风机的失速和喘振

5.4 风机的失速和喘振5.4.1 失速由流体力学知，当速度为v 的直线平行流以某一冲角（翼弦与来流方向的夹角）绕流二元孤立翼型（机翼）时，由于沿气流流动方向的两侧不对称，使得翼型上部区域的流线变密，流速增加，翼型下部区域的流线变稀，流速减小。

因此，流体作用在翼型下部表面上的压力将大于流体作用在翼型上部表面的压力，结果在翼型上形成一个向上的作用力。

如果绕流体是理想流体，则这个力和来流方向垂直，称为升力，其大小由儒可夫斯基升力公式确定：FL＝ρυ∞ΓΓ－速度环量ρ－绕流流体的密度其方向是在来流速度方向沿速度环量的反方向转90°来确定。

轴流风机性能曲线的左半部具有一个马鞍形的区域，在此区段运行有时会出现风机的流量、压头、和功率的大幅度脉动等不正常工况，一般称为“喘振”，这一不稳定工况区称为喘振区。

实际上，喘振仅仅是不稳定工况区内可能遇到的现象，而在该区域内必然要出现不正常的空气动力工况则是旋转脱流或称旋转失速。

这两种不正常工况是不同的，但是它们又有一定的关系。

轴流风机叶片前后的压差，在其它都不变的情况下，其压差的大小决定于动叶冲角的大小，在临界冲角值以内，上述压差大致与叶片的冲角成比例，不同的叶片叶型有不同的临界冲角值。

翼型的冲角不超过临界值，气流会离开叶片凸面发生边界层分离现象，产生大面积的涡流，此时风机的全压下降，这种情况称为“失速现象”，如图5－15。

泵与风机进入不稳定工况区，其叶片上将产生旋转脱流，可能使叶片发生共振，造成叶片疲劳断裂。

现以轴流式风机为例说明旋转脱流及其引起的振动。

当风机处于正常工况工作时，冲角等于零，而绕翼型的气流保持其流线形状，如图示：当气流与叶片进口形成正冲角时，随着冲角的增大，在叶片后缘点附近产生涡流，而且气流开始从上表面分离。

当正冲角超过某一临界值时，气流在叶片背部的流动遭到破坏，升力减小，阻力却急剧增加，这种现象称为“旋转脱流”或“失速”。

如果脱流现象发生在风机的叶道内，则脱流将对叶道造成堵塞，使叶道内的阻力增大，同时风压也随之而迅速降低。

风机的叶片由于加工及安装等原因不可能有完全相同的形状和安装角，同时流体的来流流向也不完全均匀。

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，如果某一叶片进口处的冲角达到临界值时，就首先在该叶片上发生脱流，而不会所有叶片都同时发生脱流。

如下图示：假设在叶道2 首先由于脱流而出现气流阻塞现象，叶道受堵塞后，通过的流量减少，在该叶道前形成低速停滞区，于是原来进入叶道2 的气流只能分流进入叶道1 和3。

这两股分流来的气流又与原来进入叶道1 和3 的气流汇合，从而改变了原来的气流方向，使流入叶道1 的气流冲角减小，而流入叶道3 的冲角增大，由此可知，分流的结果将使叶道1 内的绕流情况有所改善，脱流的可能性减小，甚至消失，而叶道3 内部却因冲角增大而促使发生脱流，叶道3 内发生脱流后又形成堵塞，使叶道3 前的气流发生分流，其结果又促使叶道4 内发生脱流和堵塞，这种现象继续下去，使脱流现象所造成的堵塞区沿着与叶轮旋转相反的方向移动。

试验表明，脱流的传播相对速度W1 远小于叶轮本身旋转角速度W 因此，在绝对运动中，可以观察到脱流区以W-W1 的速度旋转，方向与叶轮转向相同，此种现象称为“旋转脱流”或“旋转失速”。

