風(fēng)機(jī)的失速和喘振

1、5.4風(fēng)機(jī)的失速和喘振失速由流體力學(xué)知，當(dāng)速度為v的直線平行流以某一沖角（翼弦與來流方向的夾角）繞流二元孤立翼 型（機(jī)翼）時(shí)，由于沿氣流流動(dòng)方向的兩側(cè)不對稱，使得翼型上部區(qū)域的流線變密，流速增加，翼型 下部區(qū)域的流線變稀，流速減小。因此，流體作用在翼型下部表面上的壓力將大于流體作用在翼型上 部表面的壓力，結(jié)果在翼型上形成一個(gè)向上的作用力。如果繞流體是理想流體，則這個(gè)力和來流方向 垂直，稱為升力，其大小由儒可夫斯基升力公式確定：FL = p u 0 rr 速度環(huán)量 P 繞流流體的密度其方向是在來流速度方向沿速度環(huán)量的反方向轉(zhuǎn)90來確定。軸流風(fēng)機(jī)性能曲線的左半部具有一個(gè)馬鞍形的區(qū)域，在此區(qū)段運(yùn)行有

2、時(shí)會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)的流量、壓頭、和功率的大幅度脈動(dòng)等不正常工況，一般稱為“喘振”，這一不穩(wěn)定工況區(qū)稱為喘振區(qū)。實(shí)際上，喘振 僅僅是不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)可能遇到的現(xiàn)象，而在該區(qū)域內(nèi)必然要出現(xiàn)不正常的空氣動(dòng)力工況則是旋轉(zhuǎn)脫 流或稱旋轉(zhuǎn)失速。這兩種不正常工況是不同的，但是它們又有一定的關(guān)系。軸流風(fēng)機(jī)葉片前后的壓差，在其它都不變的情況下，其壓差的大小決定于動(dòng)葉沖角的大小，在臨界沖角值以內(nèi)，上述壓差大致與葉片的沖角成比例，不同的葉片葉型有不同的臨界沖角值。翼型的沖 角不超過臨界值，氣流會(huì)離開葉片凸面發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，產(chǎn)生大面積的渦流，此時(shí)風(fēng)機(jī)的全壓下 降，這種情況稱為“失速現(xiàn)象”，如圖 515。圖5 15 正常工

3、況時(shí)的氣體流動(dòng)1圖5-16脫流工況時(shí)的氣體流動(dòng)泵與風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)，其葉片上將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫流，可能使葉片發(fā)生共振，造成葉片疲勞斷 裂?，F(xiàn)以軸流式風(fēng)機(jī)為例說明旋轉(zhuǎn)脫流及其引起的振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于正常工況工作時(shí)，沖角等于零， 而繞翼型的氣流保持其流線形狀，如圖示：當(dāng)氣流與葉片進(jìn)口形成正沖角時(shí)，隨著沖角的增大，在葉 片后緣點(diǎn)附近產(chǎn)生渦流，而且氣流開始從上表面分離。當(dāng)正沖角超過某一臨界值時(shí)，氣流在葉片背部 的流動(dòng)遭到破壞，升力減小，阻力卻急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“旋轉(zhuǎn)脫流”或“失速”。如果脫流現(xiàn)象 發(fā)生在風(fēng)機(jī)的葉道內(nèi)，則脫流將對葉道造成堵塞，使葉道內(nèi)的阻力增大，同時(shí)風(fēng)壓也隨之而迅速降低。 風(fēng)機(jī)的葉片由于

4、加工及安裝等原因不可能有完全相同的形狀和安裝角，同時(shí)流體的來流流向也不 完全均勻。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)生脫流，而不會(huì)所有葉片都同時(shí)發(fā)生 脫流。如下圖示：假設(shè)在葉道 2首先由于脫流而出現(xiàn)氣流阻塞現(xiàn)象，葉道受堵塞后，通過的流量減少， 在該葉道前形成低速停滯區(qū)，于是原來進(jìn)入葉道2的氣流只能分流進(jìn)入葉道1和3。這兩股分流來的氣流又與原來進(jìn)入葉道1和3的氣流匯合，從而改變了原來的氣流方向，使流入葉道1的氣流沖角減小，而流入葉道3的沖角增大，由此可知，分流的結(jié)果將使葉道1內(nèi)的繞流情況有所改

