張勁劉俊偉肖先奎/成都電力機(jī)械廠

電站軸流風(fēng)機(jī)失速綜述及對(duì)策

張勁劉俊偉肖先奎/成都電力機(jī)械廠

對(duì)電站軸流風(fēng)機(jī)的失速機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，總結(jié)出電站軸流風(fēng)機(jī)在實(shí)際使用中各類失速的表現(xiàn)形式、原因及預(yù)防應(yīng)對(duì)措施，為分析處理電站軸流風(fēng)機(jī)失速問(wèn)題提供參考。

軸流風(fēng)機(jī)；空氣動(dòng)力特性；失速；沖角；監(jiān)測(cè)；管網(wǎng)曲線

0 引言

隨著火電機(jī)組容量的不斷大型化及追求高效，軸流風(fēng)機(jī)因其低負(fù)荷區(qū)域效率較高、調(diào)節(jié)范圍寬廣、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而成為引、送、一次風(fēng)機(jī)的首選。但軸流風(fēng)機(jī)存在不穩(wěn)定區(qū)的缺陷導(dǎo)致失速問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，給電廠的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)諸多隱患。由于風(fēng)機(jī)失速的表現(xiàn)形式多樣，靜葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)與動(dòng)葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式存在差異，再加上失速報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能出現(xiàn)誤報(bào)等情形，錯(cuò)綜復(fù)雜的情況給電廠生產(chǎn)運(yùn)行人員判斷和處理失速帶來(lái)諸多困惑，為此本文就風(fēng)機(jī)失速進(jìn)行分析和總結(jié)，給生產(chǎn)運(yùn)行人員及時(shí)采取正確的處理措施，避免設(shè)備損壞等事故的發(fā)生提供參考[1-2]。

1 葉片的空氣動(dòng)力特性

電站軸流風(fēng)機(jī)葉片通常均為機(jī)翼型，實(shí)際流體在流過(guò)機(jī)翼時(shí)，由于附面層的影響，改變了葉型上下表面的速度分布，使葉型上表面速度增加，下表面速度減小，因而產(chǎn)生了一個(gè)向上的升力。在產(chǎn)生升力的同時(shí)，也產(chǎn)生了阻力，葉片升力和阻力的特性即是葉片的空氣動(dòng)力特性[3]。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于確定的葉柵，其葉型的升力系數(shù)Cy、阻力系數(shù)Cx與沖角α的相互關(guān)系見(jiàn)圖1，當(dāng)α＜αmax時(shí)，Cy隨α的增大而升高，在α達(dá)到最大值αmax時(shí)，Cy達(dá)到最大，此時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓亦達(dá)到性能曲線的最大值，α繼續(xù)增加，Cy將迅速降低而Cx將急劇上升，此時(shí)氣流離開(kāi)葉片吸力面發(fā)生附面層分離，按儒考夫斯基理論，風(fēng)機(jī)的升壓py=ρCybWm2/2。

圖1 葉片空氣動(dòng)力特性圖

式中：ρ為介質(zhì)密度；Cy為升力系數(shù)，決定于動(dòng)葉葉型及氣流沖角；b為葉片弦長(zhǎng)；Wm為相對(duì)于動(dòng)葉的平均氣流速度，它與翼弦形成的夾角稱為沖角。

2 失速定義、產(chǎn)生機(jī)理、過(guò)程及現(xiàn)象[4-5]

2.1 失速的定義

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的全壓升高到其特性曲線的頂點(diǎn)后，若管網(wǎng)阻力再增大，風(fēng)機(jī)的全壓將會(huì)突然下降，這種現(xiàn)象稱為風(fēng)機(jī)失速。

2.2 失速產(chǎn)生機(jī)理

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，動(dòng)葉葉型固定不變，即葉片弦長(zhǎng)b是確定不變的，且特定工況下介質(zhì)密度不變，升力系數(shù)Cy與沖角α的關(guān)系曲線也是確定的，在轉(zhuǎn)速和安裝角一定時(shí)，風(fēng)機(jī)的壓力僅與Cy、Wm相關(guān)。

