利用速度三角形分析軸流風(fēng)機(jī)的喘振

高超

摘要：指出了喘振是軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行中面臨的最主要問題之一，關(guān)于喘振的原理，以往的分析大都是從駝峰形qv-H曲線著手，駝峰形qv-H曲線能夠很好地說明喘振的產(chǎn)生原因，但對于喘振與失速的關(guān)系，喘振的消除方法及其依據(jù)缺乏有力的分析，從風(fēng)機(jī)分析中常用的速度三角形著手，對上述問題給予了較完整的解答。

關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)機(jī)；速度三角形；喘振；失速

中圖分類號：TH432.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0113-02

1 引言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，單機(jī)容量不斷增大，600MW機(jī)組已成為我國火電機(jī)組的中堅(jiān)力量，600MW機(jī)組廣泛采用軸流風(fēng)機(jī)作為鍋爐引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)相比離心風(fēng)機(jī)有許多突出優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕、體積小、啟動(dòng)力矩小、變工況性能好、工作范圍大、可安裝可調(diào)動(dòng)葉等，但也面臨著一些新的問題，喘振就是軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行中面臨的最主要問題之一。喘振一旦發(fā)生，如果不能及時(shí)消除，將會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果，甚至造成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞。為預(yù)防和消除喘振，有必要對軸流風(fēng)機(jī)的喘振原理進(jìn)行分析，軸流風(fēng)機(jī)的喘振與其葉片形式和做功原理有著密切關(guān)系，先簡要介紹風(fēng)機(jī)分析中常用的速度三角形和軸流風(fēng)機(jī)的葉片形式、做功原理，再引出對機(jī)翼形葉片的失速分析，最后分析軸流風(fēng)機(jī)的喘振及其預(yù)防、消除方法。

2 風(fēng)機(jī)速度三角形簡介

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，流體一方面隨葉輪旋轉(zhuǎn)，另一方面又從轉(zhuǎn)動(dòng)著的葉輪內(nèi)向外流動(dòng)，流體隨著葉輪旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)稱為圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度稱為圓周速度，用符號u表示，其方向與圓周的切線方向一致，大小u=wr（w為角速度，r為半徑），同時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)沿著葉道向外緣流動(dòng)，相對于葉輪作相對運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度稱為相對速度，用符號w表示，流體質(zhì)點(diǎn)相對于靜止的風(fēng)機(jī)殼體的運(yùn)動(dòng)稱為絕對運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度稱為絕對速度，用符號v表示，絕對運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)和相對運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，因此，絕對速度等于圓周速度與相對速度的矢量和，即：

v=u+w

絕對速度、相對速度、圓周速度三者正好組成一個(gè)三角形，稱為速度三角形。在分析風(fēng)機(jī)問題時(shí)，通常是只需了解風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的參數(shù)變化，因此，只要畫出葉輪進(jìn)出口速度三角形就可以了，筆者分別用下標(biāo)1和2來表示葉輪進(jìn)出口的參數(shù)，即：

u1為葉輪進(jìn)口圓周速度；

v1為葉輪進(jìn)口絕對速度；

w1為葉輪進(jìn)口相對速度；

u2為葉輪出口圓周速度；

v2為葉輪出口絕對速度；

w2為葉輪出口相對速度。

如圖1所示，絕對速度v與圓周速度u之間的夾角用α表示，相對速度w與圓周速度u反方向之間的夾角用β表示，當(dāng)流體很好地貼附葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)，則β角可以表示葉片的安裝角。

3 軸流風(fēng)機(jī)的做功原理和葉片形式

葉片式泵與風(fēng)機(jī)的基本方程為：

HT=u22-u212g+w21-w222g+v22-v212g

式中等號左邊HT為理論全壓頭，等號右邊為三項(xiàng)相加，其中從左往右第一項(xiàng)為流體受慣性離心力作用提高的壓能頭，第二項(xiàng)為流體相對速度減小流體獲得的壓能頭，第三項(xiàng)為流體獲得的動(dòng)能頭，第一項(xiàng)和第二項(xiàng)之和為理論壓能頭，因動(dòng)能頭越大，流體流動(dòng)過程中的能頭損失也越大，所以希望壓能頭占全壓頭的比重越高越好。

