摘要：對采用進口導流器調節(jié)的離心通風機的旋轉失速問題進行了試驗研究，并借助諧波小波對旋轉失速的頻率、幅值特性及動態(tài)過程進行了時頻分析和特征提取，揭示了旋轉失速發(fā)展的規(guī)律及對風機性能的影響。

關鍵詞：離心式通風機  旋轉失速

1  引言

    在實際應用中離心通風機的內(nèi)部流動情況十分復雜，目前很難用純理論的方法精確地計算出其各流通部分的流動情況以及流動損失。特別是當離心通風機在部分負荷下運行時，會出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)流，伴隨著非穩(wěn)態(tài)流的發(fā)生過程，風機性能明顯降低，壓力脈沖幅值明顯增加，頻率減小，且脈動頻率為低頻。鑒于與葉片的固有頻率有倍數(shù)關系，非穩(wěn)態(tài)流會對風機葉輪、葉片以及系統(tǒng)管道產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)空氣動力激振，對葉片機械的性能和壽命造成極為嚴重的影響，從而導致管道和轉子的裂紋。其中旋轉失速就是非穩(wěn)態(tài)流之一，而旋轉失速與風機的內(nèi)流特性密切相關，本文將借助先進的信號分析手段對其進行特征分析。

2  旋轉失速的形成

    通風機的工作狀態(tài)是由進口壓力、進氣溫度、轉速和流量決定的，設計工況下，通風機內(nèi)部氣體流向合理，流速穩(wěn)定。在機器運行中，如果離心通風機進口導流板開度調節(jié)不當或葉輪流道、氣流流道、濾清器等阻塞，將會導致實際流量小于設計流量。進入葉輪的氣流方向發(fā)生變化，氣流向著葉片的工作面沖擊，從而在葉片的非工作面附近形成氣流漩渦或氣體脫流團，又因進入通風機的氣流在各個流道中的分配并不是很均勻，氣流漩渦多少也有區(qū)別。假設流道產(chǎn)生氣體脫流團，則脫流團的氣體占據(jù)了流道的一部分空間，使流道截面減小，于是，流經(jīng)該流道的氣體流量也相應地減少，使多余氣體擠向相鄰的流道，從而使第一流道的流入角增大、沖角減小，改善了該流道的氣體流動狀況；而第二流道的流入角減小，沖角增大，造成該流道的氣流失速。同時，第三流道的氣體脫流團又改善了第二流道的氣流狀況，從而加劇了第四流道的氣流失速。以此類推，氣體脫流團依次循環(huán)發(fā)生，在葉輪內(nèi)形成旋轉失速（或稱旋轉脫離），其運動方向與葉輪旋轉方向相反。

    旋轉失速在葉輪間產(chǎn)生的壓力激振是激勵轉子發(fā)生異常振動的激振力，圖1顯示了當發(fā)生旋轉失速時，風機出口氣流全壓p是時間t的函數(shù)，從圖中可以看出，全壓p的變化規(guī)律，曲線上升時間要比下降的時間長，其形狀像鋸齒形，包含著高次諧波。在失速的環(huán)境中，將形成壓力峰，葉輪和導流器出口在旋轉失速發(fā)生時會引起氣流壓力脈動，脈動壓力傳輸?shù)焦艿郎?，引起管道?nèi)氣流壓力脈動。

圖1  旋轉失速氣流壓力振動

         圖2 壓力數(shù)與入射角的關系

    在穩(wěn)定狀態(tài)下壓力系數(shù) 和入射角λ之間的關系如圖2所示。當入射角大于一定值，有一個區(qū)域壓力系數(shù)呈梯度下降；如果振動發(fā)生在流場中葉片處，入射角改變，這時空氣動力則呈循環(huán)變化。當壓力系數(shù)的梯度為正時，這相當于空氣動力對葉片作用反向力，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當壓力系數(shù)梯度為負時，這相當于空氣動力對葉片做正功，失速擾動便出現(xiàn)了。

