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軸流風(fēng)機(jī)失速與喘振的發(fā)生于解決方法
0 引言
動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)相對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)而言，具有體積小、重量輕（約為離心式風(fēng)機(jī)的60％～70％）、低負(fù)荷運(yùn)行效率高、調(diào)節(jié)范圍大、對(duì)負(fù)荷變化反應(yīng)快等一系列優(yōu)點(diǎn)，在國外大、中容量的火電機(jī)組上早已獲得廣泛使用。近年來，隨著國內(nèi)容量為300 MW、600 MW及以上機(jī)組的大量建設(shè)和投運(yùn)，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)在火電機(jī)組中也日趨普遍采用。但動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)上的特征，也存在制造、安裝、維修技術(shù)要求高，失速（不穩(wěn)定）區(qū)間大，易發(fā)生失速及喘振等問題。北侖電廠二期工程3×600 MW共采用了6臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)的一次風(fēng)機(jī)和6臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)的送風(fēng)機(jī)。
本文以北侖電廠二期工程第1臺(tái)600 MW機(jī)組（3號(hào)機(jī)組）在啟動(dòng)調(diào)試過程中，遇到的一次風(fēng)機(jī)失速和喘振現(xiàn)象的發(fā)生與解決為背景，對(duì)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)失速與喘振機(jī)理進(jìn)行分析。并提出如何在調(diào)試、運(yùn)行過程中消除失速和喘振現(xiàn)象的建議。 1 失速、喘振的成因機(jī)理分析
1．1 風(fēng)機(jī)的失速
軸流風(fēng)機(jī)葉片通常是機(jī)翼型的，當(dāng)空氣順著機(jī)翼葉片進(jìn)口端（沖角α＝0°），如圖1（a）所示的流向流入時(shí)，它分成上下兩股氣流貼著翼面流過，形 成葉片背部和腹部的平滑“邊界層”氣流呈流線形。作用于葉片上有兩種力，一是垂直于葉面的升力，另一種平行于葉片的阻力，升力≥阻力。當(dāng)空氣流入葉片的方向偏離了葉片的進(jìn)口角，它與葉片形成正值的沖角（α＞0°），當(dāng)接近于某一臨界值時(shí)（臨界值隨葉型不同而異），葉背的氣流工況開始惡化。當(dāng)沖角增大至臨界值時(shí)，葉背的邊界層受到破壞，在葉背的尾端出現(xiàn)渦流區(qū)，即所謂脫流工況，也叫失速工況。此時(shí)作用于葉片的升力大幅度降低，阻力大幅度增加，如圖1（b）所示，隨著沖角α的增大，氣流的分離點(diǎn)向前移動(dòng)，葉背的渦流區(qū)從尾端擴(kuò)大到葉背部，脫離現(xiàn)象更為嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)部分流道阻塞的情況。
由于風(fēng)機(jī)各葉片加工誤差，安裝角不完全一致，氣流不完全均勻，因此當(dāng)氣流進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行時(shí)，不是所有葉片同時(shí)達(dá)到失速角。假定產(chǎn)生失速阻塞首先從葉道2開始，其氣流只能分流進(jìn)入葉道1和3，使葉道1氣流沖角減少，葉道3沖角增大，以致葉道3發(fā)生阻塞，逐個(gè)向葉道4、5…傳播，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)表明，脫流的傳播速度ω′小于葉片角速度ω，因此，在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)中，脫流區(qū)以Δω＝ω′－ω速度旋轉(zhuǎn)，方向與葉輪轉(zhuǎn)向相同，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)脫流或旋轉(zhuǎn)失速。
1．2 風(fēng)機(jī)的喘振
喘振是軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的特殊現(xiàn)象。風(fēng)機(jī)喘振的原因是出口壓力與風(fēng)機(jī)風(fēng)量失去對(duì)應(yīng)。出口壓力很高而風(fēng)量很小使得風(fēng)機(jī)葉片部分或全部進(jìn)入失速區(qū)。造成風(fēng)機(jī)喘振最常見的因素是擋板誤動(dòng)、控制系統(tǒng)故障、運(yùn)行人員誤操作。風(fēng)機(jī)喘振主要表現(xiàn)為：風(fēng)量、出口風(fēng)壓、電機(jī)電流出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，劇裂振動(dòng)和異常噪音。
