轴流风机的失速和喘振及预防

轴流风机的失速和喘振及预防

轴流式风机在运转时气流是沿着轴向进入风机室，空气在风机叶轮处受挤压，又沿着轴向流出的风机，空气在不断旋转的叶轮处获得能量。

轴流式风机负荷调节是根据控制系统发出指令，伺服机带动液压缸调节输入杆，液压缸缸体发生轴向位移，推力盘轴向位移，带动所有叶片同步转动角度，来调节风机的出力（一次风机主轴为中空轴，中间有一连接杆，连接前后两级推力盘，通过液压缸的带动，两级推力盘同步移动，从而两级叶片同步转动）。送风机叶片转动角度范围（－30～＋10°），一次风机叶片转动角度范围（－30～＋15°）。

液压缸调节原理：叶片需开大时，伺服机带动调节杆向开大的方向旋转一定角度，则伺服阀芯向后移动，液压油进入液压缸体后腔，前腔油通过回油管返回至油箱，液压缸体向后移动，叶片开大，此时和缸体连在一起的反馈杆也一同向后移动，而反馈杆带动伺服阀套向后移动相同的距离，从而堵住进油孔，停止进油，保持叶片在某一开度；若叶片需关小时，伺服机带动调节杆向关小的方向旋转一定角度，则伺服阀芯向前移动，液压油进入液压缸体前腔，后腔油通过回油管返回至油箱，液压缸体向前移动，叶片关小，此时和缸体连在一起的反馈杆也一同向前移动，而反馈杆带动伺服阀套向前移动相同的距离，从而堵住进油孔，停止进油，保持叶片在某一开度。液压缸调节头处各阀、轴封的微量泄漏油通过泄漏油管返回的油箱。

一、轴流风机的失速与喘振

1、轴流风机的失速

轴流风机叶片通常都是流线型的，设计工况下运行时，气流冲角（气流方向与叶片叶弦的夹角α即为冲角）为零或很小，气流则绕过机翼型叶片而保持流线平稳的状态，如图1a 所示；当气流与叶片进口形成正冲角且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况则开始恶化，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α大于临界值越多，失速现象就越严重，流体的流动阻力也就越大，严重时还会使叶道阻塞，同时风机风压也会随之迅速降低。

风机的叶片在制造及安装过程中，由于各种客观因素的存在，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。当某一叶片进口处的冲角达到临界值时，就可能首先在该叶片上发生失速，并非是所有叶片都会同时发生失速，失速可能会发生在一个或几个区域，该区域内也可能包括一个或多个叶片；由于失速区不是静止的，它会从一个叶片向另一个叶片或一组叶片扩散；如图2所示，若在叶道2中出现脱流，叶道由于受脱流区的排挤变窄，流量减小，则气流分别进入相邻的1、3叶道，使1、3叶道的气流方向改变。结果使流入叶道1的气流冲角减小，叶道1保持正常流动；叶道3的冲角增大，加剧了脱流和阻塞。叶道3的阻塞同理又影响相邻叶道2和4的气流，使叶道2消除脱硫，同时引发叶道4出现脱流。也就是说，失速区是旋转的，其旋转方向与叶轮旋转方向相反，这种现象称为旋转失速。

图2 旋转脱流工况

2、轴流风机的喘振

当系统管网阻力突然增大使得流量和流速减小，或风机动叶开度过大，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”。

理论上对轴流通风机喘振的的阐述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。在实际运行中，轴流风机喘振的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。

轴流风机的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。以A、B两台并列运行的轴流风机为例，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。

3、失速与喘振的关系

旋转失速的发生只取决于叶轮本身、叶片结构、进入叶轮的气流情况等因素，与风道系统的容量、形状等无关，但却与风道系统的布置形式有关；失速发生时, 尽管叶轮附近的工况有波动, 但风机的流量、压力和功率是基本稳定的，风机可以继续运行。当风机发生喘振时，风机的流量、压力和功率产生脉动或大幅度的脉动，同时伴有非常明显的噪声；喘振时的振动有时是很剧烈的，能损坏风机与管道系统。所以喘振发生时，风机无法正常运行。

轴流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。因此，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。

4、轴流风机失速与喘振的检查与改进措施

1）两台风机叶片的真实角度偏差

两台风机在执行机构同样开度时，若电流存在较大的偏差，可以推断出两台风机的叶片