在系統(tǒng)阻力增大時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量減小，氣流速度由c減小為c'，葉輪的周向速度不變，u等于u'，則沖角α相應(yīng)增大為α'，變化的速度三角形見(jiàn)圖2。當(dāng)沖角達(dá)到最大值αmax時(shí)，若風(fēng)量繼續(xù)減小，則葉片背面流動(dòng)工況開(kāi)始惡化，邊界層受到破壞，葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū)，升力系數(shù)下降而阻力系數(shù)上升，出力急劇降低，風(fēng)機(jī)即出現(xiàn)失速。沖角大于臨界值越多，失速現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖2 風(fēng)量變化時(shí)的速度三角形圖

2.3 失速過(guò)程及現(xiàn)象

實(shí)際運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)，由于各種原因使葉片不可能具有完全相同的形狀和安裝角，因此各個(gè)葉片進(jìn)口的沖角不可能完全相同。如果某一葉片進(jìn)口處的沖角達(dá)到臨界值，則首先在該葉片上發(fā)生失速，而不會(huì)所有葉片都同時(shí)發(fā)生失速。如圖3所示，假設(shè)葉片2，3，4間的葉道由于失速出現(xiàn)氣流阻塞現(xiàn)象，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45，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45的沖角增大。其結(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；葉道45內(nèi)部卻因沖角增大而促使發(fā)生失速。這種現(xiàn)象繼續(xù)進(jìn)行下去，使堵塞區(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)。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，從而可能與葉片產(chǎn)生共振，而氣流分離產(chǎn)生的旋渦，將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)噪聲變化，風(fēng)量、風(fēng)壓及配套電機(jī)電流降低，風(fēng)機(jī)振動(dòng)值增加。

圖3 風(fēng)機(jī)失速過(guò)程及現(xiàn)象圖

3 影響沖角大小的因素

在定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，葉片周向速度u為一定值，則影響葉片沖角大小的因素就是氣流速度與葉片開(kāi)度角。

由圖2可以看出：當(dāng)葉片開(kāi)度一定時(shí)，如果流速c越小，沖角α就越大，產(chǎn)生失速的可能性也就越大。

由圖4可以看出：當(dāng)風(fēng)量一定時(shí)，則流速c不變，如果葉片角度越小，則沖角α也越??；當(dāng)流速c很小時(shí)，只要葉片角度很小，則沖角α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。

圖4 動(dòng)調(diào)風(fēng)機(jī)開(kāi)度變化時(shí)的速度三角形圖

對(duì)于靜調(diào)風(fēng)機(jī)，葉輪葉片的角度固定不變，進(jìn)口氣流角的改變是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口靜葉開(kāi)度以改變進(jìn)口氣流的方向，如圖5所示，在軸向速度不發(fā)生變化的情況下，減小進(jìn)口靜葉開(kāi)度，沖角將減小，這與動(dòng)調(diào)風(fēng)機(jī)開(kāi)度變化時(shí)的規(guī)律一致。

圖5 靜調(diào)風(fēng)機(jī)開(kāi)度變化時(shí)的速度三角形圖

4 風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中的運(yùn)行

4.1 運(yùn)行工況點(diǎn)的確定

風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量等于管網(wǎng)通過(guò)的風(fēng)量，產(chǎn)生的壓力與管網(wǎng)阻力損失相等，則風(fēng)機(jī)能穩(wěn)定的工作[6]。圖6中，R為系統(tǒng)阻力線，在負(fù)荷點(diǎn)沿阻力線R由1→2→3過(guò)程中，逐漸增大風(fēng)機(jī)的開(kāi)度，風(fēng)機(jī)的流量、壓力增加，與管網(wǎng)風(fēng)量、壓力達(dá)到平衡，如此形成每一個(gè)負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)。

