利用速度三角形分析軸流風機的喘振

高超

摘要：指出了喘振是軸流風機運行中面臨的最主要問題之一，關于喘振的原理，以往的分析大都是從駝峰形qv-H曲線著手，駝峰形qv-H曲線能夠很好地說明喘振的產生原因，但對于喘振與失速的關系，喘振的消除方法及其依據缺乏有力的分析，從風機分析中常用的速度三角形著手，對上述問題給予了較完整的解答。

關鍵詞：軸流風機；速度三角形；喘振；失速

中圖分類號：TH432.1

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0113-02

1 引言

隨著電力工業的發展，單機容量不斷增大，600MW機組已成為我國火電機組的中堅力量，600MW機組廣泛采用軸流風機作為鍋爐引風機、送風機、一次風機，軸流風機相比離心風機有許多突出優點，如質量輕、體積小、啟動力矩小、變工況性能好、工作范圍大、可安裝可調動葉等，但也面臨著一些新的問題，喘振就是軸流風機運行中面臨的最主要問題之一。喘振一旦發生，如果不能及時消除，將會造成十分嚴重的后果，甚至造成風機系統的嚴重破壞。為預防和消除喘振，有必要對軸流風機的喘振原理進行分析，軸流風機的喘振與其葉片形式和做功原理有著密切關系，先簡要介紹風機分析中常用的速度三角形和軸流風機的葉片形式、做功原理，再引出對機翼形葉片的失速分析，最后分析軸流風機的喘振及其預防、消除方法。

2 風機速度三角形簡介

風機運行時，流體一方面隨葉輪旋轉，另一方面又從轉動著的葉輪內向外流動，流體隨著葉輪旋轉的運動稱為圓周運動，其運動速度稱為圓周速度，用符號u表示，其方向與圓周的切線方向一致，大小u=wr（w為角速度，r為半徑），同時，流體質點沿著葉道向外緣流動，相對于葉輪作相對運動，其運動速度稱為相對速度，用符號w表示，流體質點相對于靜止的風機殼體的運動稱為絕對運動，其運動速度稱為絕對速度，用符號v表示，絕對運動是圓周運動和相對運動的復合運動，因此，絕對速度等于圓周速度與相對速度的矢量和，即：

v=u+w

絕對速度、相對速度、圓周速度三者正好組成一個三角形，稱為速度三角形。在分析風機問題時，通常是只需了解風機進出口的參數變化，因此，只要畫出葉輪進出口速度三角形就可以了，筆者分別用下標1和2來表示葉輪進出口的參數，即：

u1為葉輪進口圓周速度；

v1為葉輪進口絕對速度；

w1為葉輪進口相對速度；

u2為葉輪出口圓周速度；

v2為葉輪出口絕對速度；

w2為葉輪出口相對速度。

如圖1所示，絕對速度v與圓周速度u之間的夾角用α表示，相對速度w與圓周速度u反方向之間的夾角用β表示，當流體很好地貼附葉片運動時，則β角可以表示葉片的安裝角。

3 軸流風機的做功原理和葉片形式

葉片式泵與風機的基本方程為：

HT=u22-u212g+w21-w222g+v22-v212g

式中等號左邊HT為理論全壓頭，等號右邊為三項相加，其中從左往右第一項為流體受慣性離心力作用提高的壓能頭，第二項為流體相對速度減小流體獲得的壓能頭，第三項為流體獲得的動能頭，第一項和第二項之和為理論壓能頭，因動能頭越大，流體流動過程中的能頭損失也越大，所以希望壓能頭占全壓頭的比重越高越好。

由于軸流風機流體沿軸向流入，軸向流出，即流體在葉輪進出口的半徑r相等，則

u1=u2

壓能頭中第一項為零，實際只包含第二項，軸流風機壓能頭只能靠流體沿葉片相對運動時相對速度的減小獲得，即要使：

w1>w2

必須滿足葉輪出口通道的面積大于進口通道的面積，為滿足這個條件，葉片應選擇進口厚、出口薄的機翼形葉片。

4 機翼形葉片的失速

當氣流順著機翼葉片流動時，作用于葉片的有兩種力，即垂直于流線的升力與平行于流線的阻力。當氣流完全貼著葉片呈流線型流動時，這時升力大于阻力，當氣流與葉片進口形成正沖角，且此正沖角達到某一臨界值時，葉片背面流動工況開始惡化，如超過臨界值時，邊界層受到破壞，在葉片背面尾端出現渦流區，出現失速現象（圖2）。使葉道產生阻塞現象，流體的能頭則大大降低。

