劉吉波

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

軸流風(fēng)機(jī)的脫流、喘振分析和防范措施

劉吉波

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的受力、速度三角形及旋轉(zhuǎn)脫流與喘振現(xiàn)象進(jìn)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(duì)防止軸流風(fēng)機(jī)及管道系統(tǒng)的疲勞破壞及風(fēng)機(jī)的科學(xué)管理提供參考。

軸流風(fēng)機(jī)；脫流；喘振；升力；阻力

軸流風(fēng)機(jī)具有效率高、流量大、多級(jí)串聯(lián)增壓大、易調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡單小而輕、動(dòng)葉可調(diào)效率高、啟動(dòng)力矩小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電力、農(nóng)業(yè)、冶金、礦山等各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。軸流風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的合理工作范圍是工作風(fēng)壓小于最大風(fēng)壓90%以右的壓力降低區(qū)，禁止在最高壓力點(diǎn)以左的喘振區(qū)域運(yùn)行。若風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)工作在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，將使氣流沖角增大，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量急劇下降，系統(tǒng)空氣倒流入風(fēng)機(jī)，壓力出現(xiàn)較大脈動(dòng)，氣流在風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)失速喘振（又稱飛動(dòng)），造成風(fēng)機(jī)零件和風(fēng)道的損壞，給安全生產(chǎn)造成極大隱患。

1 風(fēng)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(fēng)機(jī)的升力與脫流

軸流風(fēng)機(jī)葉片大多采用機(jī)翼型葉片，葉輪旋轉(zhuǎn)流體繞流風(fēng)機(jī)葉片的流動(dòng)，與飛機(jī)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(guān)，提高升力可以提高葉輪的能量；設(shè)流體是不可壓縮的定常流，則粘性流體繞流機(jī)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(shí)，達(dá)到最大；A為機(jī)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(jī)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(fēng)機(jī)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(jìn)口安裝角，風(fēng)流流動(dòng)方向與葉片進(jìn)口安裝角的夾角i超過了臨界值（i＞16°）時(shí)，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(fēng)機(jī)理論風(fēng)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(kuò)展到中部甚至整個(gè)葉背區(qū)間，氣流在葉道內(nèi)的流動(dòng)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(diǎn)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(dá)到臨界值時(shí)（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(fēng)流被分流進(jìn)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(dòng)下去，稱為“旋轉(zhuǎn)脫流”[2]，旋轉(zhuǎn)脫流移動(dòng)速度小于葉輪的旋轉(zhuǎn)速度μ。

單級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)脫流程度與葉輪的輪轂比有關(guān)，當(dāng)輪轂比值較小時(shí)（≤0.6），因葉片長度較長，旋轉(zhuǎn)脫流現(xiàn)象較輕，脫流沿風(fēng)機(jī)特性曲線連續(xù)微動(dòng)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(kuò)展”型（見圖4）；當(dāng)輪轂比值較大（≥0.9），葉片長度很短時(shí)，脫流就會(huì)沿整個(gè)葉片全長發(fā)生，風(fēng)壓在超過最高點(diǎn)后突然發(fā)生階梯式下降，脫流沿整個(gè)葉片發(fā)展，故稱其為“全葉長”型。

圖4 局部擴(kuò)展與全葉長型旋轉(zhuǎn)脫流

旋轉(zhuǎn)脫流僅與葉片的結(jié)構(gòu)性能有關(guān)，對(duì)風(fēng)機(jī)一般沒有很大影響，只有發(fā)生全葉長型旋轉(zhuǎn)脫硫時(shí)，才會(huì)聽到有明顯的節(jié)奏噪聲，一般進(jìn)風(fēng)側(cè)的葉片壓力波動(dòng)較之出風(fēng)側(cè)約增大75%左右。

對(duì)固定轉(zhuǎn)速的葉輪，當(dāng)進(jìn)行關(guān)閘增阻減風(fēng)的節(jié)流工況調(diào)節(jié)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不變，則葉輪的切向速度μ不變，但因風(fēng)量減少，使軸向風(fēng)速W1a（C1a）減少，導(dǎo)致沖角增大，風(fēng)流軸向阻力增大，軸向流動(dòng)動(dòng)力Fa減少，出現(xiàn)脫流現(xiàn)象。因此，當(dāng)葉片進(jìn)口安裝角一定時(shí)，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(fēng)調(diào)節(jié)導(dǎo)致的脫流失速現(xiàn)象