圖6 風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的確定圖

4.2 風(fēng)機(jī)并聯(lián)[7-8]

圖7、圖8中，b-c線為風(fēng)機(jī)某一開(kāi)度的正常運(yùn)行區(qū)，a-b線為該開(kāi)度下的失速線，0-1-6-7線為系統(tǒng)阻力線，0-2線為風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線。

若兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，則兩臺(tái)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)沿著0-2線同步到達(dá)點(diǎn)2，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)順利并聯(lián)。

若第一臺(tái)風(fēng)機(jī)（簡(jiǎn)稱A風(fēng)機(jī)）先啟動(dòng)，b-c線為此時(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行開(kāi)度，其工作點(diǎn)為點(diǎn)1，此時(shí)啟動(dòng)第二臺(tái)風(fēng)機(jī)（簡(jiǎn)稱B風(fēng)機(jī)），在風(fēng)機(jī)達(dá)到全速后系統(tǒng)擋板稍微開(kāi)啟一點(diǎn)，點(diǎn)4將是B風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。

若此時(shí)進(jìn)一步開(kāi)啟B風(fēng)機(jī)的擋板，其運(yùn)行點(diǎn)沿著4-3-2線移動(dòng)，A風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)沿著1-5-2線移動(dòng)。在B風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)3時(shí)，A運(yùn)行點(diǎn)同步到達(dá)點(diǎn)5，進(jìn)一步增大B風(fēng)機(jī)的擋板，A風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)沿著5-2線移動(dòng)，由于兩臺(tái)風(fēng)機(jī)必須在相同壓力下運(yùn)行，則B風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)將沿3-8-a線移動(dòng)。在A風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)2時(shí)，B風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)同步到達(dá)點(diǎn)8。很明顯，這種方式并聯(lián)的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，其總風(fēng)量不能滿足系統(tǒng)在點(diǎn)7時(shí)的風(fēng)量需求，B風(fēng)機(jī)處于失速狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)不當(dāng)圖

為滿足系統(tǒng)在點(diǎn)7的風(fēng)量需求，則需盡量減小先運(yùn)行風(fēng)機(jī)的開(kāi)度,使B風(fēng)機(jī)起始工作點(diǎn)4變?yōu)?'，并沿4'-2'線移動(dòng)，而A風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)沿1'-2'線移動(dòng)，在兩臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)均到達(dá)點(diǎn)2'時(shí)，再同步調(diào)整兩臺(tái)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)到點(diǎn)2，滿足系統(tǒng)在點(diǎn)7的風(fēng)量需求,如圖8所示。

圖8 兩臺(tái)風(fēng)機(jī)順利并聯(lián)圖

動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)雖然并聯(lián)相對(duì)容易，但圖7和圖8所述情況同樣適用。

4.3 風(fēng)機(jī)的失速裕度

為保證在管網(wǎng)阻力稍有波動(dòng)或變化時(shí)風(fēng)機(jī)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)留有足夠的失速裕度，其值k由設(shè)計(jì)工況點(diǎn)和該開(kāi)度下的失速點(diǎn)的風(fēng)量、風(fēng)壓按公式k=pk/p·(q/qk)2求出，并要求k＞1.3。各參數(shù)的定義如圖9所示。

圖9 失速裕度參數(shù)定義圖

5 風(fēng)機(jī)的失速監(jiān)測(cè)

