軸流風機的脫流、喘振分析和防范措施

劉吉波

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003）

軸流風機的脫流、喘振分析和防范措施

劉吉波

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003）

對軸流風機的受力、速度三角形及旋轉(zhuǎn)脫流與喘振現(xiàn)象進行了分析，說明了引起脫流與喘振的原因，制定了防止喘振現(xiàn)象發(fā)生的措施，對防止軸流風機及管道系統(tǒng)的疲勞破壞及風機的科學管理提供參考。

軸流風機；脫流；喘振；升力；阻力

軸流風機具有效率高、流量大、多級串聯(lián)增壓大、易調(diào)節(jié)、結構簡單小而輕、動葉可調(diào)效率高、啟動力矩小等諸多優(yōu)點，在電力、農(nóng)業(yè)、冶金、礦山等各領域得到廣泛的應用。軸流風機工況點的合理工作范圍是工作風壓小于最大風壓90%以右的壓力降低區(qū)，禁止在最高壓力點以左的喘振區(qū)域運行。若風機工況點工作在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，將使氣流沖角增大，風機風壓、風量急劇下降，系統(tǒng)空氣倒流入風機，壓力出現(xiàn)較大脈動，氣流在風機葉道內(nèi)，沿軸向產(chǎn)生忽斷忽續(xù)而又周期性的低頻、高幅震蕩，出現(xiàn)風機失速喘振（又稱飛動），造成風機零件和風道的損壞，給安全生產(chǎn)造成極大隱患。

1 風流繞流翼型產(chǎn)生的升力、阻力與翼型的脫流（失速）現(xiàn)象

1.1 軸流風機的升力與脫流

軸流風機葉片大多采用機翼型葉片，葉輪旋轉(zhuǎn)流體繞流風機葉片的流動，與飛機在大氣中飛行相似。葉輪獲得的能量大小與翼型的受力有關，提高升力可以提高葉輪的能量；設流體是不可壓縮的定常流，則粘性流體繞流機翼產(chǎn)生的升力與阻力為：

式中：FL、FD為升力與阻力；kL、kD為升力系數(shù)與阻力系數(shù)，隨著i的增大而增大，沖角i=16°時，達到最大；A為機翼（葉片）翼型的投影面積，A=bl；b為翼型弦長；l為翼展（葉片長度）；i為沖角，來流速度v∞與翼弦線的夾角，見圖1，圖2。

上式可以看出，升力系數(shù)kL越大、來流速度C∞越高、機翼投影面積A越大，則升力亦越大。

圖1 翼型參數(shù)（葉片）與脫流現(xiàn)象

圖2 軸流風機的升力與阻力與沖角

若氣流流入葉片的方向偏離了葉片的進口安裝角，風流流動方向與葉片進口安裝角的夾角i超過了臨界值（i＞16°）時，翼型的升力系數(shù)kL與升力FL大幅度降低，阻力系數(shù)kD與阻力FD急速增加，風機理論風壓降低，流量減少。隨著沖角的增大，翼背的邊界層受到破壞，翼型的上表面發(fā)生邊界層分離，葉背處的尾端出現(xiàn)渦流區(qū)，并從尾端擴展到中部甚至整個葉背區(qū)間，氣流在葉道內(nèi)的流動發(fā)生阻塞，這種情況稱為脫流[1]。為了保證翼型安全，必須使工況點不落在脫流（失速）區(qū)內(nèi)，見圖1，圖3。

圖3 旋轉(zhuǎn)脫流的形成過程

1.2 旋轉(zhuǎn)脫流（失速）的形成與方向

由于葉片的安裝角不能完全一致，若葉道2前的葉片沖角達到臨界值時（見圖3），首先在葉道2上脫流而產(chǎn)生阻塞，原來流入葉道2的風流被分流進入葉道1和3，并與原來流入葉道1、3的氣流匯合，改變了葉道1、3空氣流入的沖角，流入葉道1的沖角減少，流入葉道3的沖角增大；杜絕了葉道1發(fā)生脫流的可能性，而葉道3又再次發(fā)生脫流。葉道3的脫流阻塞又使氣流向葉道4分流并使其翼背脫流，但流向葉道2的分流，減少了原來脫流葉道2的沖角，使葉道2冀背脫流消失，這一過程向著葉輪旋轉(zhuǎn)相反的方向移動下去，稱為“旋轉(zhuǎn)脫流”[2]，旋轉(zhuǎn)脫流移動速度小于葉輪的旋轉(zhuǎn)速度μ。

