軸流通風(fēng)機(jī)失速與喘振分析

1、軸流通風(fēng)機(jī)失速與喘振分析李春宏/國(guó)華浙能寧海電廠摘要:通過(guò)闡述軸流通風(fēng)機(jī)失速和喘振的機(jī)理,并分析實(shí)際生產(chǎn)中軸流通風(fēng)機(jī)失速和喘振的發(fā)生過(guò)程,最終給生產(chǎn)運(yùn)行人員提出了處理該故障的方法.關(guān)鍵詞:軸流式通風(fēng)機(jī);失速;喘振;處理方法中圖分類(lèi)號(hào):TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1006-8155(2008)02-0077-04Analysis on Stall and Surge of Axial-flow FanAbstract: This paper specifies the mechanism of stall and surge of axial-flow fan and analyze

2、s the occurring process of stall and surge during the actual manufacturing. Finally, the treatment for this fault is pointed out for the operators.Key words: axial-flow fan; stall; surge; treatment0 引言我廠在調(diào)試和生產(chǎn)過(guò)程中,一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)(均為軸流通風(fēng)機(jī))曾多次發(fā)生失速和喘振,影響風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)處于正常工況時(shí),沖角很小(氣流方向與葉片葉弦的夾角即為沖角),氣流繞過(guò)機(jī)翼型葉片而保持流線狀態(tài),如圖1a所

3、示.當(dāng)氣流與葉片進(jìn)口形成正沖角,即>0,且此正沖角超過(guò)某一臨界值時(shí),葉片背面流動(dòng)工況開(kāi)始惡化,邊界層受到破壞,在葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū),即所謂"失速"現(xiàn)象,如圖1b所示.沖角大于臨界值越多,失速現(xiàn)象越嚴(yán)重,流體的流動(dòng)阻力越大,使葉道阻塞,同時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓也隨之迅速降低.圖1 沖角與失速風(fēng)機(jī)的葉片在加工及安裝過(guò)程中,由于各種原因使葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角.因此,當(dāng)運(yùn)行工況變化而使流動(dòng)方向發(fā)生偏離時(shí),在各個(gè)葉片進(jìn)口的沖角就不可能完全相同.如果某一葉片進(jìn)口處的沖角達(dá)到臨界值時(shí),就首先在該葉片上發(fā)生失速,而不會(huì)所有葉片都同時(shí)發(fā)生失速.如圖2中,u是對(duì)應(yīng)葉片上某點(diǎn)的周向速

4、度;w是氣流對(duì)葉片的相對(duì)速度;為沖角.假設(shè)葉片2和3間的葉道23首先由于失速出現(xiàn)氣流阻塞現(xiàn)象,葉道受堵塞后,通過(guò)的流量減少,在該葉道前形成低速停滯區(qū),于是氣流分流進(jìn)入兩側(cè)通道12和34,從而改變了原來(lái)的氣流方向,使流入葉道12的氣流沖角減小,而流入葉道34的沖角增大.可見(jiàn),分流結(jié)果使葉道12繞流情況有所改善,失速的可能性減小,甚至消失;而葉道34內(nèi)部卻因沖角增大而促使發(fā)生失速,從而又形成堵塞,使相鄰葉道發(fā)生失速.這種現(xiàn)象繼續(xù)進(jìn)行下去,使失速所造成的堵塞區(qū)沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)相反的方向推進(jìn),即產(chǎn)生所謂的"旋轉(zhuǎn)失速"現(xiàn)象.風(fēng)機(jī)進(jìn)入到不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行,葉輪內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)到數(shù)個(gè)旋轉(zhuǎn)失速區(qū).

5、葉片每經(jīng)過(guò)一次失速區(qū)就會(huì)受到一次激振力的作用,從而可使葉片產(chǎn)生共振.此時(shí),葉片的動(dòng)應(yīng)力增加,可能致使葉片斷裂,造成重大設(shè)備損壞事故.圖2 旋轉(zhuǎn)失速大型火電機(jī)組的送風(fēng)機(jī)一般是定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的,即葉片周向速度u是一定值 ,這樣影響葉片沖角大小的因素就是氣流速度與葉片開(kāi)度角.如圖2所示,可以看出:當(dāng)葉片開(kāi)度角一定時(shí),如果氣流速度c越小時(shí),沖角就越大,產(chǎn)生失速的可能性也就越大.從圖2還可以看出,當(dāng)流速c一定時(shí),如果葉片角度減小,則沖角也減小;當(dāng)流速c很小時(shí),只要葉片角度很小,則沖角也很小.因此,當(dāng)風(fēng)機(jī)剛啟動(dòng)或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),風(fēng)機(jī)失速的可能性大大減小甚至消失.1.2 喘振的產(chǎn)生機(jī)理當(dāng)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力突然增大使得流

