电站轴流风机失速综述及对策

张劲刘俊伟肖先奎/成都电力机械厂

电站轴流风机失速综述及对策

张劲刘俊伟肖先奎/成都电力机械厂

对电站轴流风机的失速机理进行了详细介绍，总结出电站轴流风机在实际使用中各类失速的表现形式、原因及预防应对措施，为分析处理电站轴流风机失速问题提供参考。

轴流风机；空气动力特性；失速；冲角；监测；管网曲线

0 引言

随着火电机组容量的不断大型化及追求高效，轴流风机因其低负荷区域效率较高、调节范围宽广、反应速度快等优点而成为引、送、一次风机的首选。但轴流风机存在不稳定区的缺陷导致失速问题时有发生，给电厂的稳定运行带来诸多隐患。由于风机失速的表现形式多样，静叶调节轴流风机与动叶调节轴流风机调节方式存在差异，再加上失速报警监测系统可能出现误报等情形，错综复杂的情况给电厂生产运行人员判断和处理失速带来诸多困惑，为此本文就风机失速进行分析和总结，给生产运行人员及时采取正确的处理措施，避免设备损坏等事故的发生提供参考[1-2]。

1 叶片的空气动力特性

电站轴流风机叶片通常均为机翼型，实际流体在流过机翼时，由于附面层的影响，改变了叶型上下表面的速度分布，使叶型上表面速度增加，下表面速度减小，因而产生了一个向上的升力。在产生升力的同时，也产生了阻力，叶片升力和阻力的特性即是叶片的空气动力特性[3]。

依据实验，对于确定的叶栅，其叶型的升力系数Cy、阻力系数Cx与冲角α的相互关系见图1，当α＜αmax时，Cy随α的增大而升高，在α达到最大值αmax时，Cy达到最大，此时风机的风压亦达到性能曲线的最大值，α继续增加，Cy将迅速降低而Cx将急剧上升，此时气流离开叶片吸力面发生附面层分离，按儒考夫斯基理论，风机的升压py=ρCybWm2/2。

图1 叶片空气动力特性图

式中：ρ为介质密度；Cy为升力系数，决定于动叶叶型及气流冲角；b为叶片弦长；Wm为相对于动叶的平均气流速度，它与翼弦形成的夹角称为冲角。

2 失速定义、产生机理、过程及现象[4-5]

2.1 失速的定义

风机在运行时产生的全压升高到其特性曲线的顶点后，若管网阻力再增大，风机的全压将会突然下降，这种现象称为风机失速。

2.2 失速产生机理

风机运行时，动叶叶型固定不变，即叶片弦长b是确定不变的，且特定工况下介质密度不变，升力系数Cy与冲角α的关系曲线也是确定的，在转速和安装角一定时，风机的压力仅与Cy、Wm相关。

在系统阻力增大时，风机的风量减小，气流速度由c减小为c'，叶轮的周向速度不变，u等于u'，则冲角α相应增大为α'，变化的速度三角形见图2。当冲角达到最大值αmax时，若风量继续减小，则叶片背面流动工况开始恶化，边界层受到破坏，叶片背面尾端出现涡流区，升力系数下降而阻力系数上升，出力急剧降低，风机即出现失速。冲角大于临界值越多，失速现象越严重。

图2 风量变化时的速度三角形图

2.3 失速过程及现象

实际运行中的风机，由于各种原因使叶片不可能具有完全相同的形状和安装角，因此各个叶片进口的冲角不可能完全相同。如果某一叶片进口处的冲角达到临界值，则首先在该叶片上发生失速，而不会所有叶片都同时发生失速。如图3所示，假设叶片2，3，4间的叶道由于失速出现气流阻塞现象，通过的流量减少，在该叶道前形成低速停滞区，于是气流分流进入两侧通道12和45，从而改变了原来的气流方向，使流入叶道12的气流冲角减小，而流入叶道45的冲角增大。其结果使叶道12绕流情况有所改善，失速的可能性减小，甚至消失；叶道45内部却因冲角增大而促使发生失速。这种现象继续进行下去，使堵塞区沿着与叶轮旋转相反的方向推进，即产生所谓的“旋转失速”现象。风机进入到不稳定工况区运行，叶轮内将产生一个到数个旋转失速区。叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而可能与叶片产生共振，而气流分离产生的旋涡，将导致风机噪声变化，风量、风压及配套电机电流降低，风机振动值增加。