5 軸流風機的喘振

當風機處于不穩定工作區運行時，可能會出現流量、風壓的大幅度波動，引起整個管網系統裝置劇烈的振動噪聲，這種現象叫做喘振。

5.1 喘振與失速的關系

由喘振與失速的定義可知，喘振是由于風機流量低于臨界流量產生的，失速是由于氣流與葉片形成的正沖角超過臨界值產生的，那么風機的臨界流量與氣流的臨界正沖角有沒有什么內在關系呢？下面用速度三角形來分析它們之間的內在關系。因為氣流對葉片的正沖角發生在葉片進口，所以只需分析葉片進口速度三角形。為便于分析，假定以下三個條件：

①對于進口無導流器（靜葉）的風機來說，α=90°。

②風機轉速不變，即不變。

③葉片的安裝角不能改變。

如圖3所示，當風機正常運行時，氣流貼著葉片流動，則β角就是葉片的安裝角，當風機發生喘振時，風機流量減小，反映到速度三角形中就是v1減小為v′1，則w1變為w′1，β角減小，減小的值為θ，但減小后的β角已不能表示葉片安裝角，因為葉片安裝角不能改變，這時氣流已經偏離了葉片，從軸流風機的做功原理可知，作用在葉片上的升力方向應阻礙葉片旋轉，即升力應該指向速度三角形斜邊內側，結合圖2、圖3可知，速度三角形斜邊內側為葉片弧面，外側為葉片背面，顯然θ角就是氣流與葉片形成的正沖角，當θ角超過臨界值時，葉片就會發生失速。綜上所述，風機流量減小引起氣流與葉片形成正沖角，進而引起失速，當失速遇到一定的外部條件時，如大容量管路系統，引起共振，就會發生喘振現象。

5.2 喘振的預防和消除

喘振發生的原因為風機流量低于臨界值，實際生產中導致風機流量過低的原因主要為風煙系統阻力過大，風煙系統阻力過大的原因又可以分為煙風道嚴重積灰、結焦、堵塞、風門擋板誤關或未全開、并列運行的風機搶風等，要從根本上預防喘振，就要從上述原因著手，減小風煙系統阻力。

一旦喘振發生，要立即采取措施消除，從上面的分析可知，風機之所以發生喘振，是由于流量減小引起氣流葉片間的正沖角增大，進而引起失速。要消除喘振，關鍵是要減小氣流葉片間的正沖角，顯然，只有兩種辦法：

（1）使氣流向葉片靠攏，又分為三種辦法：

①增大流量，即增大v，如設置放氣閥、再循環、減小系統阻力等。

②減小轉速，及減小u，從速度三角形可知，v減小的情況下相應減小u，可以使得β增大，θ減小。

③對安裝有進口導流器（靜葉）的風機來說，可以關小靜葉開度，使得α減小（靜葉全開時，α=90°）。從速度三角形可知，v減小的情況下減小α同樣使得β增大，θ減小。

（2）使葉片向氣流靠攏，即改變葉片的安裝角，這個辦法只有安裝有可調動葉的風機才能使用，當動葉可調的風機發生喘振時，關小喘振風機的動葉，即減小葉片的安裝角，使得葉片與氣流的正沖角減小，直至喘振消失。

6 結語

通過上面的分析，我們找到了喘振與失速的內在關系，并將其在速度三角形中表現出來，進而從中尋找應對之策。隨著火電廠節能降耗要求的提高和自動化水平的提高，600MW機組的引風機、送風機、一次風機一般都配有風量調節裝置，如可調動葉、可調靜葉、變頻器等，這些調節手段在降低風機能耗的同時，也為喘振消除提供了手段。事實上，實際生產中風機發生喘振，要在短時間內減小系統阻力、提高風機流量很難，往往是靠調節動葉、靜葉、變頻器等風量調節裝置減小氣流與葉片的正沖角，進而消除喘振，可以看出，風機喘振的發生本質上就是風機流量與其調節裝置的位置不適應，這時候只需要將調節裝置調整到與實際流量相適應的位置，就可以消除喘振，這也是上述消除喘振方法的依據。

參考文獻：

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