由于軸流風(fēng)機(jī)流體沿軸向流入，軸向流出，即流體在葉輪進(jìn)出口的半徑r相等，則

u1=u2

壓能頭中第一項(xiàng)為零，實(shí)際只包含第二項(xiàng)，軸流風(fēng)機(jī)壓能頭只能靠流體沿葉片相對運(yùn)動(dòng)時(shí)相對速度的減小獲得，即要使：

w1>w2

必須滿足葉輪出口通道的面積大于進(jìn)口通道的面積，為滿足這個(gè)條件，葉片應(yīng)選擇進(jìn)口厚、出口薄的機(jī)翼形葉片。

4 機(jī)翼形葉片的失速

當(dāng)氣流順著機(jī)翼葉片流動(dòng)時(shí)，作用于葉片的有兩種力，即垂直于流線的升力與平行于流線的阻力。當(dāng)氣流完全貼著葉片呈流線型流動(dòng)時(shí)，這時(shí)升力大于阻力，當(dāng)氣流與葉片進(jìn)口形成正沖角，且此正沖角達(dá)到某一臨界值時(shí)，葉片背面流動(dòng)工況開始惡化，如超過臨界值時(shí)，邊界層受到破壞，在葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū)，出現(xiàn)失速現(xiàn)象（圖2）。使葉道產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，流體的能頭則大大降低。

5 軸流風(fēng)機(jī)的喘振

當(dāng)風(fēng)機(jī)處于不穩(wěn)定工作區(qū)運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)流量、風(fēng)壓的大幅度波動(dòng)，引起整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)裝置劇烈的振動(dòng)噪聲，這種現(xiàn)象叫做喘振。

5.1 喘振與失速的關(guān)系

由喘振與失速的定義可知，喘振是由于風(fēng)機(jī)流量低于臨界流量產(chǎn)生的，失速是由于氣流與葉片形成的正沖角超過臨界值產(chǎn)生的，那么風(fēng)機(jī)的臨界流量與氣流的臨界正沖角有沒有什么內(nèi)在關(guān)系呢？下面用速度三角形來分析它們之間的內(nèi)在關(guān)系。因?yàn)闅饬鲗θ~片的正沖角發(fā)生在葉片進(jìn)口，所以只需分析葉片進(jìn)口速度三角形。為便于分析，假定以下三個(gè)條件：

①對于進(jìn)口無導(dǎo)流器（靜葉）的風(fēng)機(jī)來說，α=90°。

②風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，即不變。

③葉片的安裝角不能改變。

如圖3所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，氣流貼著葉片流動(dòng)，則β角就是葉片的安裝角，當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，風(fēng)機(jī)流量減小，反映到速度三角形中就是v1減小為v′1，則w1變?yōu)閣′1，β角減小，減小的值為θ，但減小后的β角已不能表示葉片安裝角，因?yàn)槿~片安裝角不能改變，這時(shí)氣流已經(jīng)偏離了葉片，從軸流風(fēng)機(jī)的做功原理可知，作用在葉片上的升力方向應(yīng)阻礙葉片旋轉(zhuǎn)，即升力應(yīng)該指向速度三角形斜邊內(nèi)側(cè)，結(jié)合圖2、圖3可知，速度三角形斜邊內(nèi)側(cè)為葉片弧面，外側(cè)為葉片背面，顯然θ角就是氣流與葉片形成的正沖角，當(dāng)θ角超過臨界值時(shí)，葉片就會(huì)發(fā)生失速。綜上所述，風(fēng)機(jī)流量減小引起氣流與葉片形成正沖角，進(jìn)而引起失速，當(dāng)失速遇到一定的外部條件時(shí)，如大容量管路系統(tǒng)，引起共振，就會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。

