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軸流風機的失速和喘振及預防

失速是風機本身特性引起的
喘振是風壓由于管道壓力的滯后導致與風機出口壓力周期性變化,就來來回倒騰
搶風如這個詞,兩臺風機不是你出力大就是我大,搞的最后兩敗俱傷。

軸流風機的喘振與失速是不同的情況可以簡單概括如下:
喘振一般發(fā)生在性能曲線帶駝峰的軸流風機低負荷運行時;
失速一般發(fā)生在動葉可調(diào)軸流風機的高負荷區(qū)。主要是動葉指令太大導致,葉片進風沖角過大引起葉片尾部脫流產(chǎn)生風機失速帶駝峰
搶風是當并聯(lián)軸流風機中的一臺發(fā)生喘振或失速時人們的一般性叫法。

   

   軸流式風機在運轉(zhuǎn)時氣流是沿著軸向進入風機室,空氣在風機葉輪處受擠壓,又沿著軸向流出的風機,空氣在不斷旋轉(zhuǎn)的葉輪處獲得能量。

  液壓缸調(diào)節(jié)原理:葉片需開大時,伺服機帶動調(diào)節(jié)桿向開大的方向旋轉(zhuǎn)一定角度,則伺服閥芯向后移動,液壓油進入液壓缸體后腔,前腔油通過回油管返回至油箱,液壓缸體向后移動,葉片開大,此時和缸體連在一起的反饋桿也一同向后移動,而反饋桿帶動伺服閥套向后移動相同的距離,從而堵住進油孔,停止進油,保持葉片在某一開度;若葉片需關(guān)小時,伺服機帶動調(diào)節(jié)桿向關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)一定角度,則伺服閥芯向前移動,液壓油進入液壓缸體前腔,后腔油通過回油管返回至油箱,液壓缸體向前移動,葉片關(guān)小,此時和缸體連在一起的反饋桿也一同向前移動,而反饋桿帶動伺服閥套向前移動相同的距離,從而堵住進油孔,停止進油,保持葉片在某一開度。液壓缸調(diào)節(jié)頭處各閥、軸封的微量泄漏油通過泄漏油管返回的油箱。

一、軸流風機的失速與喘振

1、軸流風機的失速

軸流風機葉片通常都是流線型的,設計工況下運行時,氣流沖角(氣流方向與葉片葉弦的夾角α即為沖角為零或很小,氣流則繞過機翼型葉片而保持流線平穩(wěn)的狀態(tài),如圖1a所示;當氣流與葉片進口形成正沖角且此正沖角超過某一臨界值時,葉片背面流動工況則開始惡化,邊界層受到破壞,在葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū),即所謂“失速”現(xiàn)象,如圖1b所示;沖角α大于臨界值越多,失速現(xiàn)象就越嚴重,流體的流動阻力也就越大,嚴重時還會使葉道阻塞,同時風機風壓也會隨之迅速降低。 

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風機的葉片在制造及安裝過程中,由于各種客觀因素的存在,使葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角,因此當運行工況變化而使流動方向發(fā)生偏離時,在各個葉片進口的沖角就不可能完全相同。當某一葉片進口處的沖角達到臨界值時,就可能首先在該葉片上發(fā)生失速,并非是所有葉片都會同時發(fā)生失速,失速可能會發(fā)生在一個或幾個區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)也可能包括一個或多個葉片;由于失速區(qū)不是靜止的,它會從一個葉片向另一個葉片或一組葉片擴散;如圖2所示,若在葉道2中出現(xiàn)脫流,葉道由于受脫流區(qū)的排擠變窄,流量減小,則氣流分別進入相鄰的1、3葉道,使1、3葉道的氣流方向改變。結(jié)果使流入葉道1的氣流沖角減小,葉道1保持正常流動;葉道3的沖角增大,加劇了脫流和阻塞。葉道3的阻塞同理又影響相鄰葉道2和4的氣流,使葉道2消除脫硫,同時引發(fā)葉道4出現(xiàn)脫流。也就是說,失速區(qū)是旋轉(zhuǎn)的,其旋轉(zhuǎn)方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反,這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)失速。 