6、量和流速減小,或風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)得過(guò)大,都會(huì)使進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉柵的氣流沖角增大,沖角超過(guò)臨界值時(shí),在葉片背面尾端就會(huì)出現(xiàn)渦流(脫流)區(qū),沖角超過(guò)臨界值越多,則失速越嚴(yán)重,在葉片背部形成的渦流區(qū)也會(huì)迅速擴(kuò)大,使葉片流道出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象,此時(shí)流動(dòng)阻力增加,風(fēng)機(jī)輸送的壓能則大為降低,發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速,流動(dòng)工況大為惡化, 風(fēng)機(jī)出口壓力明顯下降.此時(shí)若管網(wǎng)容量較大,且反應(yīng)不敏感,管網(wǎng)中的壓力不會(huì)同時(shí)立即下降而維持較高值,這使得管網(wǎng)中壓力大于風(fēng)機(jī)出口壓力. 壓力高的氣體有一種回沖趨勢(shì),使風(fēng)機(jī)中氣體流動(dòng)惡化,當(dāng)氣流前進(jìn)的動(dòng)能不足以克服回沖趨勢(shì)時(shí),管網(wǎng)中的氣流反過(guò)來(lái)向風(fēng)機(jī)倒流(圖3中AKDC).這種倒流結(jié)果使得葉柵前后壓力差逐漸

7、消失.此時(shí)氣流又在葉片的推動(dòng)下做正向流動(dòng),風(fēng)機(jī)又恢復(fù)了正常工作,向管網(wǎng)輸氣(圖3中CDK).管網(wǎng)壓力升高到一定值后,風(fēng)機(jī)的正常排氣又受到阻礙,流量又大大減小,風(fēng)機(jī)又出現(xiàn)失速,出口壓力又突然下降,繼而又出現(xiàn)倒流.如此不斷循環(huán),于是出現(xiàn)了整個(gè)風(fēng)機(jī)管網(wǎng)系統(tǒng)的周期性振蕩現(xiàn)象, 即形成風(fēng)機(jī)"喘振現(xiàn)象".軸流通風(fēng)機(jī)喘振的發(fā)生首先是由于工況改變時(shí),葉柵氣動(dòng)參數(shù)與幾何參數(shù)不協(xié)調(diào),形成旋轉(zhuǎn)失速.但也并不是所有旋轉(zhuǎn)失速都一定會(huì)導(dǎo)致喘振,風(fēng)機(jī)喘振還與管網(wǎng)系統(tǒng)有關(guān).喘振現(xiàn)象的形成包含著兩方面的因素:從內(nèi)部來(lái)說(shuō),取決于葉柵內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的突變性旋轉(zhuǎn)失速;從外部條件來(lái)說(shuō),又與管網(wǎng)容量和阻力特性有關(guān).另外,

8、風(fēng)機(jī)喘振的頻率越低,振幅就越大.總之,失速是引發(fā)喘振的前因,但失速不一定會(huì)喘振,喘振是失速惡化的宏觀表現(xiàn).1.3 工程應(yīng)用分析以上是理論上對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)喘振的的闡述,它與實(shí)際的喘振現(xiàn)象存在著差異.現(xiàn)有的喘振型理論是建立在大容量系統(tǒng)單風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上,工程上應(yīng)用的是兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行的方式.實(shí)際運(yùn)行中,軸流通風(fēng)機(jī)喘振發(fā)生在增加風(fēng)機(jī)出力的過(guò)程中.并列運(yùn)行的風(fēng)機(jī)只是單臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振, 不會(huì)兩臺(tái)同時(shí)喘振.風(fēng)機(jī)喘振時(shí)電動(dòng)機(jī)電流下降, 并無(wú)擺動(dòng)現(xiàn)象,最明顯特征是喘振風(fēng)機(jī)的風(fēng)量被壓制,急劇下降,系統(tǒng)空氣倒流入風(fēng)機(jī).下面結(jié)合圖3進(jìn)行分析.圖3 工況變化與失速過(guò)程(定流量運(yùn)行)(1)軸流通風(fēng)機(jī)的p-Q性能曲線是

9、一組帶有駝峰形狀的曲線(見(jiàn)圖3).風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)為例,假設(shè)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)存在微小差別(實(shí)際運(yùn)行中兩臺(tái)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)也不會(huì)完全相同,可能交替變化或者保持一定的差值).通風(fēng)系統(tǒng)正常狀態(tài)下,A,B兩臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為QA,QB,對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)出口全風(fēng)壓為p1,風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)分別在圖3中a,b位置上.這時(shí)的工作點(diǎn)都處在各自動(dòng)葉角度下p-Q性能曲線臨界點(diǎn)的右半段.風(fēng)機(jī)處在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行.即使兩臺(tái)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉角度不一致或風(fēng)量有較大偏差,也能穩(wěn)定運(yùn)行.若由于某種因素導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)阻力增加,A,B風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)將出現(xiàn)上移現(xiàn)象.如圖3所示,假設(shè)這時(shí)2臺(tái)風(fēng)機(jī)仍需要保持風(fēng)量QA,QB,由于通風(fēng)系統(tǒng)阻力增加,勢(shì)必要開(kāi)大風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)將上移至a,b位置