喘振會(huì)造成風(fēng)機(jī)葉片斷裂或機(jī)械部件損壞，嚴(yán)禁風(fēng)機(jī)在喘振工況下運(yùn)行。運(yùn)行中一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，應(yīng)立即調(diào)整風(fēng)機(jī)動(dòng)葉角度，使得風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)避開喘振區(qū)。風(fēng)機(jī)喘振跟動(dòng)葉角度有很大關(guān)系，動(dòng)葉角度越小，越易發(fā)生喘振。
喘振發(fā)生的原因可解釋為：
（1）從系統(tǒng)變工況的反應(yīng)看（見圖3），當(dāng)用節(jié)流法減少風(fēng)機(jī)壓力，越過特性曲線壓力最高點(diǎn)A后，風(fēng)機(jī)壓頭降低，如B點(diǎn)是要求運(yùn)行點(diǎn)，則在剛達(dá)B點(diǎn)瞬間，系統(tǒng)壓力還來不及降到B，而是高于B，于是就發(fā)生倒流，使風(fēng)機(jī)出力受壓抑，短時(shí)無空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)，運(yùn)行點(diǎn)瞬時(shí)移到C點(diǎn)。但系統(tǒng)還繼續(xù)向外供氣，因而壓力降低，當(dāng)它低于C點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)開始供氣，但因背壓很小，風(fēng)機(jī)出力瞬時(shí)超過B點(diǎn)，使背壓迅速提高。因調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)要求B點(diǎn)運(yùn)行，則流量又回到B點(diǎn)，再次發(fā)生倒流，上述過程又重復(fù)。如果這種循環(huán)的頻率與系統(tǒng)的振蕩頻率合拍時(shí)，就引起共振，振幅逐漸增大發(fā)生喘振。
（2）從動(dòng)力特性看（如圖4），在出現(xiàn)全葉長型旋轉(zhuǎn)脫流時(shí)，如風(fēng)機(jī)在A點(diǎn)運(yùn)行，向小流量方向的微小擾動(dòng)就足使風(fēng)機(jī)壓頭突降至B點(diǎn)，隨后瞬間倒流使風(fēng)機(jī)出力降至C點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)恢復(fù)供氣時(shí)，當(dāng)流量達(dá)到D點(diǎn)，風(fēng)機(jī)壓頭又突升到E點(diǎn)，最后又回到A點(diǎn)。這種往復(fù)脈動(dòng)頻率如與系統(tǒng)的振蕩頻率合拍，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的喘振。經(jīng)驗(yàn)表明，在局部擴(kuò)展型失速時(shí)發(fā)生的喘振，脈動(dòng)幅度小，激烈程度比邊界周期型喘振輕得多。通常是一種輕微而有時(shí)聽不到的脈動(dòng)，軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)避免進(jìn)入不穩(wěn)定的工況區(qū)。
1．3 失速與喘振的區(qū)別與聯(lián)系
（1）失速是葉片結(jié)構(gòu)特性造成的一種空氣動(dòng)力工況。失速的基本特性由開始至結(jié)束都有它自身的規(guī)律，不受系統(tǒng)容積形狀影響，而喘振是風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)耦合后的振蕩特性的表現(xiàn)形式，其振幅、頻率等受風(fēng)道容積的節(jié)制。
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（2）失速是軸流式風(fēng)機(jī)或離心式空壓機(jī)基本屬性，每個(gè)葉輪都會(huì)有發(fā)生失速的不穩(wěn)定工況，它是隱形的，只有用高靈敏度儀器，高頻測(cè)試器才能探測(cè)。而喘振是顯形的。當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)，流量、壓力和功率的脈動(dòng)及伴隨的噪聲，一般很明顯，甚至非常激烈。但喘振發(fā)生要有一定的條件，同一風(fēng)機(jī)裝于不同系統(tǒng)中，有的發(fā)生喘振，有的就不發(fā)生。
（3）失速發(fā)生時(shí)，盡管葉輪附近的工況有波動(dòng)，但整臺(tái)風(fēng)機(jī)的流量、壓力和功率是基本穩(wěn)定的，可以連續(xù)運(yùn)行。而喘振發(fā)生時(shí)，因流量、壓力
和功率的大幅度脈動(dòng)，無法維持正常運(yùn)行。
（4）失速時(shí)，風(fēng)機(jī)特性曲線可以測(cè)得。但喘振時(shí)，因工況脈動(dòng)，無法進(jìn)行正常的測(cè)量。
（5）喘振僅僅發(fā)生于風(fēng)機(jī)特性曲線中從頂峰以左的坡度區(qū)段，其壓力降低是失速造成的。而失速現(xiàn)象存在于頂峰以左的整個(gè)區(qū)段。兩者是密切相關(guān)的，可以說失速的存在是喘振發(fā)生的原因。
