利用速度三角形分析轴流风机的喘振

高超

摘要：指出了喘振是轴流风机运行中面临的最主要问题之一，关于喘振的原理，以往的分析大都是从驼峰形qv-H曲线着手，驼峰形qv-H曲线能够很好地说明喘振的产生原因，但对于喘振与失速的关系，喘振的消除方法及其依据缺乏有力的分析，从风机分析中常用的速度三角形着手，对上述问题给予了较完整的解答。

关键词：轴流风机；速度三角形；喘振；失速

中图分类号：TH432.1

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）20-0113-02

1 引言

随着电力工业的发展，单机容量不断增大，600MW机组已成为我国火电机组的中坚力量，600MW机组广泛采用轴流风机作为锅炉引风机、送风机、一次风机，轴流风机相比离心风机有许多突出优点，如质量轻、体积小、启动力矩小、变工况性能好、工作范围大、可安装可调动叶等，但也面临着一些新的问题，喘振就是轴流风机运行中面临的最主要问题之一。喘振一旦发生，如果不能及时消除，将会造成十分严重的后果，甚至造成风机系统的严重破坏。为预防和消除喘振，有必要对轴流风机的喘振原理进行分析，轴流风机的喘振与其叶片形式和做功原理有着密切关系，先简要介绍风机分析中常用的速度三角形和轴流风机的叶片形式、做功原理，再引出对机翼形叶片的失速分析，最后分析轴流风机的喘振及其预防、消除方法。

2 风机速度三角形简介

风机运行时，流体一方面随叶轮旋转，另一方面又从转动着的叶轮内向外流动，流体随着叶轮旋转的运动称为圆周运动，其运动速度称为圆周速度，用符号u表示，其方向与圆周的切线方向一致，大小u=wr（w为角速度，r为半径），同时，流体质点沿着叶道向外缘流动，相对于叶轮作相对运动，其运动速度称为相对速度，用符号w表示，流体质点相对于静止的风机壳体的运动称为绝对运动，其运动速度称为绝对速度，用符号v表示，绝对运动是圆周运动和相对运动的复合运动，因此，绝对速度等于圆周速度与相对速度的矢量和，即：

v=u+w

绝对速度、相对速度、圆周速度三者正好组成一个三角形，称为速度三角形。在分析风机问题时，通常是只需了解风机进出口的参数变化，因此，只要画出叶轮进出口速度三角形就可以了，笔者分别用下标1和2来表示叶轮进出口的参数，即：

u1为叶轮进口圆周速度；

v1为叶轮进口绝对速度；

w1为叶轮进口相对速度；

u2为叶轮出口圆周速度；

v2为叶轮出口绝对速度；

w2为叶轮出口相对速度。

如图1所示，绝对速度v与圆周速度u之间的夹角用α表示，相对速度w与圆周速度u反方向之间的夹角用β表示，当流体很好地贴附叶片运动时，则β角可以表示叶片的安装角。

3 轴流风机的做功原理和叶片形式

叶片式泵与风机的基本方程为：

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

式中等号左边HT为理论全压头，等号右边为三项相加，其中从左往右第一项为流体受惯性离心力作用提高的压能头，第二项为流体相对速度减小流体获得的压能头，第三项为流体获得的动能头，第一项和第二项之和为理论压能头，因动能头越大，流体流动过程中的能头损失也越大，所以希望压能头占全压头的比重越高越好。

由于轴流风机流体沿轴向流入，轴向流出，即流体在叶轮进出口的半径r相等，则

u1=u2

压能头中第一项为零，实际只包含第二项，轴流风机压能头只能靠流体沿叶片相对运动时相对速度的减小获得，即要使：

w1>w2

必须满足叶轮出口通道的面积大于进口通道的面积，为满足这个条件，叶片应选择进口厚、出口薄的机翼形叶片。

4 机翼形叶片的失速

当气流顺着机翼叶片流动时，作用于叶片的有两种力，即垂直于流线的升力与平行于流线的阻力。当气流完全贴着叶片呈流线型流动时，这时升力大于阻力，当气流与叶片进口形成正冲角，且此正冲角达到某一临界值时，叶片背面流动工况开始恶化，如超过临界值时，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，出现失速现象（图2）。使叶道产生阻塞现象，流体的能头则大大降低。

