有關(guān)失速、喘振和搶風(fēng)的分析

火力發(fā)電廠泵與風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定流動(dòng)分析失速、喘振和搶風(fēng)搶水2021/5/91一、前言………..…..…..…..04二、邊界層理論

…..…..

…..05三、邊界層分離和脫流

…..07五、喘振…………..…..…..12六、搶風(fēng)搶水

……..…..…..17七、比較

……………..……..23四、旋轉(zhuǎn)脫流或旋轉(zhuǎn)失速

…..10目錄01.06.2023目錄目錄上頁(yè)下頁(yè)封底封面2021/5/92火力發(fā)電廠泵與風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定流動(dòng)分析

在火力發(fā)電廠中，泵與風(fēng)機(jī)是重要的流體輸送設(shè)備，然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各類不穩(wěn)定運(yùn)行情況，比如失速、喘振和搶風(fēng)，但這這三類不穩(wěn)定運(yùn)行情況不容易區(qū)分，因而在采取處置對(duì)策時(shí)經(jīng)常無(wú)從下手，本課件從理論上對(duì)上述三種不穩(wěn)定情況進(jìn)行了界定，并給出了應(yīng)采取的相應(yīng)措施。

2021/5/93

在火力發(fā)電廠中，泵與風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)性有重要的影響。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可能出現(xiàn)失速、喘振、搶風(fēng)搶水等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象一般不容易區(qū)分，它們和泵的內(nèi)流理論以及管路特性有關(guān)，本文本文從理論上對(duì)上述三種不穩(wěn)定情況進(jìn)行了界定，并給出了應(yīng)采取的相應(yīng)措施。

一、前言

2021/5/941.機(jī)翼理論的應(yīng)用傳統(tǒng)上二維機(jī)翼或葉柵的性能資料只應(yīng)用于軸流式泵與風(fēng)機(jī)，但是最近的研究顯示，它們也同樣能應(yīng)用于離心式和混流式泵與風(fēng)機(jī)。二、邊界層理論

2021/5/952.邊界層的基本概念葉輪機(jī)械葉輪流道內(nèi)流體的線速度一般比較高，從而雷諾數(shù)比較大。流體流過(guò)流道時(shí)，可以看作是流體繞流葉片，葉片一般都作成機(jī)翼形狀，因此完全可以利用流體繞流機(jī)翼的相關(guān)理論來(lái)分析葉輪內(nèi)流情況。在緊靠物體表面的薄層內(nèi)，流速將由物體表面上的零值迅速地增加到與來(lái)流速度相同數(shù)量級(jí)的薄層稱為邊界層。

二、邊界層理論

2021/5/96三、邊界層分離和脫流沖角的概念以及沖角和流量之間的關(guān)系

流體進(jìn)入葉道或繞流機(jī)翼時(shí)，相對(duì)速度或繞流速度的方向和葉片進(jìn)口切線之間的夾角稱為沖角，用δ表示，如圖所示。當(dāng)流量等于設(shè)計(jì)流量時(shí)，流體沿葉片切線方向流入，即β1=β1y，此時(shí)沖角δ=0，不存在沖擊損失；當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，β1y＞β1，則δ=β1y－β1＞0，稱為正沖角；當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，β1y－β1，則δ=β1y－β1＜0，稱為負(fù)沖角。在機(jī)翼理論中，一般用α表示沖角。

（a）正沖角（b）負(fù)沖角2021/5/97

流體經(jīng)過(guò)機(jī)翼翼型（或葉片葉型）的流動(dòng)如圖所示，以υ∞和p∞表示無(wú)窮遠(yuǎn)處流體流動(dòng)所具有的速度和壓強(qiáng)。流體繞過(guò)翼型前駐點(diǎn)后，沿上表面的流速先增加，一直增加到曲面上某一點(diǎn)M，然后降低。粘性流體在壓強(qiáng)降低區(qū)域內(nèi)流動(dòng)（加速流動(dòng)）時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)邊界層分離，只有在壓強(qiáng)升高區(qū)內(nèi)流動(dòng)（減速流動(dòng)）時(shí)，才有可能出現(xiàn)分離，形成旋渦。尤其在主流的減速足夠大的情況下，邊界層的分離就一定會(huì)發(fā)生。減速升壓區(qū)的減速程度和過(guò)流表面的曲率有關(guān)，曲率越大，越容易邊界層分離，因此，為了防止邊界層分離，一般將繞流物體作成圓頭尖尾的所謂流線型物體（如葉片葉型和機(jī)翼翼型）。