风机进入不稳定工况区运行，叶轮内将产生一个到数个旋转脱流区，叶片依次经过脱流区要受到交变应力的作用，这种交变应力会使叶片产生疲劳。

叶片每经过一次脱流区将受到一次激振力的作用，此激振力的作用频率与旋转脱流的速度成正比，当脱流区的数目2、3、、、、时，则作用于每个叶片的激振力频率也作2 倍、3 倍、、、、的变化。

如果这一激振力的作用频率与叶片的固有频率成整数倍关系，或者等于、接近于叶片的固有频率时，叶片将发生共振。

此时，叶片的动应力显著增加，甚至可达数十倍以上，使叶片产生断裂。

一旦有一个叶片疲劳断裂，将会将全部叶片打断，因此，应尽量避免泵与风机在不稳定工况区运行。

如图5－18 在轴流风机Q－H 性能曲线中，全压的峰值点左侧为不稳定区，是旋转脱流区。

从峰值点开始向小流量方向移动，旋转脱流从此开始，到流量等于零的整个区间，始终存在着脱流。

旋转脱流对风机性能的影响不一定很显著，虽然脱流区的气流是不稳定的，但风机中流过的流量基本稳定，压力和功率亦基本稳定，风机在发生旋转脱流的情况下尚可维持运行，因此，风机的工作点如落在脱流区内，运行人员较难从感觉上进行判断。

因为旋转脱流不易被操作人员觉察，同时风机进入脱流区工作对风机的安全终究是个威胁，所以一般大容量轴流风机都装有失速探头。

如图所示：失速探头由两根相隔约3mm 的测压管所组成，将它置于叶轮叶片的进口前。

测压管中间用厚3mm 高（突出机壳的距离）3mm 镉片分开，风机在正常工作区域内运行时，叶轮进口的气流较均匀地从进气室沿轴向流入，那么失速探头之间的压力差几乎等于零或略大于零，如图示中的AB 曲线图中△P 为两测压管的压力差。

当风机的工作点落在旋转脱流区，叶轮前的气流除了轴向流动之外，还有脱流区流道阻塞成气流所形成的圆周方向分量。

于是，叶轮旋转时先遇到的测压孔，即镉片前的测压孔压力高，而镉片后的测压孔的气流压力低，产生了压力差，一般失速探头产生的压力差达245～392Pa，即报警，风机的流量越小，失速探头的压差越大，如图中的BCD.由失速探头产生的压差发出信号，然后由测压管接通一个压力差开关（继电器），压力差开关将报警电路系统接通发出报警，操作人员及时采取排除旋转脱流的措施。

失速探头装好以后，应予以标定，调整探头中心线的角度，使测压管在风机正常运转的差压为最小。

5.4.2 喘振轴流风机在不稳定工况区运行时，还可能发生流量、全压和电流的大幅度的波动，气流会发生往复流动，风机及管道会产生强烈的振动，噪声显著增高，这种不稳定工况称为喘振。

喘振的发生会破坏风机与管道的设备，威胁风机及整个系统的安全性。

如图所示：轴流风机Q－H 性能曲线，若用节流调节方法减少风机的流量，如风机工作点在K 点右侧，则风机工作是稳定的。

当风机的流量Q < Q K 时，这时风机所产生的最大压头将随之下降，并小于管路中的压力，因为风道系统容量较大，在这一瞬间风道中的压力仍为H K，因此风道中的压力大于风机所产生的压头使气流开始反方向倒流，由风道倒入风机中，工作点由K 点迅速移至C 点。

但是气流倒流使风道系统中的风量减小，因而风道中压力迅速下降，工作点沿着CD 线迅速下降至流量Q=0 时的D 点，此时风机供给的风量为零。

由于风机在继续运转，所以当风道中的压力降低到相应的D 点时，风机又开始输出流量，为了与风道中压力相平衡，工况点又从D 跳至相应工况点F。

只要外界所需的流量保持小于Q K，上述过程又重复出现。

如果风机的工作状态按FKCDF 周而复始地进行，这种循环的频率如与风机系统的振荡频率合拍时，就会引起共振，风机发生了喘振。

风机在喘振区工作时，流量急剧波动，产生气流的撞击，使风机发生强烈的振动，噪声增大，而且风压不断晃动，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Q－H 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。

