1、5.4 風機的失速和喘振 失速由流體力學知，當速度為v 的直線平行流以某一沖角（翼弦與來流方向的夾角）繞流二元孤立翼型（機翼）時，由于沿氣流流動方向的兩側不對稱，使得翼型上部區域的流線變密，流速增加，翼型下部區域的流線變稀，流速減小。因此，流體作用在翼型下部表面上的壓力將大于流體作用在翼型上部表面的壓力，結果在翼型上形成一個向上的作用力。如果繞流體是理想流體，則這個力和來流方向垂直，稱為升力，其大小由儒可夫斯基升力公式確定：FL速度環量 繞流流體的密度其方向是在來流速度方向沿速度環量的反方向轉90°來確定。軸流風機性能曲線的左半部具有一個馬鞍形的區域，在此區段運行有時會出現風機的流量

2、、壓頭、和功率的大幅度脈動等不正常工況，一般稱為“喘振”，這一不穩定工況區稱為喘振區。實際上，喘振僅僅是不穩定工況區內可能遇到的現象，而在該區域內必然要出現不正常的空氣動力工況則是旋轉脫流或稱旋轉失速。這兩種不正常工況是不同的，但是它們又有一定的關系。軸流風機葉片前后的壓差，在其它都不變的情況下，其壓差的大小決定于動葉沖角的大小，在臨界沖角值以內，上述壓差大致與葉片的沖角成比例，不同的葉片葉型有不同的臨界沖角值。翼型的沖角不超過臨界值，氣流會離開葉片凸面發生邊界層分離現象，產生大面積的渦流，此時風機的全壓下降，這種情況稱為“失速現象”，如圖515。泵與風機進入不穩定工況區，其葉片上將產生旋轉脫

3、流，可能使葉片發生共振，造成葉片疲勞斷裂?，F以軸流式風機為例說明旋轉脫流及其引起的振動。當風機處于正常工況工作時，沖角等于零，而繞翼型的氣流保持其流線形狀，如圖示：當氣流與葉片進口形成正沖角時，隨著沖角的增大，在葉片后緣點附近產生渦流，而且氣流開始從上表面分離。當正沖角超過某一臨界值時，氣流在葉片背部的流動遭到破壞，升力減小，阻力卻急劇增加，這種現象稱為“旋轉脫流”或“失速”。如果脫流現象發生在風機的葉道內，則脫流將對葉道造成堵塞，使葉道內的阻力增大，同時風壓也隨之而迅速降低。風機的葉片由于加工及安裝等原因不可能有完全相同的形狀和安裝角，同時流體的來流流向也不完全均勻。因此當運行工況變化而使流

4、動方向發生偏離時，在各個葉片進口的沖角就不可能完全相同，如果某一葉片進口處的沖角達到臨界值時，就首先在該葉片上發生脫流，而不會所有葉片都同時發生脫流。如下圖示：假設在葉道2 首先由于脫流而出現氣流阻塞現象，葉道受堵塞后，通過的流量減少，在該葉道前形成低速停滯區，于是原來進入葉道2 的氣流只能分流進入葉道1 和3。這兩股分流來的氣流又與原來進入葉道1 和3 的氣流匯合，從而改變了原來的氣流方向，使流入葉道1 的氣流沖角減小，而流入葉道3 的沖角增大，由此可知，分流的結果將使葉道1 內的繞流情況有所改善，脫流的可能性減小，甚至消失，而葉道3 內部卻因沖角增大而促使發生脫流，葉道3 內發生脫流后又形

5、成堵塞，使葉道3 前的氣流發生分流，其結果又促使葉道4 內發生脫流和堵塞，這種現象繼續下去，使脫流現象所造成的堵塞區沿著與葉輪旋轉相反的方向移動。試驗表明，脫流的傳播相對速度W1 遠小于葉輪本身旋轉角速度W 因此，在絕對運動中，可以觀察到脫流區以W-W1 的速度旋轉，方向與葉輪轉向相同，此種現象稱為“旋轉脫流”或“旋轉失速”。風機進入不穩定工況區運行，葉輪內將產生一個到數個旋轉脫流區，葉片依次經過脫流區要受到交變應力的作用，這種交變應力會使葉片產生疲勞。葉片每經過一次脫流區將受到一次激振力的作用，此激振力的作用頻率與旋轉脫流的速度成正比，當脫流區的數目2、3、時，則作用于每個葉片的激振力頻率也