2 3號(hào)機(jī)組一次風(fēng)機(jī)投運(yùn)情況
北侖電廠二期工程一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)均由日本IHI公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)匹配的要求，由沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠負(fù)責(zé)制造。3號(hào)機(jī)組2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)列于表1。
3號(hào)機(jī)組在調(diào)試啟動(dòng)過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)多次風(fēng)機(jī)失速和喘振現(xiàn)象。如1999年4月，當(dāng)時(shí)機(jī)組工況：2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行，動(dòng)葉開度分別A風(fēng)機(jī)為25％（3BZT－75．201A），B風(fēng)機(jī)為28％（3BZT－75．201B），2只動(dòng)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制均在自動(dòng)方式。當(dāng)時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)B的I／P有振蕩現(xiàn)象，由于風(fēng)機(jī)B的動(dòng)葉晃動(dòng)造成一次風(fēng)機(jī)A出力受阻而失速（沒有出力），由于控制系統(tǒng)均處于自動(dòng)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)A又沒有出力，要求動(dòng)葉角度增大（因?yàn)閯?dòng)葉的角度是根據(jù)一次風(fēng)壓來調(diào)節(jié)的），風(fēng)機(jī)A／B動(dòng)葉迅速增至66％和68％左右，后經(jīng)運(yùn)行人員干預(yù)后停一次風(fēng)機(jī)A。
從現(xiàn)象分析，一次風(fēng)機(jī)B動(dòng)葉的晃動(dòng)固然是誘導(dǎo)因素，但是風(fēng)機(jī)本身葉片也可能存在內(nèi)在的缺陷；同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)失速或喘振發(fā)生時(shí)，喘振探頭的信號(hào)不起作用。在一次風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉輪的進(jìn)口處各裝有一個(gè)喘振探頭（Stall Probe）。喘振探頭的作用是當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)時(shí)，向運(yùn)行人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并干預(yù)控制系統(tǒng)，強(qiáng)制將進(jìn)入喘振區(qū)的風(fēng)機(jī)動(dòng)葉關(guān)小到25°。在對(duì)風(fēng)機(jī)B的動(dòng)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查、調(diào)整，同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)A／B的喘振探頭進(jìn)行調(diào)整、校驗(yàn)后，投運(yùn)正常。1999年6月，一次風(fēng)機(jī)A也出現(xiàn)過失速／喘振現(xiàn)象，這次持續(xù)時(shí)間較短，而且一次風(fēng)機(jī)A喘振探頭功能正確。在3號(hào)機(jī)組大修期間，對(duì)兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)A／B前后級(jí)動(dòng)葉角度偏差最大達(dá)3°，葉片的徑向間隙也超差。后在裝復(fù)調(diào)整中，逐一得到解決。
3 喘振發(fā)生時(shí)的檢查
3．1 風(fēng)機(jī)設(shè)備
（1）兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉角度可能不一致。
（2）風(fēng)機(jī)本身前后兩級(jí)動(dòng)葉角度可能不一致。
（3）風(fēng)機(jī)每級(jí)動(dòng)葉中各片葉片角度可能不一致。
（4）由于葉片結(jié)垢引起。
3．2 風(fēng)道設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)
（1）兩側(cè)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)風(fēng)道阻力不同引起。
（2）風(fēng)機(jī)進(jìn)口阻力太大。