單級葉輪的旋轉(zhuǎn)脫流程度與葉輪的輪轂比有關，當輪轂比值較小時（≤0.6），因葉片長度較長，旋轉(zhuǎn)脫流現(xiàn)象較輕，脫流沿風機特性曲線連續(xù)微動發(fā)展，且大多只發(fā)生在葉首的局部區(qū)域，因此稱為“局部擴展”型（見圖4）；當輪轂比值較大（≥0.9），葉片長度很短時，脫流就會沿整個葉片全長發(fā)生，風壓在超過最高點后突然發(fā)生階梯式下降，脫流沿整個葉片發(fā)展，故稱其為“全葉長”型。

圖4 局部擴展與全葉長型旋轉(zhuǎn)脫流

旋轉(zhuǎn)脫流僅與葉片的結構性能有關，對風機一般沒有很大影響，只有發(fā)生全葉長型旋轉(zhuǎn)脫硫時，才會聽到有明顯的節(jié)奏噪聲，一般進風側(cè)的葉片壓力波動較之出風側(cè)約增大75%左右。

對固定轉(zhuǎn)速的葉輪，當進行關閘增阻減風的節(jié)流工況調(diào)節(jié)時，由于轉(zhuǎn)速不變，則葉輪的切向速度μ不變，但因風量減少，使軸向風速W1a（C1a）減少，導致沖角增大，風流軸向阻力增大，軸向流動動力Fa減少，出現(xiàn)脫流現(xiàn)象。因此，當葉片進口安裝角一定時，氣流速度Wa（Ca）越小，沖角i就越大，產(chǎn)生失速的可能性也就越大，見圖5。

圖5 增阻減風調(diào)節(jié)導致的脫流失速現(xiàn)象

2 葉柵上的氣流流動和受力分析

當葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉柵以圓周速度μ向前運動，并繞流翼型流動，給翼背一個升力F，而葉片翼腹對流體產(chǎn)生一個反作用力F′，他們分別又分解為軸向力Fa、F′a，氣流獲得沿軸向能量，使風流流動并產(chǎn)生流量q；分解為圓周力Fμ、F′μ，使氣體旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生壓力，所以氣流經(jīng)過葉輪做功后，作繞軸旋轉(zhuǎn)并沿軸向前運動。若W1、W2分別為氣流沿葉道方向流入、流出葉道控制面的相對速度；C1、C2為進口1、出口2上W與μ的絕對合速度；柵距為t，葉片玄長為b，θ為葉片玄線與葉柵圓周速度μ的夾角，即入口的迎風安裝角；取翼型流道中心流線組成封閉曲線的控制微元，見圖6。

圖6 氣流繞葉柵的流動速度與受力分析

由于葉道入口至出口呈擴散形，所以出口氣流的相對速度W2小于入口氣流的相對速度W1；而出口氣流的相對速度與葉輪旋轉(zhuǎn)圓周速度μ所成的夾角β2大于入口相應夾角β1；葉片進、出的相對速度W1、W2與圓周速度μ的矢量和即為葉片進、出口上的絕對速度C1、C2。由于葉輪進出口的圓周速度相等（μ1=μ2=μ），所以相對速度沿軸向的變化量△Wa與絕對速度的變化量△Ca相等；若C1a沿軸向流入，則△Wμ=△Cμ（扭速），見圖6（a）。

軸流風機是利用擴散增壓的原理來提高空氣的靜壓的?？諝馔ㄟ^葉柵時，由于葉道擴散，絕對速度W2減?。▌幽軠p少），壓力增高，因此其單級增壓小于離心式通風機。

以ABCD為控制微元應用連續(xù)方程有：

ABCD封閉周線的速度環(huán)量為：

因ΓAD=ΓBC，所以

由動量定律得作用在微元上單位翼展（葉片）長度dl上的升力為：

在葉柵進出口間應用伯諾力方程得控制微元進出口單位葉長dl上的壓力差為：

可列出單位葉片長度dl的軸向力為：

單位長翼型給氣流的合力為：

式中：p1、p2分別為葉道進出口AB面與CD面上的氣體壓力；W1、W2分別為葉輪進、出口上的相對速度；W1a、W2a分別為進、出口上的相對速度沿軸向方向上分速度；β1為氣流進口角，氣流流入方向與圓周速度的夾角；β2為氣流出口角，氣流流出方向與圓周速度反方向的夾角；W1μ、W2μ分別為進、出口上的相對速度沿圓周方向上分速度；θ為葉片安裝角，玄線與葉輪平面的夾角；l為翼展（葉片）長度，l=R-r；ω為角速度；μ為葉輪圓周速度；W∞為葉輪進、出口上的相對速度的平均值，W∞=（W1+W2）/2；葉柵計算時W∞等價于單個葉柵無窮遠處來流速度W∞≈C∞。

