轴流风机失速与喘振的发生于解决方法

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轴流风机失速与喘振的发生于解决方法

0 引言

动叶可调轴流风机相对于离心式风机而言，具有体积小、重量轻（约为离心式风机的60％～70％）、低负荷运行效率高、调节范围大、对负荷变化反应快等一系列优点，在国外大、中容量的火电机组上早已获得广泛使用。近年来，随着国内容量为300 MW、600 MW及以上机组的大量建设和投运，动叶可调轴流风机在火电机组中也日趋普遍采用。但动叶可调轴流风机由于其结构上的特征，也存在制造、安装、维修技术要求高，失速（不稳定）区间大，易发生失速及喘振等问题。北仑电厂二期工程3×600 MW共采用了6台动叶可调的一次风机和6台动叶可调的送风机。

本文以北仑电厂二期工程第1台600 MW机组（3号机组）在启动调试过程中，遇到的一次风机失速和喘振现象的发生与解决为背景，对动叶可调轴流风机失速与喘振机理进行分析。并提出如何在调试、运行过程中消除失速和喘振现象的建议。 1 失速、喘振的成因机理分析

1．1 风机的失速

轴流风机叶片通常是机翼型的，当空气顺着机翼叶片进口端（冲角α＝0°），如图1（a）所示的流向流入时，它分成上下两股气流贴着翼面流过，形成叶片背部和腹部的平滑“边界层”气流呈流线形。作用于叶片上有两种力，一是垂直于叶面的升力，另一种平行于叶片的阻力，升力≥阻力。当空气流入叶片的方向偏离了叶片的进口角，它与叶片形成正值的冲角（α＞0°），当接近于某一临界值时（临界值随叶型不同而异），叶背的气流工况开始恶化。当冲角增大至临界值时，叶背的边界层受到破坏，在叶背的尾端出现涡流区，即所谓脱流工况，也叫失速工况。此时作用于叶片的升力大幅度降低，阻力大幅度增加，如图1（b）所示，随着冲角α的增大，气流的分离点向前移动，叶背的涡流区从尾端扩大到叶背部，脱离现象更为严重，甚至出现部分流道阻塞的情况。

由于风机各叶片加工误差，安装角不完全一致，气流不完全均匀，因此当气流进入不稳定工况区运行时，不是所有叶片同时达到失速角。假定产生失速阻塞首先从叶道2开始，其气流只能分流进入叶道1和3，使叶道1气流冲角减少，叶道3冲角增大，以致叶道3发生阻塞，逐个向叶道4、5…传播，如图2所示。实验表明，脱流的传播速度ω′小于叶片角速度ω，因此，在绝对运动中，脱流区以Δω＝ω′－ω速度旋转，方向与叶轮转向相同，这种现象称为旋转脱流或旋转失速。

1．2 风机的喘振

喘振是轴流风机运行中的特殊现象。风机喘振的原因是出口压力与风机风量失去对应。出口压力很高而风量很小使得风机叶片部分或全部进入失速区。造成风机喘振最常见的因素是挡板误动、控制系统故障、运行人员误操作。风机喘振主要表现为：风量、出口风压、电机电流出现大幅度波动，剧裂振动和异常噪音。

喘振会造成风机叶片断裂或机械部件损坏，严禁风机在喘振工况下运行。运行中一旦发现风机进入喘振区，应立即调整风机动叶角度，使得风机运行点避开喘振区。风机喘振跟动叶角度有很大关系，动叶角度越小，越易发生喘振。

喘振发生的原因可解释为：

（1）从系统变工况的反应看（见图3），当用节流法减少风机压力，越过特性曲线压力最高点A后，风机压头降低，如B点是要求运行点，则在刚达B点瞬间，系统压力还来不及降到B，而是高于B，于是就发生倒流，使风机出力受压抑，短时无空气经风机，运行点瞬时移到C点。但系统还继续向外供气，因而压力降低，当它低于C点时，风机开始供气，但因背压很小，风机出力瞬时超过B点，使背压迅速提高。因调节机构要求B点运行，则流量又回到B点，再次发生倒流，上述过程又重复。如果这种循环的频率与系统的振荡频率合拍时，就引起共振，振幅逐渐增大发生喘振。

（2）从动力特性看（如图4），在出现全叶长型旋转脱流时，如风机在A点运行，向小流量方向的微小扰动就足使风机压头突降至B点，随后瞬间倒流使风机出力降至C点，在风机恢复供气时，当流量达到D点，风机压头又突升到E点，最后又回到A点。这种往复脉动频率如与系统的振荡频率合拍，就会发生强烈的喘振。经验表明，在局部扩展型失速时发生的喘振，脉动幅度小，激烈程度比边界周期型喘振轻得多。通常是一种轻微而有时听不到的脉动，轴流风机应避免进入不稳定的工况区。

1．3 失速与喘振的区别与联系

（1）失速是叶片结构特性造成的一种空气动力工况。失速的基本特性由开始至结束都有它自身的规律，不受系统容积形状影响，而喘振是风机与系统耦合后的振荡特性的表现形式，其振幅、频率等受风道容积的节制。

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（2）失速是轴流式风机或离心式空压机基本属性，每个叶轮都会有发生失速的不稳定工况，它是隐形的，只有用高灵敏度仪器，高频测试器才能探测。而喘振是显形的。当喘振发生时，流量、压力和功率的脉动及伴随的噪声，一般很明显，甚至非常激烈。但喘振发生要有一定的条件，同一风机装于不同系统中，有的发生喘振，有的就不发生。