5、善，脫流的可能性減小，甚至消失，而葉道3內(nèi)部卻因沖角增大而促使發(fā)生脫流，葉道 3內(nèi)發(fā)生脫流后又形成堵塞，使 葉道3前的氣流發(fā)生分流，其結(jié)果又促使葉道4內(nèi)發(fā)生脫流和堵塞，這種現(xiàn)象繼續(xù)下去，使脫流現(xiàn)象所造成的堵塞區(qū)沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)相反的方向移動(dòng)。試驗(yàn)表明，脫流的傳播相對速度W1遠(yuǎn)小于葉輪本身旋轉(zhuǎn)角速度 W因此，在絕對運(yùn)動(dòng)中，可以觀察到脫流區(qū)以W-W1的速度旋轉(zhuǎn)，方向與葉輪轉(zhuǎn)向相同，此種現(xiàn)象稱為“旋轉(zhuǎn)脫流”或“旋轉(zhuǎn)失速”。風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(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)脫流區(qū)，葉片依次經(jīng)過脫流區(qū)要受到 交變應(yīng)力的作用，這種交變應(yīng)力會(huì)使葉片產(chǎn)生疲勞。葉片每經(jīng)過一次脫流區(qū)將受到一次激振力的作用， 此激

6、振力的作用頻率與旋轉(zhuǎn)脫流的速度成正比，當(dāng)脫流區(qū)的數(shù)目2、3、時(shí)，則作用于每個(gè)葉片的激振力頻率也作2倍、3倍、的變化。如果這一激振力的作用頻率與葉片的固有頻率成整數(shù)倍關(guān)系，或者等于、接近于葉片的固有頻率時(shí)，葉片將發(fā)生共振。此時(shí)，葉片的動(dòng)應(yīng)力顯著增加，甚至可達(dá)數(shù)十倍以上，使葉片產(chǎn)生斷裂。一旦有一個(gè)葉片疲勞斷裂，將會(huì)將全部葉片打斷，因此，應(yīng)盡量避免泵 與風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行。圖 動(dòng)葉中旋轉(zhuǎn)脫流的形成如圖5-18在軸流風(fēng)機(jī)Q-H性能曲線中，全壓的峰值點(diǎn)左側(cè)為不穩(wěn)定區(qū)，是旋轉(zhuǎn)脫流區(qū)。從峰 值點(diǎn)開始向小流量方向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)脫流從此開始，到流量等于零的整個(gè)區(qū)間，始終存在著脫流。一&并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的阻力曲線,銅爐

7、的設(shè)計(jì)點(diǎn)鍋爐竦%負(fù)荷點(diǎn)鍋爐100%負(fù)荷點(diǎn) 一容積流量（%）圖518風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性曲線測壓管血 失速測比探頭| 風(fēng)機(jī)外殼 /VZW/A;Z7771-1A7/7z!風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向I k機(jī)葉片風(fēng)機(jī)葉片低壓側(cè)探頭15-19失速探頭示意國旋轉(zhuǎn)脫流對風(fēng)機(jī)性能的影響不一定很顯著，雖然脫流區(qū)的氣流是不穩(wěn)定的，但風(fēng)機(jī)中流過的流量基本穩(wěn)定，壓力和功率亦基本穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)在發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫流的情況下尚可維持運(yùn)行，因此，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)如落在脫流區(qū)內(nèi)，運(yùn)行人員較難從感覺上進(jìn)行判斷。因?yàn)樾D(zhuǎn)脫流不易被操作人員覺察，同時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)入脫流區(qū)工作對風(fēng)機(jī)的安全終究是個(gè)威脅，所以一般大容量軸流風(fēng)機(jī)都裝有失速探頭。如圖所示：失速探頭由兩根相隔約3mm

8、的測壓管所組成，將它置于葉輪葉片的進(jìn)口前。測壓管中間用厚3mm高（突出機(jī)殼的距離）3mm鎘片分開，風(fēng)機(jī)在正常工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)，葉輪進(jìn)口的氣流較均勻地從進(jìn)氣室沿軸向流入，那么失速探頭之間的壓力差幾乎等 于零或略大于零，如圖示中的 AB曲線圖中 P為兩測壓管的壓力差。當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)落在旋轉(zhuǎn)脫流區(qū)，葉輪前的氣流除了軸向流動(dòng)之外，還有脫流區(qū)流道阻塞成氣流 所形成的圓周方向分量。于是，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)先遇到的測壓孔，即鎘片前的測壓孔壓力高，而鎘片后的 測壓孔的氣流壓力低，產(chǎn)生了壓力差，一般失速探頭產(chǎn)生的壓力差達(dá)245392Pa,即報(bào)警，風(fēng)機(jī)的流量越小，失速探頭的壓差越大，如圖中的BCD.由失速探頭產(chǎn)生的壓差發(fā)