失速監(jiān)測(cè)裝置如圖10所示（以德國(guó)KKK技術(shù)為例），裝置包括兩個(gè)探針和一個(gè)差壓開(kāi)關(guān)，探針沿葉片旋轉(zhuǎn)方向靠背布置在葉片進(jìn)口前端，一個(gè)探針正對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)方向，測(cè)得的壓力高，接至差壓開(kāi)關(guān)的高壓端，另一個(gè)探針背對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)方向，測(cè)得的壓力低，接至差壓開(kāi)關(guān)的低壓端。正常運(yùn)行時(shí)，氣流沿軸向流動(dòng)，兩個(gè)探針測(cè)得的壓差信號(hào)很小，進(jìn)入失速區(qū)后，由于失速區(qū)沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向的推進(jìn)，使得氣流沿旋轉(zhuǎn)方向存在速度分量，正對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)方向的探針測(cè)得的壓力信號(hào)將急劇上升，背對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)方向的探針測(cè)得的壓力信號(hào)將減小，兩個(gè)探針的壓差增大，超過(guò)差壓開(kāi)關(guān)的設(shè)定值后即輸出信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警，達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。

圖10 失速報(bào)警監(jiān)測(cè)示意圖

6 風(fēng)機(jī)失速甄別和失速的預(yù)防處理

6.1 失速甄別

在系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，若出現(xiàn)以下一些特征，則風(fēng)機(jī)出現(xiàn)失速：

1）風(fēng)機(jī)正常調(diào)整過(guò)程中，電流和壓力大幅度變化；

2）并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)，未進(jìn)行開(kāi)度調(diào)節(jié)，其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)的電流、壓力大幅度降低；

3）并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)，未進(jìn)行開(kāi)度調(diào)節(jié)，電流出現(xiàn)較大差異的變化，且調(diào)整電流小的風(fēng)機(jī)開(kāi)度，其出力改變很小。

同時(shí)，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲均較正常運(yùn)行時(shí)偏高,且噪聲音調(diào)偏低，顯得沉悶。

6.2 常見(jiàn)表現(xiàn)形式及排除方法

風(fēng)機(jī)失速時(shí)表現(xiàn)形式較多，按處理措施由易到難的大致順序見(jiàn)表1[9]。

表1 失速常見(jiàn)表現(xiàn)形式、誘因及排除方法表

6.3 運(yùn)行中失速的處理[10-12]

處理失速的方法本質(zhì)是使氣流相對(duì)葉片的氣流沖角減小，消除葉片尾部渦流，恢復(fù)繞流，運(yùn)行中出現(xiàn)失速時(shí)，應(yīng)進(jìn)行如下處理：

1）檢查和確認(rèn)系統(tǒng)設(shè)備是否存在局部阻力異常情況，如各擋板的開(kāi)度是否全部打開(kāi)，暖風(fēng)器、空預(yù)器等是否堵塞等；檢查系統(tǒng)控制參數(shù)是否異常，如過(guò)高的氧量，增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口過(guò)高的負(fù)壓等；

2）快速降低機(jī)組負(fù)荷，減小風(fēng)機(jī)的運(yùn)行開(kāi)度（條件允許時(shí)可將風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制解除，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，以避免兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的頻繁搶風(fēng)），直至風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常；

3）若較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍不能消除風(fēng)機(jī)失速狀態(tài)，則需停機(jī)檢查。

6.4 失速預(yù)防[13-16]

為防患于未然，需做好以下相關(guān)措施：

1）足夠的失速裕度

選型設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行失速裕度計(jì)算，確保每一工況點(diǎn)的失速裕度達(dá)到大于1.3的要求。

2）精確的制造質(zhì)量

對(duì)葉片型線、葉片頂部與機(jī)殼間的間隙等的制造精確控制，避免個(gè)別葉片因型線差異、過(guò)大間隙導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力降低等誘導(dǎo)失速。

3）良好的安裝狀態(tài)

確保風(fēng)機(jī)各定位機(jī)構(gòu)、動(dòng)葉片角度、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等的一致性、同步性，避免風(fēng)機(jī)出力差異導(dǎo)致失速。

4）可靠的監(jiān)測(cè)措施

確保失速報(bào)警監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)備、壓力信號(hào)檢測(cè)、傳輸通道、電信號(hào)輸出通道、整定值等均處于可靠狀態(tài)，為失速的判斷和處理提供依據(jù)。

