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上虞风机的旋转脱流与喘振

一、旋转脱流 上虞风机动叶片前后的压差,在其他都不变的情况下,其大小决定于叶片冲角的大小。在临界冲角值以内,上述压差大致与叶片的冲角成比例。不同的叶型有不同的临界冲角值. 叶型的冲角不超过其临界值时,气流沿叶片凸面平稳地流过。但是,一旦叶片的冲角超过其临界值,气流就会离开叶片凸面,发生边界层的分离,产生大区域的涡流,此时风机的全压下降。这种情况称为风机的失速现象。
1.旋转脱流的形成 若上虞风机的转速不变,在某二流量值下,气流轴向进入,叶片入口气流的相对速度为W),则叶片进口气流的冲角为i,如图3-13 (a)所示。当风机流量减小时,进口轴向速度降低为VI ),叶片进口的相对速度亦降低为创.,气流的冲角增大至i/,如图3-13 (b)所示。如果上虞风机流量再减小,则轴向进气速度下降至v即l,此时,相对速度下降为二,,1,而 运转中的上虞风机,由于动叶片加工时的误差,安装动叶片时角度的误差,以及气流的流向在叶轮入口不完全一致,所以当气流的冲角达到临界值附近时,可能会在某个或某些叶片上发生失速产生脱流。如图3-14所示。若在叶栅中的流道2及流道3发生失速,产生脱流,则脱流形成旋涡区,阻塞流道。原先流入流道2与流道3的气体只能分流至流道 1与4.分流的气体与原先流入流道1与4的气体汇合,就改变了原来流入流道的气流的方向.流入流道4的气流冲角减小。流入流道1的气流冲角增大.流道4由于气流冲角减小,所以叶片的非工作面(凸面)不会产生脱流;流道1由于气流的阻塞,原来流入流道1的气流分流至1左边及2, 3流道内。于是流道2及3内的气流从失速脱流状态回复至正常工作状态,流道1左边的流道内气流又产生失速脱流。但流道1左边流道的失速脱流,又导致它左邻的流道再发生脱流,同时流道1的气体流动得到改善。上述作用持续地进行,脱流现象造成的阻塞沿着与叶轮旋转相反方向移动.设叶轮的旋转角速度为。,失速脱流的旋转角速度为。.,实验表明,m.m。因此,在绝对运动中,就可观察到由一个或几个叶片组成的脱流区,以小于叶轮旋转的速度向着叶轮同一方向旋转,其角速度wo=w-UU.a 以上所述现象称为旋转脱流,或旋转失速。
在上虞风机的环形叶栅上。失速区数目少则一个,多则可达十多个。轮毅比小的叶轮. 叶片较长,旋转脱流一般发生在叶片的顶部;轮毅比大的叶轮,由于叶片较短,旋转脱流很快就扩展到整个叶片高度。
由于轮毅比较小,气流在叶片前缘的冲角沿叶片整个高度是不一致的。因此,旋转脱· 流发生时,一般总是在叶片的顶部,特殊情况下亦有在叶片根部产生的。在不稳定工况区,流量渐次减少时.局部脱流区可以从一个变为沿圆周均布的多个脱流区。脱流区的旋转速度一般是叶轮转速的40%^-85%,
叶片顶部局部区域的失速对风机运行影响不大,风机的性能曲线仍可是连续的,如图 3-15 (a)所示。图(a)中ag区
段为正常工作区域,过a点开始形成脱流,但ab区段是连续地向下弯。 轮毅比大,旋转脱流可能沿叶片的全长发生,但整个叶轮上只存在一个旋转脱流区,脱流区的范围达到轮周长度的1/3以上。环形叶栅一部分成为阻塞区,另一部分是气流通过区。
脱流沿叶片全长发生称为全长型旋转脱流,风机的性能曲线发生断裂,如图3-15 (b) 所示。 若轮毅比适中,叶片为中等长度.旋转脱流发生时,则先为局部扩展型,脱流区从一个分为几个。若流量继续
减小到某一程度时,脱流就转变为单一脱流区全长型,性能曲线也相应出现断裂状。 上虞风机qv-p性能曲线中,全压的峰值a点以左的不稳定区(图2-10),是旋转脱流区。从a点开始往小流量方向移动,旋转脱流从此开始发生,到流量等于零的整个区间,始终存在着旋转脱流.