9、出信號(hào)，然后由測壓管接通一個(gè)壓力差開關(guān)(繼電器)，壓力差開關(guān)將報(bào)警電路系統(tǒng)接通發(fā)出報(bào)警，操作人員及時(shí)采取排除旋轉(zhuǎn)脫流 的措施。失速探頭裝好以后，應(yīng)予以標(biāo)定，調(diào)整探頭中心線的角度，使測壓管在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的差壓為最 小。喘振軸流風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行時(shí)，還可能發(fā)生流量、全壓和電流的大幅度的波動(dòng)，氣流會(huì)發(fā)生往復(fù)流動(dòng)，風(fēng)機(jī)及管道會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，噪聲顯著增高，這種不穩(wěn)定工況稱為喘振。喘振的發(fā)生會(huì)破 壞風(fēng)機(jī)與管道的設(shè)備，威脅風(fēng)機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的安全性。如圖所示：軸流風(fēng)機(jī)Q-H性能曲線，若用節(jié)流調(diào)節(jié)方法減少風(fēng)機(jī)的流量，如風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)在K點(diǎn)右側(cè)，則風(fēng)機(jī)工作是穩(wěn)定的。當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量QQk時(shí)，這時(shí)風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的最大壓頭將

10、隨之下降，并小于管路中的壓力，因?yàn)轱L(fēng)道系統(tǒng)容量較大，在這一瞬間風(fēng)道中的壓力仍為Hk,因此風(fēng)道中的壓力大于風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的壓頭使氣流開始反方向倒流，由風(fēng)道倒入風(fēng)機(jī)中，工作點(diǎn)由K點(diǎn)迅速移至C點(diǎn)。但是氣流倒流使風(fēng)道系統(tǒng)中的風(fēng)量減小，因而風(fēng)道中壓力迅速下降，工作點(diǎn)沿著CD線迅速下降至流量Q=0時(shí)的D點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)機(jī)供給的風(fēng)量為零。由于風(fēng)機(jī)在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以當(dāng)風(fēng)道中的壓力降低到相應(yīng)的D點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)又開始輸出流量，為了與風(fēng)道中壓力相平衡，工況點(diǎn)又從D跳至相應(yīng)工況點(diǎn)Fo只要外界所需的流量保持小于Qk,上述過程又重復(fù)出現(xiàn)。如果風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)按FKCDF周而復(fù)始地進(jìn)行，這種循環(huán)的頻率如與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的振蕩頻率合拍時(shí)，就會(huì)引起共

11、振，風(fēng)機(jī)發(fā)生了喘振。風(fēng)機(jī)在喘振區(qū)工作時(shí)，流量急劇波動(dòng)，產(chǎn)生氣流的撞擊，使風(fēng)機(jī)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，噪聲增大，而 且風(fēng)壓不斷晃動(dòng)，風(fēng)機(jī)的容量與壓頭越大，則喘振的危害性越大。故風(fēng)機(jī)產(chǎn)生喘振應(yīng)具備下述條件： (1)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)落在具有駝峰形 Q-H性能曲線的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)；(2)風(fēng)道系統(tǒng)具有足夠大的容積，它與風(fēng)機(jī)組成一個(gè)彈性的空氣動(dòng)力系統(tǒng)；(3)整個(gè)循環(huán)的頻率與系統(tǒng)的氣流振蕩頻率合拍時(shí)，產(chǎn)生共振。圖521軸流風(fēng)機(jī)的Q -H性能曲線旋轉(zhuǎn)脫流與喘振的發(fā)生都是在 Q-H性能曲線左側(cè)的不穩(wěn)定區(qū)域，所以它們是密切相關(guān)的，但是旋轉(zhuǎn)脫流與喘振有著本質(zhì)的區(qū)別。旋轉(zhuǎn)脫流發(fā)生在如圖所示的風(fēng)機(jī)Q-H性能曲線峰值以左的整個(gè)不穩(wěn)定區(qū)

12、域；而喘振只發(fā)生在 Q-H性能曲線向右上方傾斜部分。旋轉(zhuǎn)脫流的發(fā)生只決定葉輪本身葉片 結(jié)構(gòu)性能、氣流情況等因素，與風(fēng)道系統(tǒng)的容量、形狀等無關(guān)。旋轉(zhuǎn)對風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)影響不如喘振 這樣嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生喘振，情況就不相同。喘振時(shí)，風(fēng)機(jī)的流量、全壓和功率產(chǎn)生脈動(dòng)或大幅度的 脈動(dòng)，同時(shí)伴有明顯的噪聲，有時(shí)甚至是高分貝的噪聲。喘振時(shí)的振動(dòng)有時(shí)是很劇烈的，損壞風(fēng)機(jī)與 管道系統(tǒng)。所以喘振發(fā)生時(shí)，風(fēng)機(jī)無法運(yùn)行。軸流風(fēng)機(jī)在葉輪進(jìn)口處裝置喘振報(bào)警裝置，該裝置是由一根皮托管布置在葉輪的前方，皮托管的開口對著葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，如下圖所示：皮托管是將一根直管的端部彎成 90。（將皮托管的開口對著 氣流方向），用一 U

