轴流风机的脱流、喘振分析和防范措施

刘吉波

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

轴流风机的脱流、喘振分析和防范措施

刘吉波

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

对轴流风机的受力、速度三角形及旋转脱流与喘振现象进行了分析，说明了引起脱流与喘振的原因，制定了防止喘振现象发生的措施，对防止轴流风机及管道系统的疲劳破坏及风机的科学管理提供参考。

轴流风机；脱流；喘振；升力；阻力

轴流风机具有效率高、流量大、多级串联增压大、易调节、结构简单小而轻、动叶可调效率高、启动力矩小等诸多优点，在电力、农业、冶金、矿山等各领域得到广泛的应用。轴流风机工况点的合理工作范围是工作风压小于最大风压90%以右的压力降低区，禁止在最高压力点以左的喘振区域运行。若风机工况点工作在不稳定区域内，将使气流冲角增大，风机风压、风量急剧下降，系统空气倒流入风机，压力出现较大脉动，气流在风机叶道内，沿轴向产生忽断忽续而又周期性的低频、高幅震荡，出现风机失速喘振（又称飞动），造成风机零件和风道的损坏，给安全生产造成极大隐患。

1 风流绕流翼型产生的升力、阻力与翼型的脱流（失速）现象

1.1 轴流风机的升力与脱流

轴流风机叶片大多采用机翼型叶片，叶轮旋转流体绕流风机叶片的流动，与飞机在大气中飞行相似。叶轮获得的能量大小与翼型的受力有关，提高升力可以提高叶轮的能量；设流体是不可压缩的定常流，则粘性流体绕流机翼产生的升力与阻力为：

式中：FL、FD为升力与阻力；kL、kD为升力系数与阻力系数，随着i的增大而增大，冲角i=16°时，达到最大；A为机翼（叶片）翼型的投影面积，A=bl；b为翼型弦长；l为翼展（叶片长度）；i为冲角，来流速度v∞与翼弦线的夹角，见图1，图2。

上式可以看出，升力系数kL越大、来流速度C∞越高、机翼投影面积A越大，则升力亦越大。

图1 翼型参数（叶片）与脱流现象

图2 轴流风机的升力与阻力与冲角

若气流流入叶片的方向偏离了叶片的进口安装角，风流流动方向与叶片进口安装角的夹角i超过了临界值（i＞16°）时，翼型的升力系数kL与升力FL大幅度降低，阻力系数kD与阻力FD急速增加，风机理论风压降低，流量减少。随着冲角的增大，翼背的边界层受到破坏，翼型的上表面发生边界层分离，叶背处的尾端出现涡流区，并从尾端扩展到中部甚至整个叶背区间，气流在叶道内的流动发生阻塞，这种情况称为脱流[1]。为了保证翼型安全，必须使工况点不落在脱流（失速）区内，见图1，图3。

图3 旋转脱流的形成过程

1.2 旋转脱流（失速）的形成与方向

由于叶片的安装角不能完全一致，若叶道2前的叶片冲角达到临界值时（见图3），首先在叶道2上脱流而产生阻塞，原来流入叶道2的风流被分流进入叶道1和3，并与原来流入叶道1、3的气流汇合，改变了叶道1、3空气流入的冲角，流入叶道1的冲角减少，流入叶道3的冲角增大；杜绝了叶道1发生脱流的可能性，而叶道3又再次发生脱流。叶道3的脱流阻塞又使气流向叶道4分流并使其翼背脱流，但流向叶道2的分流，减少了原来脱流叶道2的冲角，使叶道2冀背脱流消失，这一过程向着叶轮旋转相反的方向移动下去，称为“旋转脱流”[2]，旋转脱流移动速度小于叶轮的旋转速度μ。

单级叶轮的旋转脱流程度与叶轮的轮毂比有关，当轮毂比值较小时（≤0.6），因叶片长度较长，旋转脱流现象较轻，脱流沿风机特性曲线连续微动发展，且大多只发生在叶首的局部区域，因此称为“局部扩展”型（见图4）；当轮毂比值较大（≥0.9），叶片长度很短时，脱流就会沿整个叶片全长发生，风压在超过最高点后突然发生阶梯式下降，脱流沿整个叶片发展，故称其为“全叶长”型。

图4 局部扩展与全叶长型旋转脱流

旋转脱流仅与叶片的结构性能有关，对风机一般没有很大影响，只有发生全叶长型旋转脱硫时，才会听到有明显的节奏噪声，一般进风侧的叶片压力波动较之出风侧约增大75%左右。

对固定转速的叶轮，当进行关闸增阻减风的节流工况调节时，由于转速不变，则叶轮的切向速度μ不变，但因风量减少，使轴向风速W1a（C1a）减少，导致冲角增大，风流轴向阻力增大，轴向流动动力Fa减少，出现脱流现象。因此，当叶片进口安装角一定时，气流速度Wa（Ca）越小，冲角i就越大，产生失速的可能性也就越大，见图5。

