風(fēng)機(jī)的失速和喘振

1、5.4 風(fēng)機(jī)的失速和喘振5.4.1 失速由流體力學(xué)知，當(dāng)速度為v 的直線(xiàn)平行流以某一沖角（翼弦與來(lái)流方向的夾角）繞流二元孤立翼型（機(jī)翼）時(shí)，由于沿氣流流動(dòng)方向的兩側(cè)不對(duì)稱(chēng)，使得翼型上部區(qū)域的流線(xiàn)變密，流速增加，翼型下部區(qū)域的流線(xiàn)變稀，流速減小。因此，流體作用在翼型下部表面上的壓力將大于流體作用在翼型上部表面的壓力，結(jié)果在翼型上形成一個(gè)向上的作用力。如果繞流體是理想流體，則這個(gè)力和來(lái)流方向垂直，稱(chēng)為升力，其大小由儒可夫斯基升力公式確定：FL速度環(huán)量 繞流流體的密度其方向是在來(lái)流速度方向沿速度環(huán)量的反方向轉(zhuǎn)90°來(lái)確定。軸流風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)的左半部具有一個(gè)馬鞍形的區(qū)域，在此區(qū)段運(yùn)行有時(shí)會(huì)出現(xiàn)

2、風(fēng)機(jī)的流量、壓頭、和功率的大幅度脈動(dòng)等不正常工況，一般稱(chēng)為“喘振”，這一不穩(wěn)定工況區(qū)稱(chēng)為喘振區(qū)。實(shí)際上，喘振僅僅是不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)可能遇到的現(xiàn)象，而在該區(qū)域內(nèi)必然要出現(xiàn)不正常的空氣動(dòng)力工況則是旋轉(zhuǎn)脫流或稱(chēng)旋轉(zhuǎn)失速。這兩種不正常工況是不同的，但是它們又有一定的關(guān)系。軸流風(fēng)機(jī)葉片前后的壓差，在其它都不變的情況下，其壓差的大小決定于動(dòng)葉沖角的大小，在臨界沖角值以?xún)?nèi)，上述壓差大致與葉片的沖角成比例，不同的葉片葉型有不同的臨界沖角值。翼型的沖角不超過(guò)臨界值，氣流會(huì)離開(kāi)葉片凸面發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，產(chǎn)生大面積的渦流，此時(shí)風(fēng)機(jī)的全壓下降，這種情況稱(chēng)為“失速現(xiàn)象”，如圖515。泵與風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)，其葉片上將

3、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫流，可能使葉片發(fā)生共振，造成葉片疲勞斷裂。現(xiàn)以軸流式風(fēng)機(jī)為例說(shuō)明旋轉(zhuǎn)脫流及其引起的振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于正常工況工作時(shí)，沖角等于零，而繞翼型的氣流保持其流線(xiàn)形狀，如圖示：當(dāng)氣流與葉片進(jìn)口形成正沖角時(shí)，隨著沖角的增大，在葉片后緣點(diǎn)附近產(chǎn)生渦流，而且氣流開(kāi)始從上表面分離。當(dāng)正沖角超過(guò)某一臨界值時(shí)，氣流在葉片背部的流動(dòng)遭到破壞，升力減小，阻力卻急劇增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“旋轉(zhuǎn)脫流”或“失速”。如果脫流現(xiàn)象發(fā)生在風(fēng)機(jī)的葉道內(nèi)，則脫流將對(duì)葉道造成堵塞，使葉道內(nèi)的阻力增大，同時(shí)風(fēng)壓也隨之而迅速降低。風(fēng)機(jī)的葉片由于加工及安裝等原因不可能有完全相同的形狀和安裝角，同時(shí)流體的來(lái)流流向也不完全均勻。因此當(dāng)運(yùn)行工況

4、變化而使流動(dòng)方向發(fā)生偏離時(shí)，在各個(gè)葉片進(jìn)口的沖角就不可能完全相同，如果某一葉片進(jìn)口處的沖角達(dá)到臨界值時(shí)，就首先在該葉片上發(fā)生脫流，而不會(huì)所有葉片都同時(shí)發(fā)生脫流。如下圖示：假設(shè)在葉道2 首先由于脫流而出現(xiàn)氣流阻塞現(xiàn)象，葉道受堵塞后，通過(guò)的流量減少，在該葉道前形成低速停滯區(qū)，于是原來(lái)進(jìn)入葉道2 的氣流只能分流進(jìn)入葉道1 和3。這兩股分流來(lái)的氣流又與原來(lái)進(jìn)入葉道1 和3 的氣流匯合，從而改變了原來(lái)的氣流方向，使流入葉道1 的氣流沖角減小，而流入葉道3 的沖角增大，由此可知，分流的結(jié)果將使葉道1 內(nèi)的繞流情況有所改善，脫流的可能性減小，甚至消失，而葉道3 內(nèi)部卻因沖角增大而促使發(fā)生脫流，葉道3 內(nèi)發(fā)生