13、形管與皮托管相連，則U形管（壓力表）的讀數(shù)應(yīng)該為氣流的動(dòng)能（動(dòng)壓）與靜 壓之和（全壓）。在正常情況下，皮托管所測到的氣流壓力為負(fù)值，因?yàn)樗鼫y到的是葉輪前的壓力。但 是當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)工作時(shí)，由于氣流壓力產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，所以皮托管測到的壓力亦是一個(gè)波動(dòng)的 值。為了使皮托管發(fā)送的脈沖壓力能通過壓力開關(guān)，利用電接觸器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，所以皮托管的報(bào)警 值是這樣規(guī)定的：當(dāng)動(dòng)葉片處于最小角度位置（一 30。）用一 U形管測得風(fēng)機(jī)葉輪前的壓力再加上 2000Pa壓力，作為喘振報(bào)警裝置的報(bào)警整定值。當(dāng)運(yùn)行工況超過喘振極限時(shí)，通過皮托管與差壓開關(guān)， 利用聲光向控制臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，要求運(yùn)行人員及時(shí)處理，使風(fēng)機(jī)返回正

14、常工況運(yùn)行。為防止軸流風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)工作點(diǎn)落在旋轉(zhuǎn)脫流、喘振區(qū)內(nèi)，在選擇軸流風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)仔細(xì)核實(shí)風(fēng)機(jī)的 經(jīng)常工作點(diǎn)是否落在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，同時(shí)在選擇調(diào)節(jié)方法時(shí)，需注意工作點(diǎn)的變化情況，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng) 機(jī)由于改變動(dòng)葉的安裝角進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)減少流量時(shí)，小風(fēng)量使軸向速度降低而造成的氣流沖 角的改變，恰好由動(dòng)葉安裝角的改變得以補(bǔ)償，使氣流的沖角不至于增大，于是風(fēng)機(jī)不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫 流，更不會(huì)產(chǎn)生喘振。動(dòng)葉安裝角減小時(shí)，風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定區(qū)越來越小，這對風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行是非常有利 的。防止喘振的具體措施：使泵或風(fēng)機(jī)的流量恒大于 Qko如果系統(tǒng)中所需要的流量小于 Qk時(shí)，可裝設(shè)再循環(huán)管或自動(dòng)排出 閥門，使風(fēng)機(jī)的排出流量恒大

15、于 Qk.圖522喘振報(bào)警裝置如果管路性能曲線不經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可能得到穩(wěn)定的運(yùn)行工況，通過風(fēng)機(jī) 各種轉(zhuǎn)速下性能曲線中最高壓力點(diǎn)的拋物線，將風(fēng)機(jī)的性能曲線分割為兩部分，右邊為穩(wěn)定工作區(qū)， 左邊為不穩(wěn)定工作區(qū)，當(dāng)管路性能曲線經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，改變轉(zhuǎn)速并無效果，因此時(shí)各轉(zhuǎn)速下的工作 點(diǎn)均是相似工況點(diǎn)。對軸流式風(fēng)機(jī)采用可調(diào)葉片調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量減小時(shí)，則減小其安裝角，性能曲線下移， 臨界點(diǎn)向左下方移動(dòng)，輸出流量也相應(yīng)減小。最根本的措施是盡量避免采用具有駝峰形性能曲線的風(fēng)機(jī)，而采用性能曲線平直向下傾斜的風(fēng)機(jī)。 失速和喘振是兩種不同的概念，失速是葉片結(jié)構(gòu)特性造成的一種流體動(dòng)力現(xiàn)象，它的一些基本特 性，例如：失速區(qū)的旋轉(zhuǎn)速度、脫流的起始點(diǎn)、消失點(diǎn)等，都有它自己的規(guī)律，不受風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的容積 和形狀的影響。喘振是風(fēng)機(jī)性能與管道裝置耦合后振蕩特性的一種表現(xiàn)形式，它的振幅、頻率等基本特性受風(fēng)機(jī) 管道系統(tǒng)容積的支配，其流量、壓力功率的波動(dòng)是由不穩(wěn)定工況區(qū)造成的，但是試驗(yàn)研究表明，喘振 現(xiàn)象的出現(xiàn)總是與葉道內(nèi)氣流的脫流密切相關(guān)，而沖角的增大也與流量的減小有關(guān)。所以，在出現(xiàn)喘 振的不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)必定會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫流。風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振立即將風(fēng)機(jī)動(dòng)葉控制置于手動(dòng)方式，關(guān)小另一臺(tái)未