动叶可调轴流通风机的失速与喘振分析及改进措施

动叶可调轴流通风机的失速与喘振分析及改进措施 丁 鹏 / 扬州第二发电有限责任公司 吴跃东 / 沈阳鼓风机（集团）有限公司摘要：阐述了轴流通风机失速与喘振的形成机理，结合2600MW机组一次风机的喘振问题，分析了失速与喘振的原因，同时还制定了检查及整改措施。关键词：轴流式通风机 失速 喘振中图分类号：TH432.1 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2007）03-0070-02Analysis on Stall and Surge of Variable Blade Adjustable Axial Flow Fan and Improvement MeasuresAbstract: The formation principle of stall and surge for axial flow fan was elucidated, analyze the reason of stall and surge bonding the surge problem of 2600MW primary fan, at one time, draw the measures of check and improvement.Key Words: axial flow fan stall surge0 引言由于动叶可调轴流通风机具有体积小、质量轻、低负荷区域效率较高、调节范围宽广、反应速度快等优点，近十年来，国内大型火力发电厂已普遍采用动叶可调轴流通风机。因为轴流通风机具有驼峰形性能曲线这一特点，理论上决定了风机存在不稳定区。风机并不是在任何工作点都能稳定运行，当风机工作点移至不稳定区时，就有可能引发风机失速及喘振等现象的发生。笔者针对扬州第二发电有限责任公司二期扩建工程2600MW机组一次风机在安装、调试期间发生的失速问题，对失速与喘振的原理进行了分析，并提出了相应的检查和整改措施，以及风机在正常运行过程中如何避免失速与喘振的发生。1 轴流通风机失速与喘振的关系1.1 失速目前，一般轴流通风机通常采用高效的扭曲机翼型叶片，当气流沿叶片进口端流入时，气流就沿着叶片两端分成上下两股，处于正常工况时，冲角为零或很小（气流方向与叶片叶弦的夹角即为冲角），气流则绕过机翼型叶片而保持流线平稳的状态，如图1a所示。当气流与叶片进口形成正冲角时，即 0，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况则开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，即所谓“失速”现象，如图1b所示。冲角大于临界值越多，失速现象就越严重，流体的流动阻力也就越大，严重时还会阻塞叶道，同时风机风压也会随之迅速降低。气流方向冲角气流方向(a) (b)图1 气流冲角的变化及失速的形成1324图2 旋转脱流工况风机的叶片在制造及安装过程中，由于各种客观因素的存在，使叶片不可能有完全相同的形状和安装角，因此当运行工况变化而使流动方向发生偏离时，在各个叶片进口的冲角就不可能完全相同。当某一叶片进口处的冲角达到临界值时，就可能首先在该叶片上发生失速，并非是所有叶片都会同时发生失速，失速可能会发生在一个或几个区域，该区域内也可能包括一个或多个叶片。由于失速区不是静止的，它会从一个叶片向另一个叶片或一组叶片扩散，如图2所示。假定产生的流动阻塞首先从叶道23开始，其部分气流只能分别流进叶道12和34, 使叶道12 的气流冲角减小, 叶道34的冲角增大, 以至于叶道34也发生阻塞, 并逐个向叶道45、56 传播, 如图2 所示。试验表明：脱流的传播速度小于叶片运转的角速度；因此，在绝对运动中，脱流区以= 速度旋转，方向与叶轮旋转方向相同，这种现象称为旋转脱流或旋转失速。风机进入到不稳定工况区运行时，叶轮内将会产生一个或数个旋转失速区。叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而会使叶片产生共振；此时，叶片的动应力增加，严重时还会导致风机叶片断裂，造成设备重大损毁事故。1.2 影响冲角大小的因素ucwucw(a) (b)图3 进气速度及叶片角度对冲角的影响通常风机是定转速运行的，即叶片周向线速度可以看作是一定值，这样影响叶片冲角大小的因素就是气流速度与叶片的安装角。