级中， 气流的脱离现象却有可能在整个叶片的高度上同时发生 。此外还必须指出：上述那种气流脱离现象， 往往并不是在压气机工作叶栅沿圆周整圈范围内同时发生的。试验研究表明 ：一般来说 ， 由于叶栅中叶片形状和分布不均匀性和气流沿周向分布的不均匀性， 在小流量大冲角的工况下， 气流的脱离往往总是在某一个或几个叶片上发生的。一般情况 ，在整个环形叶栅沿圆周方向范围内， 可以同时产生几个比较大脱离区 ， 而这些脱离区的宽度只不过涉及到一个或几个叶片通道而已 。同时还应该指出：这些脱离区并不是固定不动的 ， 这些脱离区会依次沿着与叶轮旋转方向相反的方向转移 。因而，这种脱离现象称为旋转脱离。
旋转脱离的现象是怎样产生的
正常工况下与喘振工况下压力与气流速度变化的波形示意图
压气机的工作系统图
多级轴流式压气机在非设计状态下的工作特点
会出现工作不协调现象
压气机中压比的变化必然会引起第一级与末级入口处轴向分速比的相应变化， 而且， 当压气机的设计压比越大， 这种变化也越大。而压气机的压比会随转速或进口温度的变化而改变的。
当实际工作转速比设计转速低时
这时压气机的压比要下降。这时末几级中的空气压力和密度降低了 。而在前几级中， 与设计工况相比较， 其压力和密度反而却均有所提高。因为在大气压力 恒定不变的前提下， 随着空气流量 的减小， 这时 ， 气流在压气机进口收敛器中的降压加速效应减弱了。同时， 由于进气流道中（空气过滤器 、 消声器） 的气流速度的降低， 流动的压力损耗又略有所下降， 因而，在压气机的第一级入口处 ， 气流的压力 和密度 ， 反而比设计工况下的数值要高。这样就使轴向分速比增加了 。比值 的增加意味着， 当转速下降时， 轴向分速 C ZZ 下降得比轴向分速 C 1 Z慢些。在轴流式压气机中， 由于各级的直径变化不大， 可以近似地认为各级圆周速度相等。由于 c z 和 u 的变化不协调， 结果使各级中的流量系数 发生变化， 流入各级的气流方向就发生变化。
经验指出：与设计工况偏离最远的是前几级和末几级， 而中间各级相对于设计工况的变化较小。这时 ， 在前几级中的流量系数减小 ， 而在最后几级中会增加。在中间级中， 流量系数变化很小 。
当压气机在高于设计转速的情况下工作时
这时压比增大， 轴向分速比减小。在前几级中 ， 流量系数增加， 冲角减小。而在末几级中， 流量系数减小， 冲角加大 。当其正冲角增加得太甚时， 也可能就可能产生旋转脱离和进入喘振工况 。
但一般在燃气轮机中， 高于设计转速下运行是不希望的 。因而， 后一种喘振工况不会经常遇到 ；可是， 在燃气轮机的启动、停机过程中， 或是在变转速的工况下运行时， 压气机却会经常处在低于设计转速的情况下工作。那时， 压气机就很有可能由于在前几级中发生强烈的旋转脱离现象而进入喘振工况。为了保证机组启动 、 停机过程和低转速工况下能够正常运行， 就必须采取相应的防喘振措施。
转速低于设计转速时各类级冲角的变化
对压气机的喘振现象可以归纳出以下几点看法
1. 压比越高的压气机， 或者是总压比越高和级数越多的压气机，就越容易发生喘振现象。这是由于在这种压气机的叶栅中 ， 气流的扩压程度比较大 ， 因而也就容易使气流产生旋转脱离现象。
2. 多级轴流式压气机的喘振边界线不一定是一条平滑的曲线 ，而往往可能是一条折线 。据分析认为：其原因可能是由于在不同的转速工况下， 进入喘振工况的级并不相同的缘故 。
3. 在多级轴流式压气机中， 发生在最后几级的喘振现象， 要比在最前几级中发生的喘振现象更加危险。因为在压气机的最后几级中发生喘振现象时， 机组的负荷一定很高， 而这些级的叶片又比较短， 气流的脱离现象很可能在整个叶高范围内发生 ， 再加上该处的压力又很高， 压强的波动就比较厉害， 因而气流的大幅度脉动就会对机组产生非常严重的影响。
4. 进 、 排气口的流动情况很不均匀的压气机 ， 就越容易发生喘振现象。
压气机中防止喘振的措施