上式結果同式（3）。

作用在葉輪軸上的外力矩M與葉輪角速度ω的乘積，即為整個葉輪的理論功率：

因N=Htq，故軸流風機的風壓為：

上式為軸流風機的歐拉方程。由速度三角形，則上式又可變化為：

從以上可以看出，軸流式風機的全壓與葉輪的圓周速度μ和軸向速度Ca成正比，與氣流的相對速度與旋轉(zhuǎn)方向夾角的余切差（cotβ2-cotβ1）成正比。要提高風機風壓，必須增大圓周速度（增大轉(zhuǎn)速n和葉輪直徑D），增大軸向來流動壓速度（減小進口斷面），增加葉片撓度，減小β1，增大β2，從而提高進出、口的轉(zhuǎn)折角（β2-β1），但過大又容易產(chǎn)生邊界層分離的脫流現(xiàn)象，（β2-β1）不宜超過40～45°。因軸流式葉輪進出口的圓周速度相等（μ1=μ2=μ），故流體在軸流式風機中獲得的能量小于離心式，風機的全壓較小，可采用多級葉輪（串聯(lián)）的方法，提高軸流風機的風壓。

3 喘振的產(chǎn)生及防范

3.1 喘振的發(fā)生條件

發(fā)生喘振必須同時具備以下三個條件：

（1）風機工作在不穩(wěn)定工況區(qū)域中壓力特性曲線單調(diào)遞增（△H/△Q＞0）的區(qū)域內(nèi)。

（2）風機進、出口管道具有足夠的容積，與風機組合成一彈性的空氣動力系統(tǒng)，在風機工況發(fā)生改變時，外界管道的變化要滯后一定的時間。

（3）系統(tǒng)氣流的震蕩頻率與翼型的擾動頻率發(fā)生共振。

3.2 喘振發(fā)生的原因和過程

節(jié)流減風使工況點落在了最大負壓（Hmax）A點以左的B點，此時風機之后的管道負壓還來不及與B點平衡而高于B點，于是發(fā)生短暫的倒流，風機出口受阻，短時無空氣流過風機，使風機壓力瞬時降到C點，但此時風機后面的管道仍然繼續(xù)流動供風，使風機流量增大，背壓升力增高，負壓增高越過B點至A點，因調(diào)節(jié)機構調(diào)節(jié)風量在B運行，因此流量還得恢復到B點，從而形成了第二次的減風脫流，如此循環(huán)波動，當循環(huán)頻率與系統(tǒng)的震蕩頻率重合時，引起共振，即喘振發(fā)生，見圖7（a）。

圖7 喘振的發(fā)生過程了類型

當輪轂比較大，葉片較短而出現(xiàn)全葉長旋轉(zhuǎn)脫流時，小流量的減風擾動，即可使風機負壓突然降到B點，短暫倒流使風機無風而負壓劇聚降到C點，緩沖后管道恢復供風而使壓力增大到E點或A點，如此脈動循環(huán)，當循環(huán)頻率與系統(tǒng)的震蕩頻率重合時，引起共振，此種共振稱為“邊界周期型”喘振，見圖7（b）。

3.3 喘振的防范措施

根據(jù)喘振的發(fā)生條件可知，合理的選擇風機參數(shù)，采用正確的調(diào)節(jié)手段，防止風機運行在不穩(wěn)定工況區(qū)；同時減少風機進、出口管道的面積，提高管道（風硐）的來流風速，集流器外徑一般為葉輪直徑1.2～1.4倍，而風機的出口風道界面不得大于進口界界面的112.5%，不得小于進口斷面的92.5%[3]；同時盡量避免風機、葉片的自然頻率與脫流循環(huán)頻率的共振，是防范軸流風機發(fā)生喘振現(xiàn)象的關鍵措施。

（1）選用設計制造優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、高效的風機。風機高效工況區(qū)域?qū)挘~片角等葉片參數(shù)，設計合理，葉柵的稠度比在b/t=0.5～0.7范圍，以減少翼型間的相互干擾；升阻比FL/FD及升、降阻力系數(shù)比KL/KD達到10～20倍的最佳范圍。

（2）選用輪轂比≤0.6的風機，以避免全長式脫流的發(fā)生；同時提高葉片的質(zhì)量和光潔度，增強葉片的抗疲勞強度和阻尼特性，采用弧形葉型也是最簡單實用的辦法。