图3 风机失速过程及现象图

3 影响冲角大小的因素

在定转速运行时，叶片周向速度u为一定值，则影响叶片冲角大小的因素就是气流速度与叶片开度角。

由图2可以看出：当叶片开度一定时，如果流速c越小，冲角α就越大，产生失速的可能性也就越大。

由图4可以看出：当风量一定时，则流速c不变，如果叶片角度越小，则冲角α也越小；当流速c很小时，只要叶片角度很小，则冲角α也很小。因此，当风机刚启动或低负荷运行时，风机失速的可能性大大减小甚至消失。

图4 动调风机开度变化时的速度三角形图

对于静调风机，叶轮叶片的角度固定不变，进口气流角的改变是通过调节进口静叶开度以改变进口气流的方向，如图5所示，在轴向速度不发生变化的情况下，减小进口静叶开度，冲角将减小，这与动调风机开度变化时的规律一致。

图5 静调风机开度变化时的速度三角形图

4 风机在管网中的运行

4.1 运行工况点的确定

风机在管网中运行时，风机风量等于管网通过的风量，产生的压力与管网阻力损失相等，则风机能稳定的工作[6]。图6中，R为系统阻力线，在负荷点沿阻力线R由1→2→3过程中，逐渐增大风机的开度，风机的流量、压力增加，与管网风量、压力达到平衡，如此形成每一个负荷下对应的风机工作点。

图6 风机运行工况点的确定图

4.2 风机并联[7-8]

图7、图8中，b-c线为风机某一开度的正常运行区，a-b线为该开度下的失速线，0-1-6-7线为系统阻力线，0-2线为风机运行曲线。

若两台风机同时启动，则两台风机工作点沿着0-2线同步到达点2，两台风机顺利并联。

若第一台风机（简称A风机）先启动，b-c线为此时风机的运行开度，其工作点为点1，此时启动第二台风机（简称B风机），在风机达到全速后系统挡板稍微开启一点，点4将是B风机的工作点。

若此时进一步开启B风机的挡板，其运行点沿着4-3-2线移动，A风机运行点沿着1-5-2线移动。在B风机运行点到达点3时，A运行点同步到达点5，进一步增大B风机的挡板，A风机运行点沿着5-2线移动，由于两台风机必须在相同压力下运行，则B风机工作点将沿3-8-a线移动。在A风机运行点到达点2时，B风机工作点同步到达点8。很明显，这种方式并联的两台风机，其总风量不能满足系统在点7时的风量需求，B风机处于失速状态，如图7所示。

图7 两台风机并联不当图

为满足系统在点7的风量需求，则需尽量减小先运行风机的开度,使B风机起始工作点4变为4'，并沿4'-2'线移动，而A风机工作点沿1'-2'线移动，在两台风机运行点均到达点2'时，再同步调整两台风机工作点到点2，满足系统在点7的风量需求,如图8所示。

图8 两台风机顺利并联图

动叶可调轴流风机虽然并联相对容易，但图7和图8所述情况同样适用。

4.3 风机的失速裕度

为保证在管网阻力稍有波动或变化时风机仍能稳定运行，风机选型时应留有足够的失速裕度，其值k由设计工况点和该开度下的失速点的风量、风压按公式k=pk/p·(q/qk)2求出，并要求k＞1.3。各参数的定义如图9所示。

图9 失速裕度参数定义图

5 风机的失速监测

失速监测装置如图10所示（以德国KKK技术为例），装置包括两个探针和一个差压开关，探针沿叶片旋转方向靠背布置在叶片进口前端，一个探针正对叶轮旋转方向，测得的压力高，接至差压开关的高压端，另一个探针背对叶轮旋转方向，测得的压力低，接至差压开关的低压端。正常运行时，气流沿轴向流动，两个探针测得的压差信号很小，进入失速区后，由于失速区沿叶轮旋转方向的推进，使得气流沿旋转方向存在速度分量，正对叶轮旋转方向的探针测得的压力信号将急剧上升，背对叶轮旋转方向的探针测得的压力信号将减小，两个探针的压差增大，超过差压开关的设定值后即输出信号,从而实现报警，达到监测的目的。

图10 失速报警监测示意图

6 风机失速甄别和失速的预防处理

6.1 失速甄别

在系统相对稳定的情况下，若出现以下一些特征，则风机出现失速：

1）风机正常调整过程中，电流和压力大幅度变化；

2）并联运行的风机，未进行开度调节，其中一台风机的电流、压力大幅度降低；

3）并联运行的风机，未进行开度调节，电流出现较大差异的变化，且调整电流小的风机开度，其出力改变很小。

同时，风机的振动和噪声均较正常运行时偏高,且噪声音调偏低，显得沉闷。

6.2 常见表现形式及排除方法

风机失速时表现形式较多，按处理措施由易到难的大致顺序见表1[9]。

表1 失速常见表现形式、诱因及排除方法表

6.3 运行中失速的处理[10-12]