01.06.2023目錄目錄上頁(yè)下頁(yè)封底封面三、邊界層分離和脫流2.曲面邊界層的分離現(xiàn)象圖葉片的正常工況和脫流工況

2021/5/98三、邊界層分離和脫流3.機(jī)翼繞流的脫流與失速

泵與風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行，其葉片上將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫流，可能使葉片發(fā)生共振，造成葉片疲勞斷裂?，F(xiàn)以軸流式風(fēng)機(jī)為例說(shuō)明旋轉(zhuǎn)脫流及其引起的振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于正常工況運(yùn)行時(shí)。沖角等于零或小于臨界沖角，隨著沖角的增大，在葉片后緣點(diǎn)附近產(chǎn)生旋渦，而且氣流開始從上表面分離。當(dāng)沖角超過(guò)某一臨界值時(shí)，氣流在葉片背部的流動(dòng)遭到破壞，升力減小，阻力卻急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“脫流”或“失速”。如果脫流現(xiàn)象發(fā)生在風(fēng)機(jī)的葉道內(nèi)，則脫流將對(duì)葉道造成阻塞，使葉道內(nèi)的阻力增大，同時(shí)風(fēng)壓也隨之而迅速降低。2021/5/9901.06.2023目錄目錄上頁(yè)下頁(yè)封底封面四、旋轉(zhuǎn)脫流或旋轉(zhuǎn)失速

風(fēng)機(jī)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(shí)流體的來(lái)流流向也不會(huì)完全均勻，因此，當(dāng)運(yùn)行工況變化而使流動(dòng)方向發(fā)生偏離時(shí)，在各個(gè)葉片進(jìn)口的沖角就不可能完全相同。隨著流量的減小，如果某一個(gè)葉片進(jìn)口處的沖角達(dá)到臨界值時(shí)，就首先在該葉片上發(fā)生脫流，而不會(huì)所有葉片都同時(shí)發(fā)生脫流。在圖中，假設(shè)在葉道2首先由于脫流而出現(xiàn)氣流阻塞現(xiàn)象，葉道受阻塞后，通過(guò)的流量減少，在該葉道前形成低速停滯區(qū)，于是原來(lái)進(jìn)入葉道2的氣流只能分流進(jìn)入葉道1和葉道3。這兩股分流來(lái)的氣流又與原來(lái)進(jìn)入葉道1和葉道3的氣流匯合，從而改變了原來(lái)進(jìn)入葉道1和葉道3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。因此分流的結(jié)果，將使葉道1下部葉片的繞流情況有所改善，脫流的可能性減少，甚至消失；而葉道3下部葉片卻因沖角增大而促使其發(fā)生脫流。葉道3發(fā)生脫流后又形成阻塞，使葉道3前的氣流發(fā)生分流，其結(jié)果又促使葉道4內(nèi)發(fā)生脫流和阻塞。這種現(xiàn)象繼續(xù)下去，使脫流現(xiàn)象造成的阻塞區(qū)域沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)相反的方向移動(dòng)。此種現(xiàn)象稱之為旋轉(zhuǎn)脫流或旋轉(zhuǎn)失速。2021/5/91001.06.2023目錄目錄上頁(yè)下頁(yè)封底封面四、旋轉(zhuǎn)脫流或旋轉(zhuǎn)失速