5.2 喘振的預(yù)防和消除

喘振發(fā)生的原因?yàn)轱L(fēng)機(jī)流量低于臨界值，實(shí)際生產(chǎn)中導(dǎo)致風(fēng)機(jī)流量過低的原因主要為風(fēng)煙系統(tǒng)阻力過大，風(fēng)煙系統(tǒng)阻力過大的原因又可以分為煙風(fēng)道嚴(yán)重積灰、結(jié)焦、堵塞、風(fēng)門擋板誤關(guān)或未全開、并列運(yùn)行的風(fēng)機(jī)搶風(fēng)等，要從根本上預(yù)防喘振，就要從上述原因著手，減小風(fēng)煙系統(tǒng)阻力。

一旦喘振發(fā)生，要立即采取措施消除，從上面的分析可知，風(fēng)機(jī)之所以發(fā)生喘振，是由于流量減小引起氣流葉片間的正沖角增大，進(jìn)而引起失速。要消除喘振，關(guān)鍵是要減小氣流葉片間的正沖角，顯然，只有兩種辦法：

（1）使氣流向葉片靠攏，又分為三種辦法：

①增大流量，即增大v，如設(shè)置放氣閥、再循環(huán)、減小系統(tǒng)阻力等。

②減小轉(zhuǎn)速，及減小u，從速度三角形可知，v減小的情況下相應(yīng)減小u，可以使得β增大，θ減小。

③對安裝有進(jìn)口導(dǎo)流器（靜葉）的風(fēng)機(jī)來說，可以關(guān)小靜葉開度，使得α減小（靜葉全開時(shí)，α=90°）。從速度三角形可知，v減小的情況下減小α同樣使得β增大，θ減小。

（2）使葉片向氣流靠攏，即改變?nèi)~片的安裝角，這個(gè)辦法只有安裝有可調(diào)動(dòng)葉的風(fēng)機(jī)才能使用，當(dāng)動(dòng)葉可調(diào)的風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，關(guān)小喘振風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉，即減小葉片的安裝角，使得葉片與氣流的正沖角減小，直至喘振消失。

6 結(jié)語

通過上面的分析，我們找到了喘振與失速的內(nèi)在關(guān)系，并將其在速度三角形中表現(xiàn)出來，進(jìn)而從中尋找應(yīng)對之策。隨著火電廠節(jié)能降耗要求的提高和自動(dòng)化水平的提高，600MW機(jī)組的引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)一般都配有風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，如可調(diào)動(dòng)葉、可調(diào)靜葉、變頻器等，這些調(diào)節(jié)手段在降低風(fēng)機(jī)能耗的同時(shí)，也為喘振消除提供了手段。事實(shí)上，實(shí)際生產(chǎn)中風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振，要在短時(shí)間內(nèi)減小系統(tǒng)阻力、提高風(fēng)機(jī)流量很難，往往是靠調(diào)節(jié)動(dòng)葉、靜葉、變頻器等風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置減小氣流與葉片的正沖角，進(jìn)而消除喘振，可以看出，風(fēng)機(jī)喘振的發(fā)生本質(zhì)上就是風(fēng)機(jī)流量與其調(diào)節(jié)裝置的位置不適應(yīng)，這時(shí)候只需要將調(diào)節(jié)裝置調(diào)整到與實(shí)際流量相適應(yīng)的位置，就可以消除喘振，這也是上述消除喘振方法的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪淑奇，文煉紅，楊繼明.單元機(jī)組設(shè)備運(yùn)行.鍋爐設(shè)備與運(yùn)行[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]唐復(fù)勇，曹薇娜.熱能動(dòng)力專業(yè)基礎(chǔ)[M].北京：中國電力出版社，2007.