5、脫流后又形成堵塞，使葉道3 前的氣流發(fā)生分流，其結(jié)果又促使葉道4 內(nèi)發(fā)生脫流和堵塞，這種現(xiàn)象繼續(xù)下去，使脫流現(xiàn)象所造成的堵塞區(qū)沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)相反的方向移動(dòng)。試驗(yàn)表明，脫流的傳播相對(duì)速度W1 遠(yuǎn)小于葉輪本身旋轉(zhuǎn)角速度W 因此，在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)中，可以觀(guān)察到脫流區(qū)以W-W1 的速度旋轉(zhuǎn)，方向與葉輪轉(zhuǎn)向相同，此種現(xiàn)象稱(chēng)為“旋轉(zhuǎn)脫流”或“旋轉(zhuǎn)失速”。風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行，葉輪內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)到數(shù)個(gè)旋轉(zhuǎn)脫流區(qū)，葉片依次經(jīng)過(guò)脫流區(qū)要受到交變應(yīng)力的作用，這種交變應(yīng)力會(huì)使葉片產(chǎn)生疲勞。葉片每經(jīng)過(guò)一次脫流區(qū)將受到一次激振力的作用，此激振力的作用頻率與旋轉(zhuǎn)脫流的速度成正比，當(dāng)脫流區(qū)的數(shù)目2、3、時(shí)，則作用于每個(gè)葉片的激

6、振力頻率也作2 倍、3 倍、的變化。如果這一激振力的作用頻率與葉片的固有頻率成整數(shù)倍關(guān)系，或者等于、接近于葉片的固有頻率時(shí)，葉片將發(fā)生共振。此時(shí)，葉片 的動(dòng)應(yīng)力顯著增加，甚至可達(dá)數(shù)十倍以上，使葉片產(chǎn)生斷裂。一旦有一個(gè)葉片疲勞斷裂，將會(huì)將全部葉片打斷，因此，應(yīng)盡量避免泵與風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行。如圖518 在軸流風(fēng)機(jī)QH 性能曲線(xiàn)中，全壓的峰值點(diǎn)左側(cè)為不穩(wěn)定區(qū)，是旋轉(zhuǎn)脫流區(qū)。從峰值點(diǎn)開(kāi)始向小流量方向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)脫流從此開(kāi)始，到流量等于零的整個(gè)區(qū)間，始終存在著脫流。旋轉(zhuǎn)脫流對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響不一定很顯著，雖然脫流區(qū)的氣流是不穩(wěn)定的，但風(fēng)機(jī)中流過(guò)的流量基本穩(wěn)定，壓力和功率亦基本穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)在發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫流的

7、情況下尚可維持運(yùn)行，因此，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)如落在脫流區(qū)內(nèi)，運(yùn)行人員較難從感覺(jué)上進(jìn)行判斷。因?yàn)樾D(zhuǎn)脫流不易被操作人員覺(jué)察，同時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)入脫流區(qū)工作對(duì)風(fēng)機(jī)的安全終究是個(gè)威脅，所以一般大容量軸流風(fēng)機(jī)都裝有失速探頭。如圖所示：失速探頭由兩根相隔約3mm 的測(cè)壓管所組成，將它置于葉輪葉片的進(jìn)口前。測(cè)壓管中間用厚3mm 高（突出機(jī)殼的距離）3mm 鎘片分開(kāi)，風(fēng)機(jī)在正常工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)，葉輪進(jìn)口的氣流較均勻地從進(jìn)氣室沿軸向流入，那么失速探頭之間的壓力差幾乎等于零或略大于零，如圖示中的AB 曲線(xiàn)圖中P 為兩測(cè)壓管的壓力差。當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)落在旋轉(zhuǎn)脫流區(qū)，葉輪前的氣流除了軸向流動(dòng)之外，還有脫流區(qū)流道阻塞成氣流所形成的圓

8、周方向分量。于是，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)先遇到的測(cè)壓孔，即鎘片前的測(cè)壓孔壓力高，而鎘片后的測(cè)壓孔的氣流壓力低，產(chǎn)生了壓力差，一般失速探頭產(chǎn)生的壓力差達(dá)245392Pa，即報(bào)警，風(fēng)機(jī)的流量越小，失速探頭的壓差越大，如圖中的BCD.由失速探頭產(chǎn)生的壓差發(fā)出信號(hào)，然后由測(cè)壓管接通一個(gè)壓力差開(kāi)關(guān)（繼電器），壓力差開(kāi)關(guān)將報(bào)警電路系統(tǒng)接通發(fā)出報(bào)警，操作人員及時(shí)采取排除旋轉(zhuǎn)脫流的措施。失速探頭裝好以后，應(yīng)予以標(biāo)定，調(diào)整探頭中心線(xiàn)的角度，使測(cè)壓管在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的差壓為最小。5.4.2 喘振軸流風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行時(shí)，還可能發(fā)生流量、全壓和電流的大幅度的波動(dòng)，氣流會(huì)發(fā)生往復(fù)流動(dòng)，風(fēng)機(jī)及管道會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，噪聲顯著增高，