6、作2 倍、3 倍、的變化。如果這一激振力的作用頻率與葉片的固有頻率成整數倍關系，或者等于、接近于葉片的固有頻率時，葉片將發生共振。此時，葉片 的動應力顯著增加，甚至可達數十倍以上，使葉片產生斷裂。一旦有一個葉片疲勞斷裂，將會將全部葉片打斷，因此，應盡量避免泵與風機在不穩定工況區運行。如圖518 在軸流風機QH 性能曲線中，全壓的峰值點左側為不穩定區，是旋轉脫流區。從峰值點開始向小流量方向移動，旋轉脫流從此開始，到流量等于零的整個區間，始終存在著脫流。旋轉脫流對風機性能的影響不一定很顯著，雖然脫流區的氣流是不穩定的，但風機中流過的流量基本穩定，壓力和功率亦基本穩定，風機在發生旋轉脫流的情況下尚可

7、維持運行，因此，風機的工作點如落在脫流區內，運行人員較難從感覺上進行判斷。因為旋轉脫流不易被操作人員覺察，同時風機進入脫流區工作對風機的安全終究是個威脅，所以一般大容量軸流風機都裝有失速探頭。如圖所示：失速探頭由兩根相隔約3mm 的測壓管所組成，將它置于葉輪葉片的進口前。測壓管中間用厚3mm 高（突出機殼的距離）3mm 鎘片分開，風機在正常工作區域內運行時，葉輪進口的氣流較均勻地從進氣室沿軸向流入，那么失速探頭之間的壓力差幾乎等于零或略大于零，如圖示中的AB 曲線圖中P 為兩測壓管的壓力差。當風機的工作點落在旋轉脫流區，葉輪前的氣流除了軸向流動之外，還有脫流區流道阻塞成氣流所形成的圓周方向分量

8、。于是，葉輪旋轉時先遇到的測壓孔，即鎘片前的測壓孔壓力高，而鎘片后的測壓孔的氣流壓力低，產生了壓力差，一般失速探頭產生的壓力差達245392Pa，即報警，風機的流量越小，失速探頭的壓差越大，如圖中的BCD.由失速探頭產生的壓差發出信號，然后由測壓管接通一個壓力差開關（繼電器），壓力差開關將報警電路系統接通發出報警，操作人員及時采取排除旋轉脫流的措施。失速探頭裝好以后，應予以標定，調整探頭中心線的角度，使測壓管在風機正常運轉的差壓為最小。 喘振軸流風機在不穩定工況區運行時，還可能發生流量、全壓和電流的大幅度的波動，氣流會發生往復流動，風機及管道會產生強烈的振動，噪聲顯著增高，這種不穩定工況稱為喘

9、振。喘振的發生會破壞風機與管道的設備，威脅風機及整個系統的安全性。如圖所示：軸流風機QH 性能曲線，若用節流調節方法減少風機的流量，如風機工作點在K 點右側，則風機工作是穩定的。當風機的流量Q < QK 時，這時風機所產生的最大壓頭將隨之下降，并小于管路中的壓力，因為風道系統容量較大，在這一瞬間風道中的壓力仍為HK，因此風道中的壓力大于風機所產生的壓頭使氣流開始反方向倒流，由風道倒入風機中，工作點由K 點迅速移至C 點。但是氣流倒流使風道系統中的風量減小，因而風道中壓力迅速下降，工作點沿著CD 線迅速下降至流量Q=0時的D 點，此時風機供給的風量為零。由于風機在繼續運轉，所以當風道中的壓

10、力降低到相應的D 點時，風機又開始輸出流量，為了與風道中壓力相平衡，工況點又從D 跳至相應工況點F。只要外界所需的流量保持小于QK，上述過程又重復出現。如果風機的工作狀態按FKCDF 周而復始地進行，這種循環的頻率如與風機系統的振蕩頻率合拍時，就會引起共振，風機發生了喘振。風機在喘振區工作時，流量急劇波動，產生氣流的撞擊，使風機發生強烈的振動，噪聲增大，而且風壓不斷晃動，風機的容量與壓頭越大，則喘振的危害性越大。故風機產生喘振應具備下述條件：(1) 風機的工作點落在具有駝峰形QH 性能曲線的不穩定區域內；(2) 風道系統具有足夠大的容積，它與風機組成一個彈性的空氣動力系統；(3) 整個循環的頻