從前面的分析可以看出，旋轉(zhuǎn)脫流或旋轉(zhuǎn)失速屬于流體繞流葉片或葉輪的流體動(dòng)力特性范疇，它受到葉片形狀、流量、加工等影響，具體而言，為了避免失速發(fā)生，有以下幾個(gè)措施：第一、采用機(jī)翼型葉片，使葉片后部曲率較??；第二、在設(shè)計(jì)流量附近運(yùn)行；第三、提高葉輪的加工精度。

2021/5/91101.06.2023目錄目錄上頁(yè)下頁(yè)封底封面五、喘振

喘振的概念

若具有駝蜂形性能曲線的泵與風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，而管路系統(tǒng)中的容量又很大時(shí)，則泵與風(fēng)機(jī)的流量、壓頭和軸功率會(huì)在瞬間內(nèi)發(fā)生很大的周期性波動(dòng)，引起劇烈的振動(dòng)和噪聲，這種現(xiàn)象稱為喘振或飛動(dòng)現(xiàn)象，如圖所示。

圖風(fēng)機(jī)在大容量管露系統(tǒng)中運(yùn)行的示意圖

2021/5/912五、喘振

2.喘振過(guò)程如圖所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，如果用戶所需的流量為qVA

，此時(shí)風(fēng)機(jī)與管路系統(tǒng)處于能量平衡狀態(tài)，相應(yīng)的運(yùn)行工況點(diǎn)為A，風(fēng)機(jī)運(yùn)行是穩(wěn)定的。當(dāng)用戶所需要的流量逐漸減少，即運(yùn)行工況點(diǎn)由A沿全壓性能曲線向左上方移動(dòng)至K點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行仍然是穩(wěn)定的，其中K點(diǎn)為臨界點(diǎn)。當(dāng)用戶所需要的流量繼續(xù)減少為qVM時(shí)，風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的全壓將小于管路系統(tǒng)的壓頭，團(tuán)為管路系統(tǒng)容量較大，在此瞬間管路系統(tǒng)中的壓頭仍保持不變，而風(fēng)機(jī)的全壓已降低，于是，風(fēng)機(jī)完全停止向管路系統(tǒng)輸送氣體，并且為了保持風(fēng)機(jī)的全壓與管路的壓頭相平衡，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)便由K點(diǎn)迅速跳到第二象限內(nèi)的C點(diǎn)，此時(shí)，氣體開始倒流而出現(xiàn)負(fù)流量。由于倒流，管路系統(tǒng)中的壓頭迅速下降，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)則沿其全壓性能曲線由C點(diǎn)降至D點(diǎn)；如果管路系統(tǒng)中的壓頭下降到風(fēng)機(jī)零流量下的壓強(qiáng)，風(fēng)機(jī)又重新開始輸出流量，為了使風(fēng)機(jī)的全壓與管路系統(tǒng)中的壓頭相平衡，風(fēng)機(jī)就不可能繼續(xù)維持在D點(diǎn)運(yùn)行，而是迅速地由D點(diǎn)跳到E點(diǎn)；若管路系統(tǒng)的流星需求仍為qVM

，則此時(shí)風(fēng)機(jī)所提供的全壓遠(yuǎn)小于管路系統(tǒng)所需相應(yīng)流量下的壓頭，因此，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)將由E點(diǎn)滑向K點(diǎn)；此后，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行將會(huì)周而復(fù)始地按E、K、C、D、E各點(diǎn)重復(fù)循環(huán)；而其運(yùn)行工況點(diǎn)始終落不到M點(diǎn)上，這種不穩(wěn)定的運(yùn)行工況即為喘振現(xiàn)象。2021/5/913五、喘振

3.發(fā)生喘振的設(shè)備

發(fā)生喘振的設(shè)備主要有低比轉(zhuǎn)速的離心泵與風(fēng)機(jī)和軸流泵與風(fēng)機(jī)，離心式設(shè)備性能曲線如左圖所示，軸流式設(shè)備性能曲線如右圖所示。