5）合理的運(yùn)行調(diào)控措施

鍋爐系統(tǒng)應(yīng)盡量維持在設(shè)計(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，避免風(fēng)量、風(fēng)壓及排煙溫度等大幅偏離設(shè)計(jì)參數(shù)；并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)開(kāi)度、電流盡量一致，避免過(guò)快調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)開(kāi)度。

6）完善的維護(hù)措施

在日常維護(hù)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)如送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)的進(jìn)口消聲器，出口暖風(fēng)器以及空預(yù)器等易于堵塞的設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)維護(hù)，北方地區(qū)還應(yīng)注意結(jié)冰、低溫腐蝕，大風(fēng)后則應(yīng)注意楊絮、柳絮和塑料膜等堵塞設(shè)備。

7 結(jié)論

電站軸流風(fēng)機(jī)失速特征多種多樣，原因錯(cuò)綜復(fù)雜，有時(shí)一個(gè)失速問(wèn)題可能存在多個(gè)原因，在處理完其中一項(xiàng)之后仍然存在失速的問(wèn)題，因此以上總結(jié)的一些失速特征、處理措施不能涵蓋所有失速現(xiàn)象，但只要弄清失速機(jī)理、監(jiān)測(cè)方法、風(fēng)機(jī)運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制，并對(duì)風(fēng)機(jī)性能、系統(tǒng)特性認(rèn)真分析，那么失速問(wèn)題將不再會(huì)是困擾電廠的一大難題，如此亦達(dá)到本文的目的。

[1]李慶宜.通風(fēng)機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[2]B.?？耍ㄖ?沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)研究所等（譯）.通風(fēng)機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[3]李恩辰，徐賢曼.鍋爐設(shè)備及運(yùn)行[M].北京：中國(guó)電力出版社，1991.

[4]商景泰.通風(fēng)機(jī)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[5]車長(zhǎng)源.鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[6]中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢公司.火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程.DL 5000-2000[S].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[7]劉家鈺.電站風(fēng)機(jī)改造與可靠性分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[8]山西省電力工業(yè)局.鍋爐設(shè)備運(yùn)行（中級(jí)工）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[9]丁明舫，崔百成，陸其虎，等.鍋爐技術(shù)問(wèn)答1100題（上冊(cè)）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[10]應(yīng)靜良，李永華，龐力平，等.電站鍋爐空氣預(yù)熱器[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[11]王志飛，錢曉峰.軸流式雙級(jí)葉輪一次風(fēng)機(jī)失速分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007(2):78-80.

[12]李春宏.軸流通風(fēng)機(jī)失速與喘振分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2008(2): 77-80.

[13]李超，周克毅，徐嘯虎，等.電站軸流通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及喘振特性分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2010(1):11-15.

[14]聶鵬飛，馬杰.600MW機(jī)組增壓風(fēng)機(jī)失速分析及失速檢測(cè)裝置的維護(hù)[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2011(4):63-65，82.

[15]吳玉林，陳慶光，劉樹(shù)紅.通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[16]劉家鈺，阮苗英.防止鍋爐一次風(fēng)機(jī)“搶風(fēng)”技術(shù)措施[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2014(1):75-77.

Overview and Solution for the Sta ll o f AxialFlow Fan in PowerUnit

Zhang Jin,Liu Junwei,Xiao Xiankui/ Chengdu PowerMachineryWorks

The mechanism of stall of axial flow fan for power unit is introduced in detail.The reason,the expressions and precautions for the stall occurred in the actual operation of axial flow fan for power unit are summarized in this paper.It has provided reference for analyzing and treating the stallproblem in axial flow fan.

axial flow fan;air dynamic characteristics;stall;inlet flow angle; monitoring；network curve

TM315；TK05

A

1006-8155（2015）04-0084-06

10.16492/j.fjjs.2015.04.152

2014-12-09四川成都610045