（3）失速发生时，尽管叶轮附近的工况有波动，但整台风机的流量、压力和功率是基本稳定的，可以连续运行。而喘振发生时，因流量、压力

和功率的大幅度脉动，无法维持正常运行。

（4）失速时，风机特性曲线可以测得。但喘振时，因工况脉动，无法进行正常的测量。

（5）喘振仅仅发生于风机特性曲线中从顶峰以左的坡度区段，其压力降低是失速造成的。而失速现象存在于顶峰以左的整个区段。两者是密切相关的，可以说失速的存在是喘振发生的原因。

2 3号机组一次风机投运情况

北仑电厂二期工程一次风机和送风机均由日本IHI公司负责设计及系统匹配的要求，由沈阳鼓风机厂负责制造。3号机组2台一次风机的主要技术指标列于表1。

3号机组在调试启动过程中，曾经出现多次风机失速和喘振现象。如1999年4月，当时机组工况：2台一次风机运行，动叶开度分别A风机为25％（3BZT－75．201A），B风机为28％（3BZT－75．201B），2只动叶执行机构的控制均在自动方式。当时执行机构B的I／P有振荡现象，由于风机B的动叶晃动造成一次风机A出力受阻而失速（没有出力），由于控制系统均处于自动状态，风机A又没有出力，要求动叶角度增大（因为动叶的角度是根据一次风压来调节的），风机A／B动叶迅速增至66％和68％左右，后经运行人员干预后停一次风机A。

从现象分析，一次风机B动叶的晃动固然是诱导因素，但是风机本身叶片也可能存在内在的缺陷；同时发现当失速或喘振发生时，喘振探头的信号不起作用。在一次风机两级叶轮的进口处各装有一个喘振探头（Stall Probe）。喘振探头的作用是当风机进入喘振区时，向运行人员发出报警信号，并干预控制系统，强制将进入喘振区的风机动叶关小到25°。在对风机B的动叶执行机构进行检查、调整，同时对风机A／B的喘振探头进行调整、校验后，投运正常。1999年6月，一次风机A也出现过失速／喘振现象，这次持续时间较短，而且一次风机A喘振探头功能正确。在3号机组大修期间，对两台一次风机进行全面检查，发现一次风机A／B前后级动叶角度偏差最大达3°，叶片的径向间隙也超差。后在装复调整中，逐一得到解决。

3 喘振发生时的检查

3．1 风机设备

（1）两台一次风机动叶角度可能不一致。

（2）风机本身前后两级动叶角度可能不一致。

（3）风机每级动叶中各片叶片角度可能不一致。

（4）由于叶片结垢引起。

3．2 风道设计的相关参数

（1）两侧风机对应风道阻力不同引起。

（2）风机进口阻力太大。

3．3 执行机构设备

（1）执行机构动作角度和风机内部动叶动作角度不一致。

（2）执行机构信号晃动或者执行机构动作太快。

3．4 测量系统和逻辑回路

（1）喘振探头安装是否正确。

（2）保护和报警逻辑回路是否正确。

4 喘振的防治与消除措施

风机喘振涉及到风机选型、制造、安装、调试、运行等各个环节，要严格保证各环节工作质量，才能有效地防治及消除喘振。

4．1 选型设计

设计单位提供选型参数时，除计算燃烧所必须风量外，应预留由于煤种变化，介质温度变化，管道及风机特性变化，电网频率降低及空预器漏风等各种因素引起的风量增加裕度，同时由于阻力计算误差的客观存在，选型参数中必须提供压力裕量。连接风道设计时，风机出口风道截面不得大于风机进口截面112．5％，又不得小于进口截面92．5％，渐缩风道收敛坡度不宜小于15°，扩散风道扩散角不宜超过7°。连接风道的出口截面应限制在风机出口截面的87．5％～107．5％之间，否则很易失速，进而喘振。

4．2 制造质量

制造厂按业主提供的参数定制动叶可调轴流风机时，必须保证风机在任何角度下运行的最小流量应大于该角度下失速流量的5％～10％。制造厂应严格控制叶片形状、长度、强度等与业主提供的参数间的误差。

4．3 安装偏差

安装时叶片窜动值及叶片间距误差太大，前后级叶片角度偏差太大，动叶执行机构动作的范围与风机动叶的可调范围对应关系等，均是风机喘振的诱因。同时安装喘振探头时，应考虑沿海电厂空气极易结露，喘振信号取样管必须有足够的疏水坡度，否则，将引发风机频繁误报警。

4．4 修正曲线

除完成风机常规调试项目外，必须对风机制造厂提供的理论失速曲线按现场条件进行修正，进而标定特定环境下风机真实的理论失速曲线，及实际操作控制曲线。

4．5 运行操作

由于系统计算误差，系统调节机构动作不当，以及系统因积灰阻塞等原因，运行中的风机在任意给定的叶片角度下均有进入失速区域可能，同时当1台风机已运行，另1台风机并入时，操作稍有不当，即会导致母管压力失衡，或者第一台风机运行压力高于第2台失速线的最低点，导致第2台风机喘振。故风机投运前，运行单位应根据制造厂提供的资料及系统具体条件，编制出具体的风机运行规程，作为风机运行、维护、检修依据。

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