旋转脱流与喘振的发生都是在Q－H 性能曲线左侧的不稳定区域，所以它们是密切相关的，但是旋转脱流与喘振有着本质的区别。

旋转脱流发生在如图所示的风机Q－H 性能曲线峰值以左的整个不稳定区域；而喘振只发生在Q－H 性能曲线向右上方倾斜部分。

旋转脱流的发生只决定叶轮本身叶片结构性能、气流情况等因素，与风道系统的容量、形状等无关。

旋转对风机的正常运转影响不如喘振这样严重。

风机在运行时发生喘振，情况就不相同。

喘振时，风机的流量、全压和功率产生脉动或大幅度的脉动，同时伴有明显的噪声，有时甚至是高分贝的噪声。

喘振时的振动有时是很剧烈的，损坏风机与管道系统。

所以喘振发生时，风机无法运行。

轴流风机在叶轮进口处装置喘振报警装置，该装置是由一根皮托管布置在叶轮的前方，皮托管的开口对着叶轮的旋转方向，如下图所示：皮托管是将一根直管的端部弯成90°（将皮托管的开口对着气流方向），用一U 形管与皮托管相连，则U 形管（压力表）的读数应该为气流的动能（动压）与静压之和（全压）。

在正常情况下，皮托管所测到的气流压力为负值，因为它测到的是叶轮前的压力。

但是当风机进入喘振区工作时，由于气流压力产生大幅度波动，所以皮托管测到的压力亦是一个波动的值。

为了使皮托管发送的脉冲压力能通过压力开关，利用电接触器发出报警信号，所以皮托管的报警值是这样规定的：当动叶片处于最小角度位置（－30°）用一U 形管测得风机叶轮前的压力再加上2000Pa 压力，作为喘振报警装置的报警整定值。

当运行工况超过喘振极限时，通过皮托管与差压开关，利用声光向控制台发出报警信号，要求运行人员及时处理，使风机返回正常工况运行。

为防止轴流风机在运行时工作点落在旋转脱流、喘振区内，在选择轴流风机时应仔细核实风机的经常工作点是否落在稳定区内，同时在选择调节方法时，需注意工作点的变化情况，动叶可调轴流风机由于改变动叶的安装角进行调节，所以当风机减少流量时，小风量使轴向速度降低而造成的气流冲角的改变，恰好由动叶安装角的改变得以补偿，使气流的冲角不至于增大，于是风机不会产生旋转脱流，更不会产生喘振。

动叶安装角减小时，风机不稳定区越来越小，这对风机的稳定运行是非常有利的。

防止喘振的具体措施：使泵或风机的流量恒大于Q K。

如果系统中所需要的流量小于Q K 时，可装设再循环管或自动排出阀门，使风机的排出流量恒大于Q K.如果管路性能曲线不经过坐标原点时，改变风机的转速，也可能得到稳定的运行工况，通过风机各种转速下性能曲线中最高压力点的抛物线，将风机的性能曲线分割为两部分，右边为稳定工作区，左边为不稳定工作区，当管路性能曲线经过坐标原点时，改变转速并无效果，因此时各转速下的工作点均是相似工况点。

对轴流式风机采用可调叶片调节，当系统需要的流量减小时，则减小其安装角，性能曲线下移，临界点向左下方移动，输出流量也相应减小。

最根本的措施是尽量避免采用具有驼峰形性能曲线的风机，而采用性能曲线平直向下倾斜的风机。

失速和喘振是两种不同的概念，失速是叶片结构特性造成的一种流体动力现象，它的一些基本特性，例如：失速区的旋转速度、脱流的起始点、消失点等，都有它自己的规律，不受风机系统的容积和形状的影响。

喘振是风机性能与管道装置耦合后振荡特性的一种表现形式，它的振幅、频率等基本特性受风机管道系统容积的支配，其流量、压力功率的波动是由不稳定工况区造成的，但是试验研究表明，喘振现象的出现总是与叶道内气流的脱流密切相关，而冲角的增大也与流量的减小有关。