9、這種不穩(wěn)定工況稱(chēng)為喘振。喘振的發(fā)生會(huì)破壞風(fēng)機(jī)與管道的設(shè)備，威脅風(fēng)機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的安全性。如圖所示：軸流風(fēng)機(jī)QH 性能曲線(xiàn)，若用節(jié)流調(diào)節(jié)方法減少風(fēng)機(jī)的流量，如風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)在K 點(diǎn)右側(cè)，則風(fēng)機(jī)工作是穩(wěn)定的。當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量Q < QK 時(shí)，這時(shí)風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的最大壓頭將隨之下降，并小于管路中的壓力，因?yàn)轱L(fēng)道系統(tǒng)容量較大，在這一瞬間風(fēng)道中的壓力仍為HK，因此風(fēng)道中的壓力大于風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的壓頭使氣流開(kāi)始反方向倒流，由風(fēng)道倒入風(fēng)機(jī)中，工作點(diǎn)由K 點(diǎn)迅速移至C 點(diǎn)。但是氣流倒流使風(fēng)道系統(tǒng)中的風(fēng)量減小，因而風(fēng)道中壓力迅速下降，工作點(diǎn)沿著CD 線(xiàn)迅速下降至流量Q=0時(shí)的D 點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)機(jī)供給的風(fēng)量為零。由于風(fēng)機(jī)在繼續(xù)運(yùn)

10、轉(zhuǎn)，所以當(dāng)風(fēng)道中的壓力降低到相應(yīng)的D 點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)又開(kāi)始輸出流量，為了與風(fēng)道中壓力相平衡，工況點(diǎn)又從D 跳至相應(yīng)工況點(diǎn)F。只要外界所需的流量保持小于QK，上述過(guò)程又重復(fù)出現(xiàn)。如果風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)按FKCDF 周而復(fù)始地進(jìn)行，這種循環(huán)的頻率如與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的振蕩頻率合拍時(shí)，就會(huì)引起共振，風(fēng)機(jī)發(fā)生了喘振。風(fēng)機(jī)在喘振區(qū)工作時(shí)，流量急劇波動(dòng)，產(chǎn)生氣流的撞擊，使風(fēng)機(jī)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，噪聲增大，而且風(fēng)壓不斷晃動(dòng)，風(fēng)機(jī)的容量與壓頭越大，則喘振的危害性越大。故風(fēng)機(jī)產(chǎn)生喘振應(yīng)具備下述條件：(1) 風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)落在具有駝峰形QH 性能曲線(xiàn)的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)；(2) 風(fēng)道系統(tǒng)具有足夠大的容積，它與風(fēng)機(jī)組成一個(gè)彈性的空氣動(dòng)力系統(tǒng)；

11、(3) 整個(gè)循環(huán)的頻率與系統(tǒng)的氣流振蕩頻率合拍時(shí)，產(chǎn)生共振。旋轉(zhuǎn)脫流與喘振的發(fā)生都是在QH 性能曲線(xiàn)左側(cè)的不穩(wěn)定區(qū)域，所以它們是密切相關(guān)的，但是旋轉(zhuǎn)脫流與喘振有著本質(zhì)的區(qū)別。旋轉(zhuǎn)脫流發(fā)生在如圖所示的風(fēng)機(jī)QH 性能曲線(xiàn)峰值以左的整個(gè)不穩(wěn)定區(qū)域；而喘振只發(fā)生在QH 性能曲線(xiàn)向右上方傾斜部分。旋轉(zhuǎn)脫流的發(fā)生只決定葉輪本身葉片結(jié)構(gòu)性能、氣流情況等因素，與風(fēng)道系統(tǒng)的容量、形狀等無(wú)關(guān)。旋轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)影響不如喘振這樣嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生喘振，情況就不相同。喘振時(shí)，風(fēng)機(jī)的流量、全壓和功率產(chǎn)生脈動(dòng)或大幅度的脈動(dòng)，同時(shí)伴有明顯的噪聲，有時(shí)甚至是高分貝的噪聲。喘振時(shí)的振動(dòng)有時(shí)是很劇烈的，損壞風(fēng)機(jī)與管道系統(tǒng)。