在大致了解了发生喘振现象的基本原因之后 ， 就有条件来讨论压气机中防止喘振的措施 。概括起来说， 目前有以下的措施 ：
1. 设计压气机时 ， 应该合理地选择各级之间的流量系数的分配关系， 力求扩大压气机的稳定工作范围。
2. 采用可转的进口导叶和静叶的防喘措施。
3. 在压气机通流部分的某一个或若干个截面上， 安装防喘放气阀的措施 。
4. 用双转子压气机措施。
设计压气机时， 应该合理地选择各级之间的流量系数
在低转速下， 不稳定工况产生的原因是低压级流量系数（C z /u)会减小 ， 正冲角会增大， 随着流量系数 值的减小 ， 气流正冲角的增大， 气流在叶型背弧处出现脱离现象， 再进一步出现旋转脱离之后， 低压级就会逐渐趋近于喘振工况。当达到某个极限值时，在低压级中就会产生强烈的气流脱离现象， 以致进入到喘振工况 。因而设计时就应该把压气机前几级的流量系数选得大些 。此外，这些级的作功量也应该取得小些 ， 这样就能保证压气机前几级不容易进入喘振工况 。而这时高压级中则流量系数 会增大， 负冲角增大 ， 气流在叶型内弧处出现脱离现象。因而设计时就应该把压气机后几级的流量系得较小些 ， 其加功量也应选得小些。而增加中间各级的加工量 ，以提高全台压气机的效率
压气机进口可转导叶的示意图
逐步开关式的进口导叶
逐步开关式即通常所说的全程调节 ， 当转速升至某动作转速时， 进口导叶开始从“关” （34° )的位臵随着转速的升高逐渐开大到“开” (84° )的位臵 ， 此后不再随着转速的进一步升高而开大。当转速下降到一定转速后 ，进口 导 叶 开 始关 小， 随着 转 速的 降低 逐渐关 小至“关” (34° )的位臵 ， 此后不再随着转速的进一步降低而关小。逐步开关式更有利于对压气机性能的改善 。
采用进口可转导叶还能带来一些其他好处
采用了进口可转导叶的措施 ， 不仅可以防止压气机的第一级进入到喘振工况，而且还能使其后各级的流动情况也得到改善 。因为， 当压气机第一级动叶栅中气流的正冲角减小时,级的作功量就会减小。也就是说， 在第一级出口处,空气的压力会减小 ， 这样就可以增大流到其后各级中去的空气容积流量 ， 使这些级的气流的正冲角也适当减小， 因而也有利于改善这些级的稳定工作特性。静叶的转动， 其道理和进口可转导叶一样 。考虑到中间级在低速时， 偏离设计情况不大 ， 一般就不必转动静叶了。根据实践， 对高压比的压气机， 一般转动前面一、 二级的静叶已效果明显， 只有在压比很高时， 才需要转动更多的静叶。既然 ， 改变压气机的进口可转导叶的安装角的措施能够改善压气机的喘振特性 ， 其效果就可以在压气机的特性线上得到反映。很明显， 减小导叶按装角时， 级特性线就向左下方移动， 这就意着压气机的喘振边界线朝着流量减小方向移动。显然， 这就扩大了压气机的稳定工作范围。在这里还应指出 ， 在燃气轮机起动时， 关小压气机进口导叶安装角的措施 ，对减小机组的起其动功率也是有好处的， 这是由于在这种情况下， 流进压气机的空气流量将会大大减小的缘故 。
可转的进口导叶的另一种用途
压气机采用可转的进口导叶后可有效地扩大压气机的运行区域， 同时还能改善燃气轮机其他的一些性 。为了更好满足燃气轮机运行的需要， 目前一些机组直到全速空载时， 进口导叶才开到 57 °角， 随着并网后负荷的增加 ， 才逐渐开到全开时的 84 ° 角 ， 使得进口导叶角度的控制更为灵活。
安装防喘放气阀的措施
用双转子压气机措施
防喘措施的共同目的
防喘措施的目的， 就是设法改变叶栅进口 的冲角 i， 这可通过：
1. 改变气流进入叶栅的方向， 即改变叶栅进口切向分速度c 1u , 具体办法就是采用可转的进口导叶 。
2. 改变叶栅进口轴向分速c z ， 就是改变进入叶栅的流量 ， 具体办法就是安装防喘放气阀。
3. 改变圆周速度u， 让它能与c z 协调一致地变化， 使流量系数C z /u 等于或接近于设计值。具体办法就是采用双转子压气机。