轴流通风机失速与喘振分析

轴流通风机失速与喘振分析

摘要：通过阐述轴流通风机失速和喘振的机理，并分析实际生产中轴流通风机失速和喘振的发生过程，最终给生产运行人员提出了处理该故障的方法。

关键词 : 轴流式通风机；失速；喘振；处理方法

中图分类号：TH432.1 文献标识码 :B

0 引言

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 失速与喘振的的成因机理分析

1.1 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。

1.2 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 A → K → D → C ）。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C → D → K ）。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。

1.3 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。

（ 1 ）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。

（ 2 ）以 A 、B 两台并列运行的轴流通风机为例，假设两台风机工作点存在微小差别 （实际运行中两台风机工作点也不会完全相同，可能交替变化或者保持一定的差值）。通风系统正常状态下，A 、B 两台风机风量为QA 、QB ，对应风机出口全风压为p1，风机工作点分别在图3中a 、b 位置上。这时的工作点都处在各自动叶角度下 p - Q 性能曲线临界点的右半段，风机处在稳定状态运行。即使两台风机动叶角度不一致或风量有较大偏差，也能稳定运行。若由于某种因素导致通风系统阻力增加，A 、B 风机的工作点将出现上移现象。如图3所示，假设这时2台风机仍需要保持风量 QA 、QB ，由于通风系统阻力增加，势必要开大风机的动叶角度，提高出口全风压来维持 QA 、QB 不变。这时相应工作点要上移。当通风系统阻力增大到一定数值，A 、B 风机的工作点将上移至a ′、b ′位置。a ′已是 A 风

机此时动叶角度下p - Q 性能曲线上的临界点。B 风机的工作点b ′则以微小差值仍处在相应动叶角度下p - Q性能曲线上的临界点的右端。这时系统压力为p2。在 A 风机工作点上移至a ′时，即到达了喘振的边缘。此状态下系统压力一旦出现波动，系统压力与 A 风机的全风压之间就会产生一个微压差，在这个压差的作用下，A 风机风量受阻，风机出口的流速、总压头随之下降，系统压力与A 风机全风压之间的压差进一步增大，A 风机风量、压头继续下降。这一过程处在恶性循环变化之中，直至A 风机全风压崩溃，风量倒流入风机。A 风机工作点沿p - Q性能曲线滑向左端，即是轴流通风机在实际运行中发生喘振的过程。受

A 风机喘振影响，系统压力有所下降，B 风机工作点对应的系统压力沿p - Q性能曲线迅速移向右下方，风量急剧增加，系统压力由B 风机维持。

1.4 实例分析

上面图例是风机在异常工况下为维持一定流量而导致的失速，下面举一实例分析风机在异常工况下为维持一定压力而导致的失速。

2007年9月4日，宁海电厂4号机因送风机跳闸触发RB 动作，4E 磨、4D 磨相继跳闸。由于跳闸磨的一次风门连锁关闭，导致一次风流量突然减少和一次风管阻力瞬时增大，母管压力突升（见图4）。在自动调节方式的两台一次风机为了维持母管压力至设定值，它们的动叶均自动关小。在此过程中，风机出口流量减少，风速降低，冲角变大，逐渐向失速工况靠近。最终由于微小的差别使得B 一次风机首先到达了临界工作点，出口流量突降，电机电流突降，母管压力突降。为了维持压力，它们的动叶又马上自动开大。此时实际上只有A 一次风机在出力，所以动叶开度要比原来大很多，但母管压力反而低很多，从它们的电流变化上也可以看出。运行人员马上将风机切换至手动控制，逐渐关小两者的动叶开度。当关到一定开度时，B 一次风机又越过了临界工作点，开始出力，电流和母管压力都有一个突升。随后再根据电流值调整动叶开度，平衡两者的出力，最终消除了故障。

以上发生失速的过程可以利用轴流通风机的性能曲线来分析，见图5：（1）RB 发生前， A/B 风机分别处于a0/b0工况点；（2）RB 发生，压力从p0突升至p1，工况转到a1/b1；

（3）两风机动叶同时自动关小，工况转a2/b2，B 风机先达到临界点，即b2点；（4） B 风机失稳，流量减少，两风机动叶均自动开大。B 风机沿着流量曲线滑向b3点，A 风机转到a3点，流量剧增，母管压力降至p3。

3 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。