由图3可看出，当叶片安装角（图3中虚线代表的角度）一定时，如果气流速度c越小，则冲角（图3中虚线与相对速度w的夹角）就越大，产生失速的可能性也就越大。当气流速度c一定时，如果叶片安装角减小，则冲角也减小；当气流速度c很小时，只要叶片安装角很小，气流冲角也很小。因此，当风机刚刚启动或低负荷运行时（前提是管道的进、出口风门此时应处于全开状态），风机失速的可能性将会减小甚至消失。同样，对于动叶可调风机，当风机发生失速时，关小失速风机的动叶角度，可以减小气流的冲角，从而使风机逐步摆脱失速状态。当然，还可以明显地看出，对于叶片高度方向而言，线速度u是沿叶片高度方向逐渐增大的，在气流速度c一定的情况下，冲角会随着叶片高度方向逐渐增大，以至于在叶顶区域形成旋转脱流；因此，随着叶片高度的方向逐渐减小，叶片安装角可以避免因叶高引起的旋转脱流。目前，动叶可调轴流风机常用的扭曲叶片就是基于这个道理（见图4）。ucw(a) 叶根位置 (b) 叶顶位置图4 叶顶与叶根的速度三角形wuc1.3 喘振一般轴流通风机性能曲线的左半部，都存在一个马鞍形的区域（这是风机的固有特性，但轴流通风机相对比较敏感），在此区段运行时有时会出现风机的流量、压头（反映在风机驱动电机的电流）的大幅度脉动，风机及系统风道都会产生强烈的振动、噪声显著增高等不正常工况，一般称之为“喘振”，这一不稳定工作区称为喘振区。实际上，喘振仅仅是不稳定工作区内可能遇到的现象，而在该区域内必然要出现的则是旋转脱流或称旋转失速现象。风机喘振的主要表现为风量、出口风压（电机电流）出现大幅度波动，剧烈振动和异常噪声。1.4 失速与喘振的区别及联系风机的失速与喘振的发生都是在p-Q性能曲线左侧的不稳定区域，所以它们是密切相关的。但是失速与喘振有着本质的区别：失速发生在图5所示p-Q性能曲线峰值K以左的整个不稳定区域；而喘振只发生在p-Q性能曲线向右上方的倾斜部分，其压力降低是失速造成的，可以说失速是喘振发生的根本诱因。EABCKDpQ0LQAQBQCQKQE-QLpEpK图5 风机的p-Q性能曲线与风道特性曲线旋转脱流的发生只取决于叶轮本身、叶片结构、进入叶轮的气流情况等因素，与风道系统的容量、形状等无关，但却与风道系统的布置形式有关。失速发生时, 尽管叶轮附近的工况有波动, 但风机的流量、压力和功率是基本稳定的, 风机可以继续运行。当风机发生喘振时，风机的流量、压力（和功率）产生脉动或大幅度的脉动，同时伴有非常明显的噪声，喘振时的振动有时是很剧烈的，能损坏风机与管道系统。所以喘振发生时，风机无法正常运行。风机在喘振区工作时，流量急剧波动，其气流产生的撞击，使风机发生强烈的振动，噪声增大，而且风压不断变化，风机的容量与压头越大，则喘振的危害性越大，故风机产生喘振应具备下述条件：（1）风机的工作点落在具有驼峰形p-Q性能曲线的不稳定区域内；（2）风道系统具有足够大的容积，它与风机组成一个弹性的空气动力系统；（3）整个循环的频率与系统的气流振荡频率合拍时，产生共振。2 一次风机调试及运行情况2.1 一次风机主要结构参数扬州第二发电有限责任公司二期工程一次风机由沈阳鼓风机（集团）有限公司设计制造，其主要参数见表1。 表1 一次风机主要性能参数型号AST-1792/1120型式双级动调轴流风机TB工况流量118.06 m3/sTB工况全压升13532 Pa转速1490 r/min轴功率1835 kW2.2 一次风机发生的两次失速情况2.2.1 一次风机3B发生的失速2006年10月19日， 3机组负荷150MW，一次风机3A、3B处于自动调节状态。运行过程中，发现两台一次风机动叶开度逐渐开足，而一次风母管压力变化不大，同时一次风机3B振动上升，经就地检查，发现一次风机3B有异声，同时一次风机外壳温度也较高，判断一次风机3B发生失速，经手动将一次风机动叶关小至60%后，一次风压又明显上升，振动值也回落，一次风机3B恢复正常。2.2.2 一次风机3A发生的失速2006年10月24日， 3机组负荷600MW，运行中给煤机3A突然跳闸，手动停运磨煤机3A后，关闭磨煤机出口关断阀，一次风流量下降约105 kg/h，导致一次风机出口压力上升（从8.84 kPa上升至9.25kPa），一次风机3A电流从66A下降至61A，振动从52mm上升至86mm，出口温度从30C上升至35C，并仍有上升的趋势，就地检查，一次风机3A伴有异常声响。