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2、軸流風機的喘振

當系統(tǒng)管網(wǎng)阻力突然增大使得流量和流速減小,或風機動葉開度過大,都會使進入風機葉柵的氣流沖角α增大 沖角α超過臨界值時,在葉片背面尾端就會出現(xiàn)渦流(脫流)區(qū),沖角超過臨界值越多,則失速越嚴重,在葉片背部形成的渦流區(qū)也會迅速擴大,使葉片流道出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象,此時流動阻力增加,風機輸送的壓能則大為降低,發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速,流動工況大為惡化 風機出口壓力明顯下降。此時若管網(wǎng)容量較大,且反應不敏感,管網(wǎng)中的壓力不會同時立即下降而維持較高值,這使得管網(wǎng)中壓力大于風機出口壓力,壓力高的氣體有一種回沖趨勢,使風機中氣體流動惡化,當氣流前進的動能不足以克服回沖趨勢時,管網(wǎng)中的氣流反過來向風機倒流(圖3AKDC),這種倒流結(jié)果使得葉柵前后壓力差逐漸消失,此時氣流又在葉片的推動下做正向流動,風機又恢復了正常工作,向管網(wǎng)輸氣(圖3CDK);管網(wǎng)壓力升高到一定值后,風機的正常排氣又受到阻礙,流量又大大減小,風機又出現(xiàn)失速,出口壓力又突然下降,繼而又出現(xiàn)倒流;如此不斷循環(huán),于是出現(xiàn)了整個風機管網(wǎng)系統(tǒng)的周期性振蕩現(xiàn)象,即形成風機“喘振現(xiàn)象”。 

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  理論上對軸流通風機喘振的的闡述與實際的喘振現(xiàn)象存在著差異,現(xiàn)有的喘振型理論是建立在大容量系統(tǒng)單風機運行方式的基礎(chǔ)上,工程上應用的是兩臺風機并列運行的方式。在實際運行中,軸流風機喘振的發(fā)生在增加風機出力的過程中;并列運行的風機只是單臺風機發(fā)生喘振,不會兩臺同時喘振;風機喘振時電機電流下降 , 并無擺動現(xiàn)象,最明顯特征是喘振風機的風量被壓制、急劇下降,系統(tǒng)空氣倒流入風機。

軸流風機的P - Q性能曲線是一組帶有駝峰形狀的曲線(見圖3),風機動葉處的每一角度下都有一條與之對應的曲線,每一條曲線都具有一個最高風壓點,通常稱為臨界點;不同動葉角度下曲線臨界點左半段有重合的部分,臨界點右半段則為動葉角度與曲線相對應。以AB兩臺并列運行的軸流風機為例,假設兩臺風機工作點存在微小差別 (實際運行中兩臺風機工作點也不會完全相同,可能交替變化或者保持一定的差值),通風系統(tǒng)正常狀態(tài)下,A、B兩臺風機風量為QAQB,對應風機出口全風壓為p1,風機工作點分別在圖3a位置上,這時的工作點都處在各自動葉角度下 P - Q性能曲線臨界點的右半段,風機處在穩(wěn)定狀態(tài)運行;即使兩臺風機動葉角度不一致或風量有較大偏差 也能穩(wěn)定運行。若由于某種因素導致通風系統(tǒng)阻力增加,A、B風機的工作點將出現(xiàn)上移現(xiàn)象,如圖3所示,假設這時2臺風機仍需要保持風量QA、QB,由于通風系統(tǒng)阻力增加,勢必要開大風機的動葉角度,提高出口全風壓來維持QA、QB不變,這時相應工作點要上移,當通風系統(tǒng)阻力增大到一定數(shù)值,A、B風機的工作點將上移至a′、b′位置,a′已是 風機此時動葉角度下P - Q 性能曲線上的臨界點,B風機的工作點b′則以微小差值仍處在相應動葉角度下P - Q性能曲線上的臨界點的右端,這時系統(tǒng)壓力為p2,在A風機工作點上移至a′時,即到達了喘振的邊緣,此狀態(tài)下系統(tǒng)壓力一旦出現(xiàn)波動,系統(tǒng)壓力與A風機的全風壓之間就會產(chǎn)生一個微壓差,在這個壓差的作用下,A風機風量受阻,風機出口的流速、總壓頭隨之下降,系統(tǒng)壓力與A風機全風壓之間的壓差進一步增大,A風機風量、壓頭繼續(xù)下降,這一過程處在惡性循環(huán)變化之中,直至A風機全風壓崩潰,風量倒流入風機,A風機工作點沿P - Q性能曲線滑向左端,即是軸流風機在實際運行中發(fā)生喘振的過程。受A風機喘振影響,系統(tǒng)壓力有所下降,B風機工作點對應的系統(tǒng)壓力沿P - Q性能曲線迅速移向右下方,風量急劇增加,系統(tǒng)壓力由B風機維持。