处理失速的方法本质是使气流相对叶片的气流冲角减小，消除叶片尾部涡流，恢复绕流，运行中出现失速时，应进行如下处理：

1）检查和确认系统设备是否存在局部阻力异常情况，如各挡板的开度是否全部打开，暖风器、空预器等是否堵塞等；检查系统控制参数是否异常，如过高的氧量，增压风机进口过高的负压等；

2）快速降低机组负荷，减小风机的运行开度（条件允许时可将风机自动控制解除，进行手动调节，以避免两台风机的频繁抢风），直至风机恢复正常；

3）若较长时间内仍不能消除风机失速状态，则需停机检查。

6.4 失速预防[13-16]

为防患于未然，需做好以下相关措施：

1）足够的失速裕度

选型设计时，严格按照标准进行失速裕度计算，确保每一工况点的失速裕度达到大于1.3的要求。

2）精确的制造质量

对叶片型线、叶片顶部与机壳间的间隙等的制造精确控制，避免个别叶片因型线差异、过大间隙导致风机出力降低等诱导失速。

3）良好的安装状态

确保风机各定位机构、动叶片角度、调节机构等的一致性、同步性，避免风机出力差异导致失速。

4）可靠的监测措施

确保失速报警监测装置的设备、压力信号检测、传输通道、电信号输出通道、整定值等均处于可靠状态，为失速的判断和处理提供依据。

5）合理的运行调控措施

锅炉系统应尽量维持在设计状态下运行，避免风量、风压及排烟温度等大幅偏离设计参数；并联运行的风机开度、电流尽量一致，避免过快调节风机开度。

6）完善的维护措施

在日常维护时，对系统内如送风机、一次风机的进口消声器，出口暖风器以及空预器等易于堵塞的设备进行重点维护，北方地区还应注意结冰、低温腐蚀，大风后则应注意杨絮、柳絮和塑料膜等堵塞设备。

7 结论

电站轴流风机失速特征多种多样，原因错综复杂，有时一个失速问题可能存在多个原因，在处理完其中一项之后仍然存在失速的问题，因此以上总结的一些失速特征、处理措施不能涵盖所有失速现象，但只要弄清失速机理、监测方法、风机运行调节机制，并对风机性能、系统特性认真分析，那么失速问题将不再会是困扰电厂的一大难题，如此亦达到本文的目的。

[1]李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2]B.埃克（著）.沈阳鼓风机研究所等（译）.通风机[M].北京：机械工业出版社，1983.

[3]李恩辰，徐贤曼.锅炉设备及运行[M].北京：中国电力出版社，1991.

[4]商景泰.通风机手册[M].北京：机械工业出版社，1994.

[5]车长源.锅炉风机节能技术[M].北京：中国电力出版社，1999.

[6]中国电力建设工程咨询公司.火力发电厂设计技术规程.DL 5000-2000[S].北京：中国电力出版社，2000.

[7]刘家钰.电站风机改造与可靠性分析[M].北京：中国电力出版社，2002.

[8]山西省电力工业局.锅炉设备运行（中级工）[M].北京：中国电力出版社，2002.

[9]丁明舫，崔百成，陆其虎，等.锅炉技术问答1100题（上册）[M].北京：中国电力出版社，2002.

[10]应静良，李永华，庞力平，等.电站锅炉空气预热器[M].北京：中国电力出版社，2002.

[11]王志飞，钱晓峰.轴流式双级叶轮一次风机失速分析[J].风机技术，2007(2):78-80.

[12]李春宏.轴流通风机失速与喘振分析[J].风机技术,2008(2): 77-80.

[13]李超，周克毅，徐啸虎，等.电站轴流通风机系统数学模型及喘振特性分析[J].风机技术，2010(1):11-15.

[14]聂鹏飞，马杰.600MW机组增压风机失速分析及失速检测装置的维护[J].风机技术,2011(4):63-65，82.

[15]吴玉林，陈庆光，刘树红.通风机和压缩机（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2011.

[16]刘家钰，阮苗英.防止锅炉一次风机“抢风”技术措施[J].风机技术,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