轴流通风机失速与喘振分析

摘 要：本文分析了轴流通风机失速和喘振产生的机理，介绍了在工程中的应用，给出了整改建议。

关键词：轴流通风机；失速；喘振

我厂在调试和生产过程中，一次风机和引风机（均为轴流通风机）曾多次发生失速和喘振，影响风机的安全、稳定运行，对电厂的安全运行危害很大。生产运行人员对此现象的发生机理和处理方法颇有疑问和争论。为此进行分析和探讨，以帮助运行人员及时采取正确的处理手段，避免事故的扩大和设备的损坏。

1. 失速产生的机理

风机处于正常工况时，冲角很小（气流方向与叶片叶弦的夹角即为冲角），气流绕过机翼型叶片而保持流线状态，如图1a所示。当气流与叶片进口形成正冲角，即α>0，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，即所谓“失速”现象，如图1b所示。冲角大于临界值越多，失速现象越严重，流体的流动阻力越大，使叶道阻塞，同时风机风压也随之迅速降低。

风机的叶片在加工及安装过程中，由于各种原因使叶片不可能有完全相同的形状和安装角。因此，当运行工况变化而使流动方向发生偏离时，在各个叶片进口的冲角就不可能完全相同。如果某一叶片进口处的冲角达到临界值时，就首先在该叶片上发生失速，而不会所有叶片都同时发生失速。如图2中，u是对应叶片上某点的周向速度；w是气流对叶片的相对速度；α为冲角。假设叶片2和3间的叶道23首先由于失速出现气流阻塞现象，叶道受堵塞后，通过的流量减少，在该叶道前形成低速停滞区，于是气流分流进入两侧通道12和34，从而改变了原来的气流方向，使流入叶道12的气流冲角减小，而流入叶道34的冲角增大。可见，分流结果使叶道12绕流情况有所改善，失速的可能性减小，甚至消失；而叶道34内部却因冲角增大而促使发生失速，从而又形成堵塞，使相邻叶道发生失速。这种现象继续进行下去，使失速所造成的堵塞区沿着与叶轮旋转相反的方向推进，即产生所谓的“旋转失速”现象。风机进入到不稳定工况区运行，叶轮内将产生一个到数个旋转失速区。叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而可使叶片产生共振。此时，叶片的动应力增加，可能致使叶片断裂，造成重大设备损坏事故。

大型火电机组的送风机一般是定转速运行的，即叶片周向速度u是一定值 ，这样影响叶片冲角大小的因素就是气流速度与叶片开度角。如图2所示，可以看出：当叶片开度角β一定时，如果气流速度c越小时，冲角α就越大，产生失速的可能性也就越大。从图2还可以看出，当流速c一定时，如果叶片角度β减小，则冲角α也减小；当流速c很小时，只要叶片角度β很小，则冲角α也很小。因此，当风机刚启动或低负荷运行时，风机失速的可能性大大减小甚至消失。

2. 喘振的产生机理

当系统管网阻力突然增大使得流量和流速减小，或风机动叶开得过大，都会使进入风机叶栅的气流冲角α增大，冲角α超过临界值时，在叶片背面尾端就会出现涡流（脱流）区，冲角超过临界值越多，则失速越严重，在叶片背部形成的涡流区也会迅速扩大，使叶片流道出现阻塞现象，此时流动阻力增加，风机输送的压能则大为降低，发生旋转失速，流动工况大为恶化，风机出口压力明显下降。此时若管网容量较大，且反应不敏感，管网中的压力不会同时立即下降而维持较高值，这使得管网中压力大于风机出口压力。压力高的气体有一种回冲趋势，使风机中气体流动恶化，当气流前进的动能不足以克服回冲趋势时，管网中的气流反过来向风机倒流（图3中AKDC）。这种倒流结果使得叶栅前后压力差逐渐消失。此时气流又在叶片的推动下做正向流动，风机又恢复了正常工作，向管网输气（图3中CDK）。管网压力升高到一定值后，风机的正常排气又受到阻碍，流量又大大减小，风机又出现失速，出口压力又突然下降，继而又出现倒流。如此不断循环，于是出现了整个风机管网系统的周期性振荡现象， 即形成风机“喘振现象”。

轴流通风机喘振的发生首先是由于工况改变时，叶栅气动参数与几何参数不协调，形成旋转失速。但也并不是所有旋转失速都一定会导致喘振，风机喘振还与管网系统有关。喘振现象的形成包含着两方面的因素：从内部来说，取决于叶栅内出现强烈的突变性旋转失速；从外部条件来说，又与管网容量和阻力特性有关。另外，风机喘振的频率越低，振幅就越大。

总之，失速是引发喘振的前因，但失速不一定会喘振，喘振是失速恶化的宏观表现。

3. 工程应用分析

以上是理论上对轴流通风机喘振的的阐述，它与实际的喘振现象存在着差异。现有的喘振型理论是建立在大容量系统单风机运行方式的基础上，工程上应用的是两台风机并列运行的方式。实际运行中，轴流通风机喘振发生在增加风机出力的过程中。并列运行的风机只是单台风机发生喘振， 不会两台同时喘振。风机喘振时电动机电流下降， 并无摆动现象，最明显特征是喘振风机的风量被压制、急剧下降，系统空气倒流入风机。下面结合图3进行分析。

轴流通风机的p-Q性能曲线是一组带有驼峰形状的曲线（见图3）。风机动叶处的每一角度下都有一条与之对应的曲线，每一条曲线都具有一个最高风压点，通常称为临界点。不同动叶角度下曲线临界点左半段有重合的部分。临界点右半段则为动叶角度与曲线相对应。

4. 结论

通过以上理论与实例分析，对于如何正确处理轴流通风机的失速或喘振故障，特提出以下建议。

（1）当发现风机动叶开大，出力下降、电流显著减小，就地振动大、噪声高，这时基本可以判定风机已失速。应立即撤出风机自动控制转为手动调节，逐渐减少喘振风机的动叶开度（即减小β角），降低Q-p曲线，降低临界工作点（K点），使调节后的风机处于风机的高效率稳定区域内工作，直至喘振风机的电流回升至正常值。在这同时可以快速降低机组负荷，并减小另一侧风机出力或开大母管上的一些风门，降低管道阻力和降低母管压力，使喘振风机尽快带上负荷，平衡两侧出力。

（2）平时运行过程中，要注意尽量减少两侧动叶开度偏差，使两侧出力平衡（电流值相近），并且开度不要过大。还要按规定及时吹灰，减小系统阻力。

（3）如经常性地发生失速，应考虑对系统进行改造，如变直角弯头管路为圆弧角、风机进口加装导流板、加装母管过压保护快开门等措施。