2 葉柵上的氣流流動(dòng)和受力分析

當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉柵以圓周速度μ向前運(yùn)動(dòng)，并繞流翼型流動(dòng)，給翼背一個(gè)升力F，而葉片翼腹對(duì)流體產(chǎn)生一個(gè)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(fēng)流流動(dòng)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(yùn)動(dòng)。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(duì)速度；C1、C2為進(jìn)口1、出口2上W與μ的絕對(duì)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(fēng)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(dòng)速度與受力分析

由于葉道入口至出口呈擴(kuò)散形，所以出口氣流的相對(duì)速度W2小于入口氣流的相對(duì)速度W1；而出口氣流的相對(duì)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(yīng)夾角β1；葉片進(jìn)、出的相對(duì)速度W1、W2與圓周速度μ的矢量和即為葉片進(jìn)、出口上的絕對(duì)速度C1、C2。由于葉輪進(jìn)出口的圓周速度相等（μ1=μ2=μ），所以相對(duì)速度沿軸向的變化量△Wa與絕對(duì)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(fēng)機(jī)是利用擴(kuò)散增壓的原理來提高空氣的靜壓的?？諝馔ㄟ^葉柵時(shí)，由于葉道擴(kuò)散，絕對(duì)速度W2減?。▌?dòng)能減少），壓力增高，因此其單級(jí)增壓小于離心式通風(fēng)機(jī)。

以ABCD為控制微元應(yīng)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(dòng)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(jìn)出口間應(yīng)用伯諾力方程得控制微元進(jìn)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(jìn)出口AB面與CD面上的氣體壓力；W1、W2分別為葉輪進(jìn)、出口上的相對(duì)速度；W1a、W2a分別為進(jìn)、出口上的相對(duì)速度沿軸向方向上分速度；β1為氣流進(jìn)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(jìn)、出口上的相對(duì)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(jìn)、出口上的相對(duì)速度的平均值，W∞=（W1+W2）/2；葉柵計(jì)算時(shí)W∞等價(jià)于單個(gè)葉柵無窮遠(yuǎn)處來流速度W∞≈C∞。

上式結(jié)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(gè)葉輪的理論功率：

因N=Htq，故軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為：

上式為軸流風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(duì)速度與旋轉(zhuǎn)方向夾角的余切差（cotβ2-cotβ1）成正比。要提高風(fēng)機(jī)風(fēng)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(dòng)壓速度（減小進(jìn)口斷面），增加葉片撓度，減小β1，增大β2，從而提高進(jìn)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(jìn)出口的圓周速度相等（μ1=μ2=μ），故流體在軸流式風(fēng)機(jī)中獲得的能量小于離心式，風(fēng)機(jī)的全壓較小，可采用多級(jí)葉輪（串聯(lián)）的方法，提高軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)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(shí)具備以下三個(gè)條件：

（1）風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)進(jìn)、出口管道具有足夠的容積，與風(fēng)機(jī)組合成一彈性的空氣動(dòng)力系統(tǒng)，在風(fēng)機(jī)工況發(fā)生改變時(shí)，外界管道的變化要滯后一定的時(shí)間。

（3）系統(tǒng)氣流的震蕩頻率與翼型的擾動(dòng)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(fēng)使工況點(diǎn)落在了最大負(fù)壓（Hmax）A點(diǎn)以左的B點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)機(jī)之后的管道負(fù)壓還來不及與B點(diǎn)平衡而高于B點(diǎn)，于是發(fā)生短暫的倒流，風(fēng)機(jī)出口受阻，短時(shí)無空氣流過風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)壓力瞬時(shí)降到C點(diǎn)，但此時(shí)風(fēng)機(jī)后面的管道仍然繼續(xù)流動(dòng)供風(fēng)，使風(fēng)機(jī)流量增大，背壓升力增高，負(fù)壓增高越過B點(diǎn)至A點(diǎn)，因調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)風(fēng)量在B運(yùn)行，因此流量還得恢復(fù)到B點(diǎn)，從而形成了第二次的減風(fēng)脫流，如此循環(huán)波動(dòng)，當(dāng)循環(huán)頻率與系統(tǒng)的震蕩頻率重合時(shí)，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(dāng)輪轂比較大，葉片較短而出現(xiàn)全葉長旋轉(zhuǎn)脫流時(shí)，小流量的減風(fēng)擾動(dòng)，即可使風(fēng)機(jī)負(fù)壓突然降到B點(diǎn)，短暫倒流使風(fēng)機(jī)無風(fēng)而負(fù)壓劇聚降到C點(diǎn)，緩沖后管道恢復(fù)供風(fēng)而使壓力增大到E點(diǎn)或A點(diǎn)，如此脈動(dòng)循環(huán)，當(dāng)循環(huán)頻率與系統(tǒng)的震蕩頻率重合時(shí)，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(fēng)機(jī)參數(shù)，采用正確的調(diào)節(jié)手段，防止風(fēng)機(jī)運(yùn)行在不穩(wěn)定工況區(qū)；同時(shí)減少風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口管道的面積，提高管道（風(fēng)硐）的來流風(fēng)速，集流器外徑一般為葉輪直徑1.2～1.4倍，而風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)道界面不得大于進(jìn)口界界面的112.5%，不得小于進(jìn)口斷面的92.5%[3]；同時(shí)盡量避免風(fēng)機(jī)、葉片的自然頻率與脫流循環(huán)頻率的共振，是防范軸流風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象的關(guān)鍵措施。