5 轴流风机的喘振

当风机处于不稳定工作区运行时，可能会出现流量、风压的大幅度波动，引起整个管网系统装置剧烈的振动噪声，这种现象叫做喘振。

5.1 喘振与失速的关系

由喘振与失速的定义可知，喘振是由于风机流量低于临界流量产生的，失速是由于气流与叶片形成的正冲角超过临界值产生的，那么风机的临界流量与气流的临界正冲角有没有什么内在关系呢？下面用速度三角形来分析它们之间的内在关系。因为气流对叶片的正冲角发生在叶片进口，所以只需分析叶片进口速度三角形。为便于分析，假定以下三个条件：

①对于进口无导流器（静叶）的风机来说，α=90°。

②风机转速不变，即不变。

③叶片的安装角不能改变。

如图3所示，当风机正常运行时，气流贴着叶片流动，则β角就是叶片的安装角，当风机发生喘振时，风机流量减小，反映到速度三角形中就是v1减小为v′1，则w1变为w′1，β角减小，减小的值为θ，但减小后的β角已不能表示叶片安装角，因为叶片安装角不能改变，这时气流已经偏离了叶片，从轴流风机的做功原理可知，作用在叶片上的升力方向应阻碍叶片旋转，即升力应该指向速度三角形斜边内侧，结合图2、图3可知，速度三角形斜边内侧为叶片弧面，外侧为叶片背面，显然θ角就是气流与叶片形成的正冲角，当θ角超过临界值时，叶片就会发生失速。综上所述，风机流量减小引起气流与叶片形成正冲角，进而引起失速，当失速遇到一定的外部条件时，如大容量管路系统，引起共振，就会发生喘振现象。

5.2 喘振的预防和消除

喘振发生的原因为风机流量低于临界值，实际生产中导致风机流量过低的原因主要为风烟系统阻力过大，风烟系统阻力过大的原因又可以分为烟风道严重积灰、结焦、堵塞、风门挡板误关或未全开、并列运行的风机抢风等，要从根本上预防喘振，就要从上述原因着手，减小风烟系统阻力。

一旦喘振发生，要立即采取措施消除，从上面的分析可知，风机之所以发生喘振，是由于流量减小引起气流叶片间的正冲角增大，进而引起失速。要消除喘振，关键是要减小气流叶片间的正冲角，显然，只有两种办法：

（1）使气流向叶片靠拢，又分为三种办法：

①增大流量，即增大v，如设置放气阀、再循环、减小系统阻力等。

②减小转速，及减小u，从速度三角形可知，v减小的情况下相应减小u，可以使得β增大，θ减小。

③对安装有进口导流器（静叶）的风机来说，可以关小静叶开度，使得α减小（静叶全开时，α=90°）。从速度三角形可知，v减小的情况下减小α同样使得β增大，θ减小。

（2）使叶片向气流靠拢，即改变叶片的安装角，这个办法只有安装有可调动叶的风机才能使用，当动叶可调的风机发生喘振时，关小喘振风机的动叶，即减小叶片的安装角，使得叶片与气流的正冲角减小，直至喘振消失。

6 结语

通过上面的分析，我们找到了喘振与失速的内在关系，并将其在速度三角形中表现出来，进而从中寻找应对之策。随着火电厂节能降耗要求的提高和自动化水平的提高，600MW机组的引风机、送风机、一次风机一般都配有风量调节装置，如可调动叶、可调静叶、变频器等，这些调节手段在降低风机能耗的同时，也为喘振消除提供了手段。事实上，实际生产中风机发生喘振，要在短时间内减小系统阻力、提高风机流量很难，往往是靠调节动叶、静叶、变频器等风量调节装置减小气流与叶片的正冲角，进而消除喘振，可以看出，风机喘振的发生本质上就是风机流量与其调节装置的位置不适应，这时候只需要将调节装置调整到与实际流量相适应的位置，就可以消除喘振，这也是上述消除喘振方法的依据。

参考文献：

[1]汪淑奇，文炼红，杨继明.单元机组设备运行.锅炉设备与运行[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]唐复勇，曹薇娜.热能动力专业基础[M].北京：中国电力出版社，2007.