图5 增阻减风调节导致的脱流失速现象

2 叶栅上的气流流动和受力分析

当叶轮旋转时，叶栅以圆周速度μ向前运动，并绕流翼型流动，给翼背一个升力F，而叶片翼腹对流体产生一个反作用力F′，他们分别又分解为轴向力Fa、F′a，气流获得沿轴向能量，使风流流动并产生流量q；分解为圆周力Fμ、F′μ，使气体旋转，产生压力，所以气流经过叶轮做功后，作绕轴旋转并沿轴向前运动。若W1、W2分别为气流沿叶道方向流入、流出叶道控制面的相对速度；C1、C2为进口1、出口2上W与μ的绝对合速度；栅距为t，叶片玄长为b，θ为叶片玄线与叶栅圆周速度μ的夹角，即入口的迎风安装角；取翼型流道中心流线组成封闭曲线的控制微元，见图6。

图6 气流绕叶栅的流动速度与受力分析

由于叶道入口至出口呈扩散形，所以出口气流的相对速度W2小于入口气流的相对速度W1；而出口气流的相对速度与叶轮旋转圆周速度μ所成的夹角β2大于入口相应夹角β1；叶片进、出的相对速度W1、W2与圆周速度μ的矢量和即为叶片进、出口上的绝对速度C1、C2。由于叶轮进出口的圆周速度相等（μ1=μ2=μ），所以相对速度沿轴向的变化量△Wa与绝对速度的变化量△Ca相等；若C1a沿轴向流入，则△Wμ=△Cμ（扭速），见图6（a）。

轴流风机是利用扩散增压的原理来提高空气的静压的。空气通过叶栅时，由于叶道扩散，绝对速度W2减小（动能减少），压力增高，因此其单级增压小于离心式通风机。

以ABCD为控制微元应用连续方程有：

ABCD封闭周线的速度环量为：

因ΓAD=ΓBC，所以

由动量定律得作用在微元上单位翼展（叶片）长度dl上的升力为：

在叶栅进出口间应用伯诺力方程得控制微元进出口单位叶长dl上的压力差为：

可列出单位叶片长度dl的轴向力为：

单位长翼型给气流的合力为：

式中：p1、p2分别为叶道进出口AB面与CD面上的气体压力；W1、W2分别为叶轮进、出口上的相对速度；W1a、W2a分别为进、出口上的相对速度沿轴向方向上分速度；β1为气流进口角，气流流入方向与圆周速度的夹角；β2为气流出口角，气流流出方向与圆周速度反方向的夹角；W1μ、W2μ分别为进、出口上的相对速度沿圆周方向上分速度；θ为叶片安装角，玄线与叶轮平面的夹角；l为翼展（叶片）长度，l=R-r；ω为角速度；μ为叶轮圆周速度；W∞为叶轮进、出口上的相对速度的平均值，W∞=（W1+W2）/2；叶栅计算时W∞等价于单个叶栅无穷远处来流速度W∞≈C∞。

上式结果同式（3）。

作用在叶轮轴上的外力矩M与叶轮角速度ω的乘积，即为整个叶轮的理论功率：

因N=Htq，故轴流风机的风压为：

上式为轴流风机的欧拉方程。由速度三角形，则上式又可变化为：

从以上可以看出，轴流式风机的全压与叶轮的圆周速度μ和轴向速度Ca成正比，与气流的相对速度与旋转方向夹角的余切差（cotβ2-cotβ1）成正比。要提高风机风压，必须增大圆周速度（增大转速n和叶轮直径D），增大轴向来流动压速度（减小进口断面），增加叶片挠度，减小β1，增大β2，从而提高进出、口的转折角（β2-β1），但过大又容易产生边界层分离的脱流现象，（β2-β1）不宜超过40～45°。因轴流式叶轮进出口的圆周速度相等（μ1=μ2=μ），故流体在轴流式风机中获得的能量小于离心式，风机的全压较小，可采用多级叶轮（串联）的方法，提高轴流风机的风压。

3 喘振的产生及防范

3.1 喘振的发生条件

发生喘振必须同时具备以下三个条件：

（1）风机工作在不稳定工况区域中压力特性曲线单调递增（△H/△Q＞0）的区域内。

（2）风机进、出口管道具有足够的容积，与风机组合成一弹性的空气动力系统，在风机工况发生改变时，外界管道的变化要滞后一定的时间。

（3）系统气流的震荡频率与翼型的扰动频率发生共振。

3.2 喘振发生的原因和过程

节流减风使工况点落在了最大负压（Hmax）A点以左的B点，此时风机之后的管道负压还来不及与B点平衡而高于B点，于是发生短暂的倒流，风机出口受阻，短时无空气流过风机，使风机压力瞬时降到C点，但此时风机后面的管道仍然继续流动供风，使风机流量增大，背压升力增高，负压增高越过B点至A点，因调节机构调节风量在B运行，因此流量还得恢复到B点，从而形成了第二次的减风脱流，如此循环波动，当循环频率与系统的震荡频率重合时，引起共振，即喘振发生，见图7（a）。

