摘要：通过阐述轴流风机的工作原理及对轴流风机失速与喘振产生机理的分析，提出预防轴流风机失速与喘振的建议，并总结了处理该故障的方法。
关键词：轴流风机；失速；喘振；预防；处理
动叶可调轴流式风机具有结构紧凑、体积小、重量轻、耗电低、低负荷时效率高等优点，国内大型火力发电厂已普遍采用动叶可调轴流式风机；轴流式风机具有驼峰形性能曲线的特点，理论上决定了风机存在不稳定区，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。某公司一期工程送风机、引风机和一次风机均采用轴流式，自投产以来，该厂一次风机和引风机曾多次发生失速和喘振现象，严重影响风机及机组的安全、稳定运行。
1 轴流式风机的工作原理
轴流式风机是由于流体从轴向流入叶轮并沿轴向流出而得名。其工作原理是基于叶翼型理论：气体由一个冲角α进入叶轮，在翼背上产生一个升力，同时必定在翼腹上产生一个大小相等方向相反的作用力，使气体排出叶轮呈螺旋形沿轴向向前运动。与此同时，风机进口处由于压差的作用，使气体不断地被吸入。
2 失速与喘振的成因机理分析
2.1 失速产生的机理
轴流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α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α>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α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，严重时还会使叶道阻塞，同时风机风压也会随之迅速降低。
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2.2 喘振的产生机理
当系统管网阻力突然增大使得流量和流速减小，或风机动叶开得过大，都会使进入风机叶栅的气流冲角α增大，冲角α超过临界值时，在叶片背面尾端就会出现涡流（脱流）区，冲角超过临界值越多，则失速越严重，在叶片背部形成的涡流区也会迅速扩大，使叶片流道出现阻塞现象，此时流动阻力增加，风机输送的压能则大为降低，发生旋转失速，流动工况大为恶化，风机出口压力明显下降。此时若管网容量较大，且反应不敏感，管网中的压力不会同时立即下降而维持较高值，这使得管网中压力大于风机出口压力。压力高的气体有一种回冲趋势，使风机中气体流动恶化，当气流前进的动能不足以克服回冲趋势时，管网中的气流反过来向风机倒流（图2中A→K→D→C）。这种倒流结果使得叶栅前后压力差逐渐消失。此时气流又在叶片的推动下做正向流动，风机又恢复了正常工作，向管网输气（图2中C→D→K）。管网压力升高到一定值后，风机的正常排气又受到阻碍，流量又大大减小，风机又出现失速，出口压力又突然下降，继而又出现倒流。如此不断循环，于是出现了整个风机管网系统的周期性振荡现象，即形成风机“喘振现象”。
轴流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。
2.3 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2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。
旋转失速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。
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图2 工况变化与失速过程（定流量运行）
3 实例分析
2016年9月6日13：16，某厂#1机负荷455MW，六套制粉系统运行，A引风机变频故障跳闸，联跳A送风机，触发RB动作，E、C、D磨煤机相继跳闸。由于跳闸磨煤机的一次风门联锁关闭，导致一次风流量突然减少和一次风管阻力瞬时增大，母管压力突升，两台动叶投自动的一次风机为了维持母管压力至设定值，动叶均自动关小。在此过程中，风机出口压力减少，风速降低，冲角变大，逐渐向失速工况靠近，使得A一次风机首先到达了临界工作点，引发A一次风机失速，出口压力突降，电机电流突降，母管压力突降。同样为了维持压力，动叶又马上自动开大。从两台一次风机的电流变化上可以看出，此时实际上只有B一次风机在出力，所以动叶开度比原来大很多，但母管压力反而低很多。运行人员马上将风机动叶切换至手动控制，逐渐关小两者的动叶开度。当关到一定开度时，A一次风机又越过了临界工作点，开始出力，再根据电流值调整动叶开度，平衡两者的出力，最终消除了故障。
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4 预防与处理建议
一般来说，风机失速与喘振不仅仅与制造、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。
4.1 预防
（1）平时运行过程中，要注意尽量减少两侧动叶开度偏差，使两侧出力平衡（电流值相近），并且开度不要过大。
（2）考虑磨煤机一次风量、冷热风调门开度等因素的前提下，尽量降低一次风母管压力设定值。
（3）按规定及时吹灰，减小系统阻力。
（4）如经常性地发生失速，应考虑对系统进行改造，如变直角弯头管路为圆弧角、风机进口加装导流板、加装母管过压保护快开门等措施。
（5）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。
（6）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，防止安装偏差引发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。
（7）编制具体的风机运行、维护和检修规程，防止因控制逻辑的设置不当、系统调节机构动作失灵及启动、并列风机的操作不当等原因，使风机进入失速区。
4.2 处理
（1）当发现风机动叶开大，出力下降、电流显著减小，就地振动大、噪声高，这时基本可以判定风机已失速。
（2）判定风机失速或喘振后，立即切除风机自动控制转为手动调节，逐渐减少喘振风机的动叶开度，降低Q-p曲线，降低临界工作点（K点），使调节后的风机处于风机的高效率稳定区域内工作，直至喘振风机的电流回升至正常值。
（3）可以快速降低机组负荷，并减小另一侧风机出力或开大母管上的一些风门，降低管道阻力和降低母管压力，使喘振风机尽快带上负荷，平衡两侧出力。
（4）若风机并列操作中发生喘振，应停止并列，尽快关小喘振风机动叶，查明原因消除后，再进行并列操作；
（5）若因系统的风门、挡板被误关引起风机喘振，应立即打开，同时调整动叶开度；
（6）经上述处理喘振消失，则稳定运行工况，进一步查找原因并采取相应的措施后，方可逐步增加风机的负荷。
（7）若处理无效应停止失速或喘振风机运行，防止损坏设备。
（8）处理过程中，注意锅炉风量、炉膛负压、磨煤机一次风量、密封风差压、火检强度等的变化，防止设备跳闸，事故扩大。
5 结论
实际运行中，由于种种原因促使风机运行在不稳定工况区域是轴流风机失速或喘振的根本原因；风机动叶开大，出力下降、电流显著减小，就地振动大、噪声高是判断风机失速的重要依据；一旦发生风机失速或喘振，迅速关小失速风机动叶，同时关小未失速风机动叶，使两台并联运行的风机动叶开度、电流大小基本一致，是使风机快速脱离不稳定（失速或喘振）区域的处理方法。
参考文献：
[1]白桦.流体力学泵与风机.北京：中国建筑工业出版社，2005
[2]郭立君.泵与风机.第二版.北京：中国电力出版社，1997
[3]朱全利.锅炉设备及系统.北京：中国电力出版社，2006
论文作者:刘虎
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：风机论文; 轴流论文; 叶片论文; 压力论文; 工况论文; 气流论文; 发生论文; 《电力设备》2019年第19期论文;