（1）選用設(shè)計(jì)制造優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、高效的風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)高效工況區(qū)域?qū)挘~片角等葉片參數(shù)，設(shè)計(jì)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(dá)到10～20倍的最佳范圍。

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

（3）采用先進(jìn)的調(diào)頻調(diào)節(jié)技術(shù)。調(diào)頻調(diào)節(jié)在改變供電頻率的基礎(chǔ)上，減少了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而減少了風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓。由比例（相似）定律可知，轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)的風(fēng)量成正比，與風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的平方成正比，與風(fēng)機(jī)功率的三次方成正比，降低轉(zhuǎn)速后，降低了風(fēng)機(jī)的功率及運(yùn)營成本，同時(shí)雖然也降低了風(fēng)量和軸向絕對(duì)速度，但是旋轉(zhuǎn)方向上的圓周速度μ也相應(yīng)降低，并不增大風(fēng)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(zhǔn)確一直的葉片安裝角度和安裝質(zhì)量，或采用“動(dòng)葉可調(diào)”式風(fēng)機(jī)，進(jìn)行調(diào)角調(diào)節(jié)。這種方法雖然減少了風(fēng)量和軸向來風(fēng)風(fēng)速，但同時(shí)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(jì)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(dǎo)器調(diào)節(jié)（導(dǎo)向靜葉）是一種小型軸流式風(fēng)機(jī)采用較多的調(diào)節(jié)手段，這種調(diào)節(jié)措施，在導(dǎo)葉關(guān)小時(shí)，給予進(jìn)入葉輪的氣流以預(yù)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(dòng)葉可調(diào)與前導(dǎo)器調(diào)節(jié)的速度三角形

4 事故案例

某廠300MW機(jī)組鍋爐，配兩臺(tái)丹麥生產(chǎn)的動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)，某日聽到鐵件撞擊后落下的巨響，風(fēng)機(jī)劇烈震動(dòng)，風(fēng)機(jī)葉片斷裂破壞。原因是葉片安裝角度不一致，且在調(diào)換個(gè)別備品葉片時(shí)，對(duì)葉片進(jìn)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(dòng)應(yīng)力不均、自震頻率改變，發(fā)生共震喘振現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)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(jié)構(gòu)、形式、重量、質(zhì)量的一致性，以防失速和喘振破壞。

5 結(jié)語

增阻節(jié)流調(diào)節(jié)是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)（包括離心式）在不穩(wěn)定工況點(diǎn)運(yùn)行而脫流與喘振的重要原因。對(duì)風(fēng)機(jī)的喘振可以在風(fēng)機(jī)入口處安裝皮托管微壓差開關(guān)，喘振時(shí)皮托管發(fā)送較大的脈沖壓力信號(hào)，通過壓力開關(guān)，使電接觸器發(fā)出警報(bào)信號(hào)（失速探頭報(bào)警的壓力差可設(shè)為245～392 Pa），一旦預(yù)警就迅速關(guān)閉動(dòng)葉，降低系統(tǒng)風(fēng)壓，防止葉片共振損壞風(fēng)機(jī)和葉片。因此，找出風(fēng)機(jī)喘振的原因和過程，采取針對(duì)性的防范措施并進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，就可以保證風(fēng)機(jī)安全可靠、高效穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

[1]俞文兵.軸流風(fēng)機(jī)喘振故障原因分析及對(duì)策[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2011,27(6)：39-41,52.

[2]楊詩成,王喜魁.泵與風(fēng)機(jī)[M].4版.北京：中國電力出版社,2012.

[3]丁鵬,吳躍東.動(dòng)葉可調(diào)軸流通風(fēng)機(jī)的失速與喘振分析及改進(jìn)措施[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),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(tái)人，副教授，研究方向：安全工程。

〔責(zé)任編輯 王東〕