10、.a已是A風(fēng)機(jī)此時(shí)動(dòng)葉角度下p-Q性能曲線上的臨界點(diǎn).B風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)b則以微小差值仍處在相應(yīng)動(dòng)葉角度下p-Q風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)上移至a時(shí),即到達(dá)了喘振的邊緣.此狀態(tài)下系統(tǒng)壓力一旦出現(xiàn)波動(dòng),系統(tǒng)壓力與A風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微壓差,在這個(gè)壓差的作用下,A風(fēng)機(jī)風(fēng)量受阻,風(fēng)機(jī)出口的流速,總壓頭隨之下降,系統(tǒng)壓力與A風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓之間的壓差進(jìn)一步增大,A風(fēng)機(jī)風(fēng)量,壓頭繼續(xù)下降.這一過(guò)程處在惡性循環(huán)變化之中,直至A風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓崩潰,風(fēng)量倒流入風(fēng)機(jī).A風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)沿p-Q性能曲線滑向左端,即是軸流通風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生喘振的過(guò)程.受A風(fēng)機(jī)喘振影響,系統(tǒng)壓力有所下降,B風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓力沿p-Q性能曲線迅速移向

11、右下方,風(fēng)量急劇增加,系統(tǒng)壓力由B風(fēng)機(jī)維持.1.4 實(shí)例分析上面圖例是風(fēng)機(jī)在異常工況下為維持一定流量而導(dǎo)致的失速,下面舉一實(shí)例分析風(fēng)機(jī)在異常工況下為維持一定壓力而導(dǎo)致的失速.2007年9月4日,寧海電廠4號(hào)機(jī)因送風(fēng)機(jī)跳閘觸發(fā)RB動(dòng)作,4E磨,4D磨相繼跳閘.由于跳閘磨的一次風(fēng)門(mén)連鎖關(guān)閉,導(dǎo)致一次風(fēng)流量突然減少和一次風(fēng)管阻力瞬時(shí)增大,母管壓力突升(見(jiàn)圖4).在自動(dòng)調(diào)節(jié)方式的兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)為了維持母管壓力至設(shè)定值,它們的動(dòng)葉均自動(dòng)關(guān)小.在此過(guò)程中,風(fēng)機(jī)出口流量減少,風(fēng)速降低,沖角變大,逐漸向失速工況靠近.最終由于微小的差別使得B一次風(fēng)機(jī)首先到達(dá)了臨界工作點(diǎn),出口流量突降,電機(jī)電流突降,母管壓力突降.

12、為了維持壓力,它們的動(dòng)葉又馬上自動(dòng)開(kāi)大.此時(shí)實(shí)際上只有A一次風(fēng)機(jī)在出力,所以動(dòng)葉開(kāi)度要比原來(lái)大很多,但母管壓力反而低很多,從它們的電流變化上也可以看出.運(yùn)行人員馬上將風(fēng)機(jī)切換至手動(dòng)控制,逐漸關(guān)小兩者的動(dòng)葉開(kāi)度.當(dāng)關(guān)到一定開(kāi)度時(shí),B一次風(fēng)機(jī)又越過(guò)了臨界工作點(diǎn),開(kāi)始出力,電流和母管壓力都有一個(gè)突升.隨后再根據(jù)電流值調(diào)整動(dòng)葉開(kāi)度,平衡兩者的出力,最終消除了故障.圖4 一次風(fēng)機(jī)失速過(guò)程曲線以上發(fā)生失速的過(guò)程可以利用軸流通風(fēng)機(jī)的性能曲線來(lái)分析,見(jiàn)圖5:(1)RB發(fā)生前,A/B風(fēng)機(jī)分別處于a0/b0工況點(diǎn);(2)RB發(fā)生,壓力從p0突升至p1,工況轉(zhuǎn)到a1/b1;(3)兩風(fēng)機(jī)動(dòng)葉同時(shí)自動(dòng)關(guān)小,工況轉(zhuǎn)到a2

13、/b2,B風(fēng)機(jī)先達(dá)到臨界點(diǎn),即 b2點(diǎn);(4)B風(fēng)機(jī)失穩(wěn),流量減少,兩風(fēng)機(jī)動(dòng)葉均自動(dòng)開(kāi)大.B風(fēng)機(jī)沿著流量曲線滑向b3點(diǎn),A風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)到a3點(diǎn),流量劇增.母管壓力降至p3. 圖5 工況變化與失速過(guò)程(定壓運(yùn)行)3 結(jié)論通過(guò)以上理論與實(shí)例分析,對(duì)于如何正確處理軸流通風(fēng)機(jī)的失速或喘振故障,特提出以下建議.(1)當(dāng)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)大,出力下降,電流顯著減小,就地振動(dòng)大,噪聲高,這時(shí)基本可以判定風(fēng)機(jī)已失速.應(yīng)立即撤出風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)為手動(dòng)調(diào)節(jié),逐漸減少喘振風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉開(kāi)度(即減小角),降低Q-p曲線,降低臨界工作點(diǎn)(K點(diǎn)),使調(diào)節(jié)后的風(fēng)機(jī)處于風(fēng)機(jī)的高效率穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)工作,直至喘振風(fēng)機(jī)的電流回升至正常值.在這同時(shí)可以快速降低機(jī)組負(fù)荷,并減小另一