（3）采用先進的調(diào)頻調(diào)節(jié)技術。調(diào)頻調(diào)節(jié)在改變供電頻率的基礎上，減少了風機的轉(zhuǎn)速，從而減少了風機的風量和風壓。由比例（相似）定律可知，轉(zhuǎn)速與風機的風量成正比，與風機風壓的平方成正比，與風機功率的三次方成正比，降低轉(zhuǎn)速后，降低了風機的功率及運營成本，同時雖然也降低了風量和軸向絕對速度，但是旋轉(zhuǎn)方向上的圓周速度μ也相應降低，并不增大風流入口的沖角，可以避免脫流和喘振現(xiàn)象的發(fā)生。調(diào)頻減速調(diào)節(jié)的特性曲線變化，見圖5(a)；速度三角形，見圖8。

圖8 調(diào)頻減速調(diào)節(jié)的速度三角形

（4）優(yōu)先選用正確合理的調(diào)節(jié)手段。采用葉片安裝角度（θ角）調(diào)節(jié)，確保準確一直的葉片安裝角度和安裝質(zhì)量，或采用“動葉可調(diào)”式風機，進行調(diào)角調(diào)節(jié)。這種方法雖然減少了風量和軸向來風風速，但同時也調(diào)整了葉片的安裝角度，故沖角i基本保持不變，因而避免了脫流、喘振現(xiàn)象的發(fā)生。調(diào)葉片安裝角調(diào)節(jié)，是一種經(jīng)濟高效、節(jié)能降耗省電的調(diào)節(jié)方法。調(diào)角調(diào)節(jié)的特性曲線，見圖5(a)；速度三角形，見圖9（a）。

（5）前導器調(diào)節(jié)（導向靜葉）是一種小型軸流式風機采用較多的調(diào)節(jié)手段，這種調(diào)節(jié)措施，在導葉關小時，給予進入葉輪的氣流以預先旋轉(zhuǎn)，使氣流與葉輪的合成氣流，與葉片間的沖角維持原值或改變不大，不至于出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，見圖9（b）。

圖9 動葉可調(diào)與前導器調(diào)節(jié)的速度三角形

4 事故案例

某廠300MW機組鍋爐，配兩臺丹麥生產(chǎn)的動葉可調(diào)風機，某日聽到鐵件撞擊后落下的巨響，風機劇烈震動，風機葉片斷裂破壞。原因是葉片安裝角度不一致，且在調(diào)換個別備品葉片時，對葉片進行了略微打磨，沒有整套葉片一起調(diào)換，使幾何形態(tài)不等、轉(zhuǎn)動應力不均、自震頻率改變，發(fā)生共震喘振現(xiàn)象，導致風機損壞。因此，在調(diào)角調(diào)節(jié)過程中，必須保證調(diào)節(jié)角度、葉片結構、形式、重量、質(zhì)量的一致性，以防失速和喘振破壞。

5 結語

增阻節(jié)流調(diào)節(jié)是導致風機（包括離心式）在不穩(wěn)定工況點運行而脫流與喘振的重要原因。對風機的喘振可以在風機入口處安裝皮托管微壓差開關，喘振時皮托管發(fā)送較大的脈沖壓力信號，通過壓力開關，使電接觸器發(fā)出警報信號（失速探頭報警的壓力差可設為245～392 Pa），一旦預警就迅速關閉動葉，降低系統(tǒng)風壓，防止葉片共振損壞風機和葉片。因此，找出風機喘振的原因和過程，采取針對性的防范措施并進行預警預報，就可以保證風機安全可靠、高效穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。

[1]俞文兵.軸流風機喘振故障原因分析及對策[J].石油化工技術與經(jīng)濟,2011,27(6)：39-41,52.

[2]楊詩成,王喜魁.泵與風機[M].4版.北京：中國電力出版社,2012.

[3]丁鵬,吳躍東.動葉可調(diào)軸流通風機的失速與喘振分析及改進措施[J].風機技術,2007(3)：66-69.

The Off-flow and Surge Analysis and Preventive Measures of Axial Flow Fan

LIU Ji-bo

(School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003)

In this paper,the stress of the axial flow fan,velocity triangle and rotating flow and surge phenomenon are analyzed,and illustrates the cause to take off the flow and surge,formulate the measures to prevent surge phenomenon,to prevent axial flow fan and the fatigue damage of pipeline system and scientific management of the fan provides the reference.

axial flow fan；off-flow;surge；lift;resistance

TH432.1

A

1674-0874(2017)06-0060-06

2017-06-16

劉吉波（1961-），男，山東煙臺人，副教授，研究方向：安全工程。

〔責任編輯 王東〕