3、失速與喘振的關(guān)系

旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生只取決于葉輪本身、葉片結(jié)構(gòu)、進入葉輪的氣流情況等因素,與風道系統(tǒng)的容量、形狀等無關(guān),但卻與風道系統(tǒng)的布置形式有關(guān);失速發(fā)生時, 盡管葉輪附近的工況有波動但風機的流量、壓力和功率是基本穩(wěn)定的,風機可以繼續(xù)運行。當風機發(fā)生喘振時,風機的流量、壓力和功率產(chǎn)生脈動或大幅度的脈動,同時伴有非常明顯的噪聲;喘振時的振動有時是很劇烈的,能損壞風機與管道系統(tǒng)。所以喘振發(fā)生時,風機無法正常運行。

軸流風機喘振的發(fā)生首先是由于工況改變時,葉柵氣動參數(shù)與幾何參數(shù)不協(xié)調(diào),形成旋轉(zhuǎn)失速;但也并不是所有旋轉(zhuǎn)失速都一定會導致喘振,風機喘振還與管網(wǎng)系統(tǒng)有關(guān)。喘振現(xiàn)象的形成包含著兩方面的因素,從內(nèi)部來說 取決于葉柵內(nèi)出現(xiàn)強烈的突變性旋轉(zhuǎn)失速,從外部條件來說又與管網(wǎng)容量和阻力特性有關(guān)。因此,失速是引發(fā)喘振的前因,但失速不一定會喘振,喘振是失速惡化的宏觀表現(xiàn)。

4、軸流風機失速與喘振的檢查與改進措施

1)兩臺風機葉片的真實角度偏差

兩臺風機在執(zhí)行機構(gòu)同樣開度時,若電流存在較大的偏差,可以推斷出兩臺風機的葉片真實開度與葉片角度盤的顯示存在的誤差較大,這導致兩臺風機的真實工作點偏離了設計工作點,出力小的風機更易失速。

2)兩級葉片風機前、后兩級葉片角度的偏差

兩級葉片風機的前、后兩級葉片的角度存在一定的偏差,若葉片角度的偏差過大,將導致前、后兩級葉輪之間出現(xiàn)“搶風”現(xiàn)象,其結(jié)果是導致風機實際失速線的下移。

3)風機同級葉片的偏差

風機同級葉片存在的角度偏差,是旋轉(zhuǎn)脫流現(xiàn)象的主要誘發(fā)因素,當同級葉片存在較大的角度偏差時,風機實際失速線將會有較大幅度下移,從而導致風機在“理論穩(wěn)定區(qū)”內(nèi)發(fā)生失速,因此,需控制其偏差在允許范圍以內(nèi)。

4)風機葉頂動靜間隙的偏差

一次風機葉頂?shù)膭屿o間隙設計標準較高,過大的動靜間隙將導致風機背壓的降低,從而使實際工作點上移,易引發(fā)失速,因此,需將葉頂?shù)膭屿o間隙控制在技術(shù)要求的范圍之內(nèi)。

5)軸流風機失速與喘振不僅僅與制造、安裝有關(guān),還涉及到風機選型、風道設計、調(diào)試、運行等各個方面,要嚴格保證各個環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量,才能有效地防治并消除。制造質(zhì)量與安裝偏差所引發(fā)的結(jié)果,就是真實失速線下移或者是工作點的偏移,誘發(fā)風機失速及喘振的發(fā)生,制造時應嚴格控制葉片形狀、長度、強度、動靜間隙等參數(shù),安裝時應特別注意葉片的竄動值、葉片角度的偏差、執(zhí)行機構(gòu)開度與風機動葉實際開度的對應關(guān)系等方面。

6)風機的實際失速線受風道設計、風機制造、風機安裝等諸多方面的影響,并不等同于理論失速線;因此,經(jīng)過風機的常規(guī)調(diào)試 ,必須根據(jù)現(xiàn)場實際情況對理論失速線進行修正,進而標定真實的理論失速線以及風機的實際操控曲線。另外,系統(tǒng)計算誤差、控制邏輯的設置不當、系統(tǒng)調(diào)節(jié)機構(gòu)動作失靈及啟動、并聯(lián)風機的操作不當?shù)戎T多原因,也有可能導致風機進入失速區(qū)。