图7 喘振的发生过程了类型

当轮毂比较大，叶片较短而出现全叶长旋转脱流时，小流量的减风扰动，即可使风机负压突然降到B点，短暂倒流使风机无风而负压剧聚降到C点，缓冲后管道恢复供风而使压力增大到E点或A点，如此脉动循环，当循环频率与系统的震荡频率重合时，引起共振，此种共振称为“边界周期型”喘振，见图7（b）。

3.3 喘振的防范措施

根据喘振的发生条件可知，合理的选择风机参数，采用正确的调节手段，防止风机运行在不稳定工况区；同时减少风机进、出口管道的面积，提高管道（风硐）的来流风速，集流器外径一般为叶轮直径1.2～1.4倍，而风机的出口风道界面不得大于进口界界面的112.5%，不得小于进口断面的92.5%[3]；同时尽量避免风机、叶片的自然频率与脱流循环频率的共振，是防范轴流风机发生喘振现象的关键措施。

（1）选用设计制造优质、稳定、高效的风机。风机高效工况区域宽，叶片角等叶片参数，设计合理，叶栅的稠度比在b/t=0.5～0.7范围，以减少翼型间的相互干扰；升阻比FL/FD及升、降阻力系数比KL/KD达到10～20倍的最佳范围。

（2）选用轮毂比≤0.6的风机，以避免全长式脱流的发生；同时提高叶片的质量和光洁度，增强叶片的抗疲劳强度和阻尼特性，采用弧形叶型也是最简单实用的办法。

（3）采用先进的调频调节技术。调频调节在改变供电频率的基础上，减少了风机的转速，从而减少了风机的风量和风压。由比例（相似）定律可知，转速与风机的风量成正比，与风机风压的平方成正比，与风机功率的三次方成正比，降低转速后，降低了风机的功率及运营成本，同时虽然也降低了风量和轴向绝对速度，但是旋转方向上的圆周速度μ也相应降低，并不增大风流入口的冲角，可以避免脱流和喘振现象的发生。调频减速调节的特性曲线变化，见图5(a)；速度三角形，见图8。

图8 调频减速调节的速度三角形

（4）优先选用正确合理的调节手段。采用叶片安装角度（θ角）调节，确保准确一直的叶片安装角度和安装质量，或采用“动叶可调”式风机，进行调角调节。这种方法虽然减少了风量和轴向来风风速，但同时也调整了叶片的安装角度，故冲角i基本保持不变，因而避免了脱流、喘振现象的发生。调叶片安装角调节，是一种经济高效、节能降耗省电的调节方法。调角调节的特性曲线，见图5(a)；速度三角形，见图9（a）。

（5）前导器调节（导向静叶）是一种小型轴流式风机采用较多的调节手段，这种调节措施，在导叶关小时，给予进入叶轮的气流以预先旋转，使气流与叶轮的合成气流，与叶片间的冲角维持原值或改变不大，不至于出现脱流现象，见图9（b）。

图9 动叶可调与前导器调节的速度三角形

4 事故案例

某厂300MW机组锅炉，配两台丹麦生产的动叶可调风机，某日听到铁件撞击后落下的巨响，风机剧烈震动，风机叶片断裂破坏。原因是叶片安装角度不一致，且在调换个别备品叶片时，对叶片进行了略微打磨，没有整套叶片一起调换，使几何形态不等、转动应力不均、自震频率改变，发生共震喘振现象，导致风机损坏。因此，在调角调节过程中，必须保证调节角度、叶片结构、形式、重量、质量的一致性，以防失速和喘振破坏。

5 结语

增阻节流调节是导致风机（包括离心式）在不稳定工况点运行而脱流与喘振的重要原因。对风机的喘振可以在风机入口处安装皮托管微压差开关，喘振时皮托管发送较大的脉冲压力信号，通过压力开关，使电接触器发出警报信号（失速探头报警的压力差可设为245～392 Pa），一旦预警就迅速关闭动叶，降低系统风压，防止叶片共振损坏风机和叶片。因此，找出风机喘振的原因和过程，采取针对性的防范措施并进行预警预报，就可以保证风机安全可靠、高效稳定的运转。

[1]俞文兵.轴流风机喘振故障原因分析及对策[J].石油化工技术与经济,2011,27(6)：39-41,52.

[2]杨诗成,王喜魁.泵与风机[M].4版.北京：中国电力出版社,2012.

[3]丁鹏,吴跃东.动叶可调轴流通风机的失速与喘振分析及改进措施[J].风机技术,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

刘吉波（1961-），男，山东烟台人，副教授，研究方向：安全工程。

〔责任编辑 王东〕