压气机的旋转失速和随机振动

来源：DyRoBeS（ID：dyrobes），内容整理自经典教材。

旋转失速是一种会显著降低涡扇发动机性能的不稳定流动现象，而且一般认为旋转失速是喘振先兆。

图1

左：流量变化时叶片扩压器中的流动；右：旋转脱离示意图

图2

图3

(a)：全半径失速；(b)：部分半径失速

图4

在航空发动机压气机上，除了障碍物尾流激振外，还有一种旋转失速引起的激振。下图为旋转失速发生过程图，图中所示的叶栅，某种原因使A处的气流攻角变大，因而产生了气流分离（失速）。由于气流堵塞，使得B处的攻角变大，于是这里的气流也分离，由于堵塞，气流以较小的攻角流入相邻的叶栅A，使得A处叶片气流的分离现象消失，于是A处气流迅速恢复正常，这样的连续反应，形成一个失速区不断向叶背方向移动。

图5

失速区的数目和它的旋转速度是重要的，但目前它们尚难以准确地计算。对旋转速度的大略估计是，在静子叶栅上，失速区旋转速度约为发动机转速的一半。对于转子叶栅，失速区也相对它本身以发动机转速的一半向叶背方向旋转，但此时叶栅又向反向旋转，所以对于静止的观察者而言，失速区将以一半的发动机转速的速度，与发动机转子同向旋转。

可以想象，对任一叶片，它在正常气流状态和失速状态下，所受的气体力是不同的。这样，当叶片交替通过正常区和失速区时，叶片就受到激振力。此激振力的频率将随失速区的相对旋转速度n0 (r/min) 而改变，也即

式中，Z 为失速区数目。

例如，某航空发动机的转速为10000r/min，静子叶栅的失速区共5个，如果令n0 为一半的发动机转速，则对于任一转子叶片，激振力频率为

如果此频率与叶片自振频率重合，就会引起叶片的强烈振动。

上述现象称为旋转失速，它发生在静子叶栅或转子叶栅上。失速区可以扩充到全部叶片，也可以只在几个叶片的叶尖部分产生。失速区的数目不止一个，随着发动机转速增加，失速区数目可能由少变多（最多曾观察到8个等距失速区），下图说明了这种情况。

(a)强失速区；(b)两强两弱的四失速区；(c)一强四弱五失速区；(d)三个强失速区

图6 某压气机级叶棚失速图

旋转失速现象只发生在发动机的低转速状态：如45%~70%最大转速下，所以它引起的叶片振动只是短时间的，但它可能导致叶片损坏。

另外一种激振型式为随机激振，这种激振力具有广泛的频率谱，也即在各个频率下都有激振力。这些激振力作用在叶尖上，将引起叶片的普遍的强迫振动，而在某几个频率下引起共振。这几个频率就是叶片的自振频率，随机激振力是时变的，因而叶片振动也是时变的，称为随机振动。这种振动可在实际发动机叶片上观测到，发动机的随机激振源是强大的噪声，因此，把由此引起的叶片疲劳称为噪声疲劳。噪声源是叶片对气流的干扰和气流燃烧。噪声越大，激振力越强，叶片受损可能性越大。