判断一次风机3A发生失速后，手动关小一次风机3A的动叶开度，一次风机出口压力又缓慢回升，此时逐步关小正常运行的一次风机3B动叶开度，降低背压，以有助于发生失速的一次风机3A尽快脱离失速区。最终，一次风机3A恢复正常。2.3 一次风机性能试验为避免一次风机发生失速及喘振，扬州二电进行了一次风机失速性能试验，试验数据见表2。表2 一次风机失速性能试验数据3A一次风机工况1工况2工况3动叶开度/%51.536585风机电流/ A56.4466.7288.39出口风压/ kPa8.59.611.73B一次风机/工况4工况5工况6动叶开度/%54.764.8485.57风机电流/ A71.0983.13113.24出口风压/ kPa9.911.313.0 2.4 一次风机失速问题的检查与整改2.4.1 一次风机3A与3B叶片的真实角度偏差调整从表2可明显看出，两台风机在执行机构同样的开度之下，电流存在较大的偏差，可以推断出两台风机的叶片真实开度与叶片角度盘的显示存在的误差较大。这导致两台风机的真实工作点偏离了设计工作点，其中3A的工作点向左偏移，3B向右偏移，因而3A更易失速。从失速时的出口风压也可以看出，3A确实更容易失速。2.4.2 一次风机前、后两级叶片角度的偏差调整一次风机的前、后两级叶片的角度存在一定的偏差，经现场实地检查发现，由于安装问题，其角度偏差值在23之间；叶片角度的偏差过大，将导致前、后两级叶轮之间出现“抢风”现象，其结果是导致风机实际失速线的下移。因此，需控制其偏差在1以内。2.4.3 一次风机同级叶片的偏差调整根据1.1所述，一次风机同级叶片存在的角度偏差，是旋转脱流现象的主要诱发因素。当同级叶片存在较大的角度偏差时，风机实际失速线将会有较大幅度下移，从而导致风机在“理论稳定区”内发生失速，因此，需控制其偏差在2以内。2.4.4 一次风机叶顶动静间隙偏差调整一次风机叶顶的动静间隙设计标准较高。但在检查中发现，实际风机叶顶的动静间隙在56.5之间（这主要是风筒在运输及吊装过程中变形所致），而设计标准要求为34.6。过大的动静间隙将导致风机背压的降低，从而使实际工作点上移，易引发失速。因此，需将叶顶的动静间隙控制在技术要求的范围之内。2.5 整改结果通过精细调整两台风机叶片真实角度的偏差、前后级叶片的角度偏差、同级叶片的角度偏差，以及通过风筒内衬钢板减小动静间隙，一次风机的抗失速性能得以明显提高，经再次进行风机失速性能试验，证明一次风机基本上已达到理论性能曲线的要求，风机运行平稳、性能良好，结果见表3。 表3 一次风机整改后的性能试验数据3A一次风机工况1工况2动叶开度/%5665风机电流/ A7078出口风压/ kPa10.912.013B一次风机工况3工况4动叶开度/%5565风机电流/ A7181.5出口风压/ kPa10.9812.033 结论一次风机失速问题，通过上述处理办法得以彻底解决。但一般来说，风机失速和喘振不仅与制造、安装有关，还涉及到风机选型、风道设计、调试、运行等各个方面，要严格保证各个环节的工作质量，才能有效地防治并消除。3.1 风机选型及风道系统的设计先天的不足是难以通过后天弥补的，这一点尤为重要。简单地说，风机的选型应考虑足够的流量及压头裕量，这可以根据相关设计规程来选取，适当增加一点压头裕量可以提高风机的抗失速性能；另外，风道的设计应与风机匹配，一般来说，风机出口风道截面积不得大于风机进口截面积的112.5 %，但不得小于进口截面积的92.5 %。3.2 制造质量与安装偏差制造质量与安装偏差所引发的结果，就是真实失速线下移或者是工作点的偏移，诱发风机失速及喘振的发生。制造时应严格控制叶片形状、长度、强度、动静间隙等参数。安装时应特别注意叶片的窜动值、叶片角度的偏差、执行机构开度与风机动叶实际开度的对应关系等方面。3.3 调试与运行风机的实际失速线受风道设计、风机制造、风机安装等诸多方面的影响，并不等同于理论失速线。因此，经过风机的常规调试, 必须根据现场实际情况对理论失速线进行修正, 进而标定真实的理论失速线以及风机的实际操控曲线。另外，系统计算误差、控制逻辑的设置不当、系统调节机构动作失灵及启动、并联风机的操作不当等诸多原因，也有可能导致风机进入失速区。故风机在投运前，应编制出具体的风机运行规程, 作为风机运行、维护和检修的依据。