2021/5/91401.06.2023目錄目錄上頁(yè)下頁(yè)封底封面五、喘振

4.防止喘振的措施

（1）使泵與風(fēng)機(jī)的流量恒大于qVK。如果系統(tǒng)中所需要的流量小于qVK

，可裝設(shè)再循環(huán)管或自動(dòng)排出閥門，使泵與風(fēng)機(jī)的排出流量恒大于qVK

。（2）如果管路性能曲線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可得到穩(wěn)定的運(yùn)行工況；通過(guò)風(fēng)機(jī)各種轉(zhuǎn)速下性能曲線中最高全壓點(diǎn)的相似拋物線，將風(fēng)機(jī)的性能曲線分割為兩部分，右邊為穩(wěn)定工況區(qū)，左邊為不穩(wěn)定工況區(qū)。（3）軸流式泵與風(fēng)機(jī)可采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)需要的流量減小時(shí)，則減小其動(dòng)葉安裝角，性能曲線下移，臨界點(diǎn)向左下方移動(dòng)；輸出流量也相應(yīng)變小，如圖3-33所示。（4）最根本的措施是盡量避免采用具有駝峰形性能曲線的泵與風(fēng)機(jī)，而應(yīng)采用性能曲線平直向下傾斜的泵與風(fēng)機(jī)。（5）在條件允許的情況下，可以采用增速節(jié)流的方法。2021/5/9155.旋轉(zhuǎn)脫流與喘振關(guān)系

五、喘振

（1）旋轉(zhuǎn)脫流與喘振現(xiàn)象是兩種不同的概念，旋轉(zhuǎn)脫流是葉片結(jié)構(gòu)特性造成的一種流體動(dòng)力現(xiàn)象，它的一些基本特性，例如脫流區(qū)的旋轉(zhuǎn)速度、脫流的起始點(diǎn)、消失點(diǎn)等，都有它自己的規(guī)律，不受泵與風(fēng)機(jī)管路系統(tǒng)的容量和形狀的影響。（2）喘振是泵與風(fēng)機(jī)性能與管路系統(tǒng)耦合后振蕩特性的一種表現(xiàn)形式，它的振幅、頻率等基本特性受泵與風(fēng)機(jī)管路系統(tǒng)容量的支配，其流量、全壓和軸功率的波動(dòng)是由不穩(wěn)定工況區(qū)造成的。但是，試驗(yàn)研究表明，喘振現(xiàn)象總是與葉道內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)脫流密切相關(guān)，而沖角的增大也與流量的減小有關(guān)。所以，在出現(xiàn)喘振的不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)必定會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫流。簡(jiǎn)言之，出現(xiàn)失速并不一定出現(xiàn)喘振，出現(xiàn)喘振一定已經(jīng)出現(xiàn)了失速；失速只屬于泵與風(fēng)機(jī)內(nèi)流特性，而喘振是泵與風(fēng)機(jī)內(nèi)外特性耦合結(jié)果，與出口管路特性有必然的聯(lián)系。

2021/5/916六、搶風(fēng)搶水

1.兩臺(tái)泵（或風(fēng)機(jī)）并聯(lián)，啟動(dòng)第一臺(tái)后，再啟動(dòng)第二臺(tái)時(shí)，為何有時(shí)第二臺(tái)泵無(wú)流量輸出？

當(dāng)泵(或風(fēng)機(jī))具有不穩(wěn)定上升段的性能曲線H—qV(或p—qV)時(shí)，有時(shí)臺(tái)出現(xiàn)不能順利并入的情況。設(shè)有兩臺(tái)同性能泵并聯(lián)，每臺(tái)泵的H—qV曲線如圖所示，則當(dāng)單臺(tái)泵的運(yùn)行工況點(diǎn)位于H—qV上的AB段時(shí)，因這兩臺(tái)泵的關(guān)死點(diǎn)(qV＝0)的揚(yáng)程HA低于單泵運(yùn)行工況點(diǎn)的揚(yáng)程.因此,在第一臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)再起動(dòng)第二臺(tái)泵，因第二臺(tái)泵的出口壓力低于其出口共用管路內(nèi)的壓力，就不能打開該泵出口的逆止閥，使得第二臺(tái)泵不能并入工作，而處于閥門全關(guān)下的空轉(zhuǎn)狀況，進(jìn)而可能引起泵內(nèi)汽蝕。2021/5/91701.06.2023目錄目錄上頁(yè)下頁(yè)封底封面六、搶風(fēng)搶水