旋转脱流的产生与叶片的结构、叶轮进口处气流状况有关,与外界管道条件无关.叶轮上出现旋转脱流,不论是局部型的或是全长型的,都呈现出‘’滞后”现象,即开始出现旋转脱流的流量与旋转脱流消失时的风机流量不相等,消失点的流量总要比开始点的流量大些。
2.旋转脱流对风机运行的影响 旋转脱流对风机性能的影响不一定很显著,虽然脱流区内的气流是不稳定的,但风机中流过的流量基本稳定,压力和功率亦基本稳定,所以风机在旋转脱流的情况下尚可维待运行。
旋转脱流造成的叶片附近压力波动,叶轮入口侧要比出口侧严重.脱流区域形成气流阻塞,叶片对气流的升压效应消失,气流还可能向叶片入口返回。即使如此,旋转脱流相当于风机内部的流体振动,从外部不易察觉。风机的运行人员,亦很难从感觉上判断风机是否发生旋转脱流。
但是,旋转脱流对上虞风机的安全运行毕竟是一个威胁。前面分析了叶栅流道发生旋转脱流时造成流道的堵塞,这样叶片前后的压力发生变化。在旋转脱流的情况下,脱流区依次经过每个叶片,就会使叶片受到一次激振。旋转脱流的频率t为 f=(0-4~0. 8)ni/60 (3-9) 式中i—叶轮上失速区的数量。 式((3-9)计算的频率,是旋转脱流的一阶频率,此外还有二阶、三阶的高阶频率. 倘若旋转脱流的频率,亦即激振力的频率等于或接近于叶片的固有振动频率时,则叶片将发生共振。共振时的交变应力有可能造成叶片断裂。旋转的叶轮,若有叶片断裂,则极有可能造成叶轮上的其他叶片亦被打断。
3.失速探针 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工作终究是一个威胁,所以一般大容量上虞风机都装有失速探针。图3-16所示为VARIAX型轴流风机的失速探针。失速探针由两根相隔约3mm的测压管3, 4组成,将它置于叶轮叶片的进口前。测压管3与4中间用厚3mm、高(突出机壳的距离)3mm的隔片5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箱沿轴向流入,那么测 压管6与7的压力差几乎近于零,或者略大于零约98. 06Pa多一些,如图3-17 所示的ga曲线。图中dp为两测压管的压力差.
当风机的工作点落入旋转脱流区,叶轮进口前的气流除了轴向流动外,还具有脱流区流道阻塞造成气流的圆周方向分流。于是,叶轮旋转时先遇到的测压孔3,即隔片前的测压孔压力高,隔片后的测压孔4的气流压力低,产生压力差。一般失速探针产生的压力差达 245. 15--392. 24Pa,即报警。风机的流量越小,失速探针的压力差越大,如图 3-17中的abc.由失速探针产生的压差发出信号,然后由测压管6, 7接通压力差开关(继电器),压力差开关把报替电路系统接通发出铃报,使操作人员及时采取排除旋转脱流的措施。
失速探针装好之后,应该标定一下。调正探针中心线的角度,使测压管6, 7 在风机正常运转时的压差为最小。
图3-18为TLT公司上虞风机的失速探针。图示的探针为毕托管,管口对着叶轮的旋转方向,并装置在叶轮进口前。风机在正常工况时.失速探针测得的压力为负值,如图3-17 中的g'a'。风机进入失速区运行.失速探针测得的压力为正值,如图3-17中的a'b'c'曲线所示。图3-18的失速探针,同样在使用前需要标定一下.

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