11、率與系統的氣流振蕩頻率合拍時，產生共振。旋轉脫流與喘振的發生都是在QH 性能曲線左側的不穩定區域，所以它們是密切相關的，但是旋轉脫流與喘振有著本質的區別。旋轉脫流發生在如圖所示的風機QH 性能曲線峰值以左的整個不穩定區域；而喘振只發生在QH 性能曲線向右上方傾斜部分。旋轉脫流的發生只決定葉輪本身葉片結構性能、氣流情況等因素，與風道系統的容量、形狀等無關。旋轉對風機的正常運轉影響不如喘振這樣嚴重。風機在運行時發生喘振，情況就不相同。喘振時，風機的流量、全壓和功率產生脈動或大幅度的脈動，同時伴有明顯的噪聲，有時甚至是高分貝的噪聲。喘振時的振動有時是很劇烈的，損壞風機與管道系統。所以喘振發生時，風機

12、無法運行。軸流風機在葉輪進口處裝置喘振報警裝置，該裝置是由一根皮托管布置在葉輪的前方，皮托管的開口對著葉輪的旋轉方向，如下圖所示：皮托管是將一根直管的端部彎成90°（將皮托管的開口對著氣流方向），用一U 形管與皮托管相連，則U 形管（壓力表）的讀數應該為氣流的動能（動壓）與靜壓之和（全壓）。在正常情況下，皮托管所測到的氣流壓力為負值，因為它測到的是葉輪前的壓力。但是當風機進入喘振區工作時，由于氣流壓力產生大幅度波動，所以皮托管測到的壓力亦是一個波動的值。為了使皮托管發送的脈沖壓力能通過壓力開關，利用電接觸器發出報警信號，所以皮托管的報警值是這樣規定的：當動葉片處于最小角度位置（30&

13、#176;） 用一U 形管測得風機葉輪前的壓力再加上2000Pa 壓力，作為喘振報警裝置的報警整定值。當運行工況超過喘振極限時，通過皮托管與差壓開關，利用聲光向控制臺發出報警信號，要求運行人員及時處理，使風機返回正常工況運行。為防止軸流風機在運行時工作點落在旋轉脫流、喘振區內，在選擇軸流風機時應仔細核實風機的經常工作點是否落在穩定區內，同時在選擇調節方法時，需注意工作點的變化情況，動葉可調軸流風機由于改變動葉的安裝角進行調節，所以當風機減少流量時，小風量使軸向速度降低而造成的氣流沖角的改變，恰好由動葉安裝角的改變得以補償，使氣流的沖角不至于增大，于是風機不會產生旋轉脫流，更不會產生喘振。動葉安

14、裝角減小時，風機不穩定區越來越小，這對風機的穩定運行是非常有利的。防止喘振的具體措施：使泵或風機的流量恒大于QK。如果系統中所需要的流量小于QK 時，可裝設再循環管或自動排出閥門，使風機的排出流量恒大于QK.如果管路性能曲線不經過坐標原點時，改變風機的轉速，也可能得到穩定的運行工況，通過風機各種轉速下性能曲線中最高壓力點的拋物線，將風機的性能曲線分割為兩部分，右邊為穩定工作區，左邊為不穩定工作區，當管路性能曲線經過坐標原點時，改變轉速并無效果，因此時各轉速下的工作點均是相似工況點。對軸流式風機采用可調葉片調節，當系統需要的流量減小時，則減小其安裝角，性能曲線下移，臨界點向左下方移動，輸出流量也

15、相應減小。最根本的措施是盡量避免采用具有駝峰形性能曲線的風機，而采用性能曲線平直向下傾斜的風機。失速和喘振是兩種不同的概念，失速是葉片結構特性造成的一種流體動力現象，它的一些基本特性，例如：失速區的旋轉速度、脫流的起始點、消失點等，都有它自己的規律，不受風機系統的容積和形狀的影響。喘振是風機性能與管道裝置耦合后振蕩特性的一種表現形式，它的振幅、頻率等基本特性受風機管道系統容積的支配，其流量、壓力功率的波動是由不穩定工況區造成的，但是試驗研究表明，喘振現象的出現總是與葉道內氣流的脫流密切相關，而沖角的增大也與流量的減小有關。所以，在出現喘振的不穩定工況區內必定會出現旋轉脫流。風機發生喘振立即將風機動葉控制置于手動方式，關小另一臺未失速風機的動