12、所以喘振發(fā)生時(shí)，風(fēng)機(jī)無(wú)法運(yùn)行。軸流風(fēng)機(jī)在葉輪進(jìn)口處裝置喘振報(bào)警裝置，該裝置是由一根皮托管布置在葉輪的前方，皮托管的開(kāi)口對(duì)著葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，如下圖所示：皮托管是將一根直管的端部彎成90°（將皮托管的開(kāi)口對(duì)著氣流方向），用一U 形管與皮托管相連，則U 形管（壓力表）的讀數(shù)應(yīng)該為氣流的動(dòng)能（動(dòng)壓）與靜壓之和（全壓）。在正常情況下，皮托管所測(cè)到的氣流壓力為負(fù)值，因?yàn)樗鼫y(cè)到的是葉輪前的壓力。但是當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)工作時(shí)，由于氣流壓力產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，所以皮托管測(cè)到的壓力亦是一個(gè)波動(dòng)的值。為了使皮托管發(fā)送的脈沖壓力能通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)，利用電接觸器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，所以皮托管的報(bào)警值是這樣規(guī)定的：當(dāng)動(dòng)葉片處于

13、最小角度位置（30°） 用一U 形管測(cè)得風(fēng)機(jī)葉輪前的壓力再加上2000Pa 壓力，作為喘振報(bào)警裝置的報(bào)警整定值。當(dāng)運(yùn)行工況超過(guò)喘振極限時(shí)，通過(guò)皮托管與差壓開(kāi)關(guān)，利用聲光向控制臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，要求運(yùn)行人員及時(shí)處理，使風(fēng)機(jī)返回正常工況運(yùn)行。為防止軸流風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)工作點(diǎn)落在旋轉(zhuǎn)脫流、喘振區(qū)內(nèi)，在選擇軸流風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)仔細(xì)核實(shí)風(fēng)機(jī)的經(jīng)常工作點(diǎn)是否落在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，同時(shí)在選擇調(diào)節(jié)方法時(shí)，需注意工作點(diǎn)的變化情況，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)由于改變動(dòng)葉的安裝角進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)減少流量時(shí)，小風(fēng)量使軸向速度降低而造成的氣流沖角的改變，恰好由動(dòng)葉安裝角的改變得以補(bǔ)償，使氣流的沖角不至于增大，于是風(fēng)機(jī)不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫流，更

14、不會(huì)產(chǎn)生喘振。動(dòng)葉安裝角減小時(shí)，風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定區(qū)越來(lái)越小，這對(duì)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行是非常有利的。防止喘振的具體措施：使泵或風(fēng)機(jī)的流量恒大于QK。如果系統(tǒng)中所需要的流量小于QK 時(shí)，可裝設(shè)再循環(huán)管或自動(dòng)排出閥門(mén)，使風(fēng)機(jī)的排出流量恒大于QK.如果管路性能曲線(xiàn)不經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可能得到穩(wěn)定的運(yùn)行工況，通過(guò)風(fēng)機(jī)各種轉(zhuǎn)速下性能曲線(xiàn)中最高壓力點(diǎn)的拋物線(xiàn)，將風(fēng)機(jī)的性能曲線(xiàn)分割為兩部分，右邊為穩(wěn)定工作區(qū)，左邊為不穩(wěn)定工作區(qū)，當(dāng)管路性能曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，改變轉(zhuǎn)速并無(wú)效果，因此時(shí)各轉(zhuǎn)速下的工作點(diǎn)均是相似工況點(diǎn)。對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)采用可調(diào)葉片調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量減小時(shí)，則減小其安裝角，性能曲線(xiàn)下移，臨界點(diǎn)向左

15、下方移動(dòng)，輸出流量也相應(yīng)減小。最根本的措施是盡量避免采用具有駝峰形性能曲線(xiàn)的風(fēng)機(jī)，而采用性能曲線(xiàn)平直向下傾斜的風(fēng)機(jī)。失速和喘振是兩種不同的概念，失速是葉片結(jié)構(gòu)特性造成的一種流體動(dòng)力現(xiàn)象，它的一些基本特性，例如：失速區(qū)的旋轉(zhuǎn)速度、脫流的起始點(diǎn)、消失點(diǎn)等，都有它自己的規(guī)律，不受風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的容積和形狀的影響。喘振是風(fēng)機(jī)性能與管道裝置耦合后振蕩特性的一種表現(xiàn)形式，它的振幅、頻率等基本特性受風(fēng)機(jī)管道系統(tǒng)容積的支配，其流量、壓力功率的波動(dòng)是由不穩(wěn)定工況區(qū)造成的，但是試驗(yàn)研究表明，喘振現(xiàn)象的出現(xiàn)總是與葉道內(nèi)氣流的脫流密切相關(guān)，而沖角的增大也與流量的減小有關(guān)。所以，在出現(xiàn)喘振的不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)必定會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫流。風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振立即將風(fēng)機(jī)動(dòng)葉控制置于手動(dòng)方式，關(guān)小另一臺(tái)未失速風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉，適當(dāng)關(guān)