7)機組運行中運行人員要注意盡量減少兩側(cè)風機動葉開度偏差,使兩側(cè)出力基本平衡(電流值相近),并且開度不要過大;按規(guī)定及時吹灰,減小系統(tǒng)阻力。當發(fā)現(xiàn)風機動葉開度偏大、出口風壓偏高時,要適當降低母管風壓。

8)大型機組一般設計了風機的喘振報警裝置,其原理是將動葉或靜葉各角度對應的性能曲線峰值點平滑連接,形成該風機喘振邊界線(如圖4所示),再將該喘振邊界線向右下方移動一定距離,得到喘振報警線;為保證風機的可靠運行,其工作點必須在喘振邊界線的右下方;一旦在某一角度下的工作點由于管路阻力特性的改變或其它原因沿曲線向左上方移動到喘振報警線時,即發(fā)出報警信號提醒運行人員注意,將工作點移回穩(wěn)定區(qū)。

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二、送、一次風機的特性曲線

1、FAF20101型送風機的特性曲線:

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2、PAF17122型一次風機特性曲線:

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3、一次風機特性曲線說明

我廠一期一次風機特性曲線中,縱坐標單位為mmH2O;二期一次風機特性曲線中,縱坐標單位為Nm/kg,此單位代表風機對每kg空氣作的功,與壓力之比為空氣密度。

性能曲線初始值換算為Pa:一期775mmH29.87595Pa,二期6400Nm/kg×1.184kg/m3=7578Pa;

運行工況點換算為Pa:一期677mmH29.86635Pa,二期5615Nm/kg×1.184kg/m3=6648Pa;

最大工況點換算為Pa:一期1155mmH29.811320Pa,二期10366Nm/kg×1.146kg/m3=11879Pa;

因此一、二期一次風機特性曲線基本相同。

4、一次風機正常運行中,由于受煤質(zhì)變化、制粉系統(tǒng)運行方式(一、二期鍋爐設計三臺制粉系統(tǒng)帶滿負荷,目前高負荷時一般四臺運行)、風煙系統(tǒng)漏風及空預器堵塞等因素的影響,實際運行工況已偏離設計工況較多(一期尤其嚴重),致使一次風機運行中出口風壓偏高,較接近不穩(wěn)定工作區(qū)域。如一期一次風機設計B-MCR工況一風量37.8m3/s、全壓6635Pa、動葉開度31%,工況二風量63m3/s、全壓8675Pa、動葉開度60%TB工況風量81.1m3/s、全壓11320Pa、動葉開度89%;二期一次風機設計B-MCR工況風量45.1m3/s、全壓6649Pa、動葉開度33%,TB工況風量81.2m3/s、全壓11878Pa、動葉開度95%;實際運行中風量、風壓、動葉開度已嚴重不匹配。

因此,在機組運行中兩臺一次風機的出力調(diào)整主要按風機電流控制,出口風壓的控制按風機流量確定,用風機動葉開度來比較風機的實際出力與設計工況的偏差;如實際運行中風機動葉開度偏大、流量偏低、出口風壓偏高,說明由于某種原因使系統(tǒng)阻力發(fā)生變化,一次風機實際運行工況較設計工況前移,這時應按風機流量來確定已前移工況的出口風壓。

5、根據(jù)一次風機特性曲線,風機流量所對應的控制出口風壓高限值如下(考慮風機在喘振線以下附近運行已不很穩(wěn)定且抗干擾能力較差,此高限值低于風機喘振臨界點風壓2000Pa左右):

風量30m3/s(108km3/h,130t/h)以下,出口風壓按不高于6800Pa控制,此時動葉開度應在≯22%左右;

風量30~40m3/s(108144km3/h,130174t/h),出口風壓按不高于7200Pa控制,此時動葉開度應在≯33%左右;

風量40~50m3/s(144180km3/h,172217t/h),出口風壓按不高于8300Pa控制,此時動葉開度應在≯44%左右;

風量50~60m3/s(180216km3/h,217260t/h),出口風壓按不高于8700Pa控制,此時動葉開度應在≯55%左右;

風量60~70m3/s(216252km3/h,260304t/h),出口風壓按不高于9200Pa控制,此時動葉開度應在≯66%左右;

風量70~81.2m3/s(252292km3/h,304352t/h),出口風壓按不高于11000Pa控制,此時動葉開度應在≯88%左右。