2.并聯(lián)泵（或風(fēng)機(jī)）采用變速調(diào)節(jié)時(shí)，若其H-qV（或p-qV）曲線很平坦，則在變速時(shí)若不能保持各泵（風(fēng)機(jī)）的轉(zhuǎn)速一致，亦可能產(chǎn)生搶風(fēng)搶水。

2021/5/91860根蠟燭六、搶風(fēng)搶水

3.兩軸流泵（或風(fēng)機(jī)）并聯(lián)和管路有關(guān)

如圖，如果Ⅱ泵管路阻力較大，和Ⅰ泵管路比相差較多，單獨(dú)對(duì)Ⅱ泵而言，其管路落在不穩(wěn)定區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致Ⅱ泵和Ⅰ泵流量不一致，導(dǎo)致“搶風(fēng)”“搶水”。Ⅰ泵流量基本不變，Ⅱ泵流量波動(dòng)，這是一種“搶風(fēng)”“搶水”。②Ⅰ和Ⅱ兩泵阻力差不多，那兩泵一會(huì)Ⅰ流量大，一會(huì)Ⅱ流量大。（a）Ⅰ泵曲線（b）Ⅰ和Ⅱ兩相同性能泵布置圖圖兩相同軸流泵與風(fēng)機(jī)在不同管路阻力情況下的問(wèn)題分析圖

2021/5/91901.06.2023目錄目錄上頁(yè)下頁(yè)封底封面六、搶風(fēng)搶水

具有不穩(wěn)定上升段的H—qV或p—qV曲線的泵或風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，即使是并聯(lián)的泵或風(fēng)機(jī)性能完全相同，有時(shí)也可能出現(xiàn)一臺(tái)的流量很大，另一臺(tái)的流量卻很小的情形，這就是所謂的“搶水“或“搶風(fēng)”現(xiàn)象。

2021/5/920六、搶風(fēng)搶水

出現(xiàn)“搶水”或“搶風(fēng)”現(xiàn)象的原因是泵或風(fēng)機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)位于并聯(lián)性能曲線的不穩(wěn)定工況區(qū)。如圖所示為兩臺(tái)性能相同的軸流通風(fēng)機(jī)的p—qV性能曲線圖,因它是駝峰形的，因此用作并聯(lián)性能曲線的方法作出的并聯(lián)性能曲線(p—qV)并中,出現(xiàn)了一個(gè)∞字形的不穩(wěn)定工作區(qū),當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行工作點(diǎn)位于此不穩(wěn)定區(qū),就可能發(fā)生“搶風(fēng)”現(xiàn)象。如圖所示,當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)為M1時(shí)，相應(yīng)于每臺(tái)風(fēng)機(jī)均工作在E1點(diǎn),風(fēng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生“搶風(fēng)”現(xiàn)象。但在不穩(wěn)定的∞區(qū)運(yùn)行，管路性能曲線和風(fēng)機(jī)并聯(lián)性能曲線就有兩個(gè)交點(diǎn)、即有兩個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)M2和M3。這時(shí)若風(fēng)機(jī)實(shí)際上運(yùn)行在M2點(diǎn)，則相應(yīng)每臺(tái)風(fēng)機(jī)均工作在E2點(diǎn)，兩風(fēng)機(jī)流量相等，未出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象。但風(fēng)機(jī)不可能始終穩(wěn)定在M2點(diǎn)運(yùn)行，而往往在一些引