3．3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備
（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作角度和風(fēng)機(jī)內(nèi)部動(dòng)葉動(dòng)作角度不一致。
（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)晃動(dòng)或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作太快。
3．4 測(cè)量系統(tǒng)和邏輯回路
（1）喘振探頭安裝是否正確。
（2）保護(hù)和報(bào)警邏輯回路是否正確。
4 喘振的防治與消除措施
風(fēng)機(jī)喘振涉及到風(fēng)機(jī)選型、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)，要嚴(yán)格保證各環(huán)節(jié)工作質(zhì)量，才能有效地防治及消除喘振。
4．1 選型設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)單位提供選型參數(shù)時(shí)，除計(jì)算燃燒所必須風(fēng)量外，應(yīng)預(yù)留由于煤種變化，介質(zhì)溫度變化，管道及風(fēng)機(jī)特性變化，電網(wǎng)頻率降低及空預(yù)器漏風(fēng)等各種因素引起的風(fēng)量增加裕度，同時(shí)由于阻力計(jì)算誤差的客觀存在，選型參數(shù)中必須提供壓力裕量。連接風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道截面不得大于風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面112．5％，又不得小于進(jìn)口截面92．5％，漸縮風(fēng)道收斂坡度不宜小于15°，擴(kuò)散風(fēng)道擴(kuò)散角不宜超過7°。連接風(fēng)道的出口截面應(yīng)限制在風(fēng)機(jī)出口截面的87．5％～107．5％之間，否則很易失速，進(jìn)而喘振。
4．2 制造質(zhì)量
制造廠按業(yè)主提供的參數(shù)定制動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，必須保證風(fēng)機(jī)在任何角度下運(yùn)行的最小流量應(yīng)大于該角度下失速流量的5％～10％。制造廠應(yīng)嚴(yán)格控制葉片形狀、長度、強(qiáng)度等與業(yè)主提供的參數(shù)間的誤差。
4．3 安裝偏差
安裝時(shí)葉片竄動(dòng)值及葉片間距誤差太大，前后級(jí)葉片角度偏差太大，動(dòng)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的范圍與風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的可調(diào)范圍對(duì)應(yīng)關(guān)系等，均是風(fēng)機(jī)喘振的誘因。同時(shí)安裝喘振探頭時(shí)，應(yīng)考慮沿海電廠空氣極易結(jié)露，喘振信號(hào)取樣管必須有足夠的疏水坡度，否則，將引發(fā)風(fēng)機(jī)頻繁誤報(bào)警。
4．4 修正曲線
除完成風(fēng)機(jī)常規(guī)調(diào)試項(xiàng)目外，必須對(duì)風(fēng)機(jī)制造廠提供的理論失速曲線按現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行修正，進(jìn)而標(biāo)定特定環(huán)境下風(fēng)機(jī)真實(shí)的理論失速曲線，及實(shí)際操作控制曲線。
4．5 運(yùn)行操作
由于系統(tǒng)計(jì)算誤差，系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作不當(dāng)，以及系統(tǒng)因積灰阻塞等原因，運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)在任意給定的葉片角度下均有進(jìn)入失速區(qū)域可能，同時(shí)當(dāng)1臺(tái)風(fēng)機(jī)已運(yùn)行，另1臺(tái)風(fēng)機(jī)并入時(shí)，操作稍有不當(dāng)，即會(huì)導(dǎo)致母管壓力失衡，或者第一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行壓力高于第2臺(tái)失速線的最低點(diǎn)，導(dǎo)致第2臺(tái)風(fēng)機(jī)喘振。故風(fēng)機(jī)投運(yùn)前，運(yùn)行單位應(yīng)根據(jù)制造廠提供的資料及系統(tǒng)具體條件，編制出具體的風(fēng)機(jī)運(yùn)行規(guī)程，作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行、維護(hù)、檢修依據(jù)。
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