    根據(jù)目前的研究看出，旋轉失速的機理和特征明顯不同于喘振和入口渦流，其基本特征是：

（1）由于葉輪的每個通道逐次發(fā)生失速從而使內(nèi)部氣流減速，這樣就打破了葉輪壓力的軸向對稱。由于旋轉失速內(nèi)部原因達不到壓力要求，在葉輪出口和管道處產(chǎn)生壓力脈動，導致管道和機器振動。

（2）旋轉失速產(chǎn)生的基頻，葉輪失速在0.5～0.8旋轉頻率范圍內(nèi)，導流器失速在0.1～0.25轉頻范圍內(nèi)。在振動頻率上，不同于低頻喘振，也不同于高頻帶的非穩(wěn)定進口渦流，因此這種故障可以通過振動診斷技術辨識。

（3）旋轉失速產(chǎn)生的振動要比喘振產(chǎn)生的振動少，但是比非穩(wěn)態(tài)進口渦流要強烈得多。

    另外，由旋轉失速引起的振動也有別于其他機械振動引起的振動，由于轉子的不平衡、不對中等故障引起的轉子振動幅度要更大，但不會引起機殼和管道的振動。氣流激振引起的振動不同于這一狀態(tài)，盡管測量到的由旋轉失速引起的轉子振動不是很強烈，但機殼和管道（通常是出口管道）卻呈現(xiàn)出嚴重的振動。

    旋轉失速是葉輪導流器區(qū)域的一種非穩(wěn)態(tài)流動，對于渦輪流體機械而言，旋轉失速是一種特殊現(xiàn)象。引起旋轉失速的主要原因有以下幾個方面：

（1） 機器的各級流道設計不匹配；

（2） 葉輪流道或氣流流道堵塞，濾清器堵塞；

（3） 流量調節(jié)不當；

（4） 流道結垢等。

3  旋轉失速特征及對風機性能的影響

（1）離心通風機旋轉失速發(fā)展過程分3個階段，即正常運行階段、弱失速階段、強失速階段；5個狀態(tài)，即未失速狀態(tài)、弱失速初始狀態(tài)、弱失速發(fā)展狀態(tài)、強失速狀態(tài)、強失速后發(fā)展狀態(tài)。弱失速初始狀態(tài)是旋轉失速的重要狀態(tài)。它的出現(xiàn)為旋轉失速提供了一個先兆信號，弱失速階段是旋轉失速的重要階段，弱失速階段對應的流量變化范圍很小，但失速發(fā)展很快在這一區(qū)域呈現(xiàn)失速頻率能量的間歇現(xiàn)象，弱失速的出現(xiàn)延緩了風機性能曲線的變化梯度。

（2）旋轉失速出現(xiàn)在低頻率范圍，容易對葉輪、系統(tǒng)葉片和管道產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)空氣動力激振，對離心通風機的性能和壽命造成嚴重的影響。

（3）失速發(fā)展?jié)u進過程中，風機性能呈現(xiàn)明顯的連續(xù)性，這一點與軸流通風機明顯不同。

（4）離心通風機的失速邊界線與最高效率線比較接近。

（5）旋轉失速頻率成分的脈動幅度在進入弱失速區(qū)域后急劇增大，達到最大值后緩慢減小。

（6）導流器調節(jié)量對旋轉失速頻率的影響較小，隨著導流器調節(jié)量的增大，失速頻率小幅度增長。對應每個開度下，失速頻率與流量成斜率極小的線性關系；在小流量的情況下，失速頻率會出現(xiàn)頻率階躍現(xiàn)象。

（7）在采用進口導流器調節(jié)的離心通風機中，隨著導流器調節(jié)量的增大，進口渦流頻率明顯增大，對旋轉失速的延緩作用明顯加強。

參  考  文  獻

[1] 閆慶跋，等.離心風機入口旋流的研究.太原理工大學學報，1991（2）.

[2] 程曉彬，聶超群，陳靜宜.軸流壓氣機旋轉失速先兆過程中的頻率階躍現(xiàn)象.工程熱物理學報，1999，20（6）