燃氣渦輪引擎的失速stall與喘振surge

在我考CAA執照的那年，聽說口試時很常考這個題目，由於先前在交通大學電機所做過喘振控制的研究，理論上操作點越接近發生喘振，其性能越好，可是一旦發生喘振，不僅效能急遽下降，並會對引擎造成傷害，研究的目的是偵測喘振發生前的訊號並提早消除，確實已電子傳感器可即時偵測的喘振發生前的訊號，可是消除喘振的肇因仍必須倚靠機械裝置，這部分就來不及反應，雖然研究並不成功，仍累積了一些相關知識，因此把以前的資料做了筆記想給同事參考，只是原始資料都沒留下，而筆記中參考文獻大多不詳或不完整，本文的引用參考只好略過。

Stall這個字泛指所有的失速現象，而在流體機械的範圍內，則通常會與Surge共同描述渦輪引擎中壓縮機(Compressor)內兩種不同形式的失速現象，也有人使用Rotating Stall來區別通用的Stall。Stall與Surge均指氣流在壓縮機內週期性的劇烈振盪，Surge (喘振或激喘)為軸向振盪，喘振的範圍為整個壓縮機，而Stall則侷限於壓縮機葉片間的振盪，由於失速區域在轉子的各葉片間輪流出現，好像失速區在旋轉，所以又被稱為旋轉失速Rotating Stall，二者的成因不同，對壓縮機的影響也有差異，但二者常接續出現，目前對於Stall與Surge的成因僅有概略性的推論解釋，詳細的形成機制仍待進一步的探討。

簡單的說，旋轉失速來自因各種原因產生過高的高攻角進氣氣流，從而產生渦流造成該葉片的失速現象；喘振則可能因失速現象的惡化，流場內氣流能量的損失過大而無法將氣流往後面高壓區域運送，壓縮機內的氣流與自然狀態相反的是由低壓往高壓流，其能量是藉由轉動的動能轉換而來，然而流場的損失過大時，就不足以將氣流繼續往後送，這時氣流會依自然狀態由高壓處流向低壓處，也就是由後往前(←)流動，同時後方的壓力會降下來，這時因為壓縮機仍在持續供應轉動能，當後方壓力降到一定程度時，氣流又會恢復由前往後(→)流動，但因造成能量損失的肇因並未排除，氣流會快速的往復前後流動，這種現象就稱為喘振，喘振的頻率雖然是低頻，仍有每秒數次到十餘次的頻率，在極短的時間內就會造成葉片及其他零件的重大損傷，必須及時排除，排除後除了要記錄外，也必須按規定進行發動機檢查。

旋轉失速

當氣流流向葉片的攻角變大時，葉片suction surface(如圖一中葉片的右側面)上的逆壓力梯度(adverse Pressure gradient)會增加而導致氣流的邊界層變厚，當邊界層分離時即發生失速的現象；由理論上分析，攻角過大不外是因為質流量變小或轉速變大，然而在實際運作上，會造成攻角過大的原因很多，如
(1)   轉子加速過快
(2)   燃油流量改變不對，使燃燒室壓力及溫度升高過快，而使空氣流量相對轉速變小。(3)   進氣氣流速度分佈的改變
(4)   進氣氣流局部溫度及局部總壓力的梯度變化

圖一、旋轉失速肇因

如圖一，當進入葉片3-4之間通道的氣流攻角過大時，造成失速，這時因這個氣流的擠壓，使得進入葉片4-5間通道的氣流角度變小，葉片的負荷降低，但同時會使進入葉片2-3間的氣流攻角增加，在接下來的時間激發出失速的現象，因此旋轉失速的現象會與轉動方向相反的次序在葉片間的通道產生，這種現象通常會在一個或多個葉片間通道間發生，但不會同時在所有的通道發生。其傳播的速度大約是轉速的50-70%。

圖二、旋轉失速樣態

在低轉速及較大的展弦比的葉片，如壓縮機的前幾級，旋轉失速通常僅發生在靠近葉尖的部份，這種現象稱為部分跨度失速(Part Span Stall)，如圖二，其危險性較低，因此在啟動時，如發生失速，對發動性的危害風險較小。但隨著速度增加，失速的現象會擴及到整個葉片的高度，即全跨度失速(Full Span Stall)，這時會產生振動及噪音，導致進氣量、升壓及性能下降，若發生共振則造成的損傷更大，而進氣量及壓力不足會造成燃燒室熄火而使得發動機關俥，通常重新啟動發動機可以解除這個現象。

壓縮機特徵曲線與喘振線

圖三、壓縮機特徵曲線

評估壓縮機的性能中兩個很重要的參數是進出口壓力比(P_t3/P_t2)及氣流的質流量。壓縮機在固定轉速下，其壓力比與質流量的關係如圖三所示，在S點右方的曲線顯示當質量流愈小時，壓縮機的壓力比愈大，即效率愈好；但是到達S點時壓力比會突然下降，此時壓縮機內的氣流十分不穩定，也就是發生喘振Surge，其穩態的數據已經無法量測，虛線部份表示臆測值，實際上並不存在。

圖四、喘振線

當我們在不同的壓縮機轉速下，量測其壓力比與質流量所獲得的關係曲線約如圖四所示，將這些曲線被稱為特徵曲線，一般而言，轉速愈大，其負斜率也愈大，軸流式壓縮機的特徵曲線又比離心式壓縮機的曲線陡峭。特徵曲線的S點所連成的曲線即是所謂的喘振線(Surge Line)，這條線界定了壓縮機的操作範圍，雖說越接近喘振線，壓縮機的性能越好，但實際操作中總會有不同程度的偏離設計操作點，所以一般設計的操作點都會離開喘振線一些距離，這個距離稱為喘振裕度(Surge Margin)，參見圖二。

喘振

圖五、喘振現象

從學理上來說，喘振發生時，壓縮機都是處於喘振線Surge Line外的操作點，如圖五，這個區域內，其質流量增加時，壓力也會跟著增加，然而在壓縮機運作時，不可避免的會有一些壓力或流量的擾動，由圖五可知不論如何變動，都會使輸入壓縮機的能量高於操作點所需的能量，因而造成這一操作區域有不穩定的現象而導致喘振。喘振發生時會有劇烈的振盪與噪音，嚴重的會使整個壓縮機損壞。

圖六中的上圖為旋轉失速及喘振接連發生時的壓力變化，而下圖僅發生旋轉失速，由圖可見，旋轉失速發生時的頻率遠高於喘振，因此當發生時可以由其發出的噪音判斷，如音頻較高，聲音較尖的即是旋轉失速，音頻較低，聲音低沉的則是喘振。

圖六、失速與喘振頻率

失速與喘振的消除

失速發生時，通常會以改變壓縮機的可變定子葉片的角度來改善高攻角的狀況，而喘振發生時則會打開排氣閥，減少進入壓縮機的氣流，降低其負荷來消除，大多情況，現代發動機的電子控制單元(ECU)都能處理，少數情況需要操作人員手動處置，甚至需要關俥重啟，如果動作太慢，發動機自己熄火了，可能葉片已經損傷嚴重，就無法再重啟了。