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1、,火力发电厂泵与风机不稳定流动分析,华北电力大学 能源与动力工程学院 贾瑞宣,失速、喘振和抢风抢水,一、前言.04,二、边界层理论.05,三、边界层分离和脱流.07,五、喘振.12,六、抢风抢水.17,七、比较.23,四、旋转脱流或旋转失速.10,目录,2023/8/16,目录,目录,上页,下页,封底,封面,火力发电厂泵与风机不稳定流动分析,在火力发电厂中，泵与风机是重要的流体输送设备，然而在实际运行过程中，经常会出现各类不稳定运行情况，比如失速、喘振和抢风，但这这三类不稳定运行情况不容易区分，因而在采取处置对策时经常无从下手，本课件从理论上对上述三种不稳定情况进行了界定，并给出了应采取的相应
2、措施。,在火力发电厂中，泵与风机的安全稳定运行对于系统的安全经济性有重要的影响。但在实际运行过程中，可能出现失速、喘振、抢风抢水等现象，这些现象一般不容易区分，它们和泵的内流理论以及管路特性有关，本文本文从理论上对上述三种不稳定情况进行了界定，并给出了应采取的相应措施。,一、前言,1.机翼理论的应用 传统上二维机翼或叶栅的性能资料只应用于轴流式泵与风机，但是最近的研究显示，它们也同样能应用于离心式和混流式泵与风机。,二、边界层理论,2.边界层的基本概念 叶轮机械叶轮流道内流体的线速度一般比较高，从而雷诺数比较大。流体流过流道时，可以看作是流体绕流叶片，叶片一般都作成机翼形状，因此完全可以利用流
3、体绕流机翼的相关理论来分析叶轮内流情况。在紧靠物体表面的薄层内，流速将由物体表面上的零值迅速地增加到与来流速度相同数量级的薄层称为边界层。,二、边界层理论,三、边界层分离和脱流,冲角的概念以及冲角和流量之间的关系,流体进入叶道或绕流机翼时，相对速度或绕流速度的方向和叶片进口切线之间的夹角称为冲角，用表示，如图所示。当流量等于设计流量时，流体沿叶片切线方向流入，即1=1y，此时冲角=0，不存在冲击损失；当流量小于设计流量时，1y1，则=1y10，称为正冲角；当流量小于设计流量时，1y1，则=1y10，称为负冲角。在机翼理论中，一般用表示冲角。,（a）正冲角,（b）负冲角,流体经过机翼翼型（或叶片
4、叶型）的流动如图所示，以和p表示无穷远处流体流动所具有的速度和压强。流体绕过翼型前驻点后，沿上表面的流速先增加，一直增加到曲面上某一点M，然后降低。粘性流体在压强降低区域内流动（加速流动）时，不会出现边界层分离，只有在压强升高区内流动（减速流动）时，才有可能出现分离，形成旋涡。尤其在主流的减速足够大的情况下，边界层的分离就一定会发生。减速升压区的减速程度和过流表面的曲率有关，曲率越大，越容易边界层分离，因此，为了防止边界层分离，一般将绕流物体作成圆头尖尾的所谓流线型物体（如叶片叶型和机翼翼型）。,2023/8/16,目录,目录,上页,下页,封底,封面,三、边界层分离和脱流,2.曲面边界层的分离
5、现象,图 叶片的正常工况和脱流工况,三、边界层分离和脱流,3.机翼绕流的脱流与失速,泵与风机进入不稳定工况区运行，其叶片上将产生旋转脱流，可能使叶片发生共振，造成叶片疲劳断裂。现以轴流式风机为例说明旋转脱流及其引起的振动。当风机处于正常工况运行时。冲角等于零或小于临界冲角，随着冲角的增大，在叶片后缘点附近产生旋涡，而且气流开始从上表面分离。当冲角超过某一临界值时，气流在叶片背部的流动遭到破坏，升力减小，阻力却急剧增加，这种现象称为“脱流”或“失速”。如果脱流现象发生在风机的叶道内，则脱流将对叶道造成阻塞，使叶道内的阻力增大，同时风压也随之而迅速降低。,2023/8/16,目录,目录,上页,下页
6、,封底,封面,四、旋转脱流或旋转失速,风机的叶片由于加工及安装等原因不可能有完全相同的形状和安装角，同时流体的来流流向也不会完全均匀，因此，当运行工况变化而使流动方向发生偏离时，在各个叶片进口的冲角就不可能完全相同。随着流量的减小，如果某一个叶片进口处的冲角达到临界值时，就首先在该叶片上发生脱流，而不会所有叶片都同时发生脱流。在图中，假设在叶道2首先由于脱流而出现气流阻塞现象，叶道受阻塞后，通过的流量减少，在该叶道前形成低速停滞区，于是原来进入叶道2的气流只能分流进入叶道1和叶道3。这两股分流来的气流又与原来进入叶道1和叶道3的气流汇合，从而改变了原来进入叶道1和叶道3的气流方向，使流入叶道1
7、的气流冲角减小，而流入叶道3的冲角增大。因此分流的结果，将使叶道1下部叶片的绕流情况有所改善，脱流的可能性减少，甚至消失；而叶道3下部叶片却因冲角增大而促使其发生脱流。叶道3发生脱流后又形成阻塞，使叶道3前的气流发生分流，其结果又促使叶道4内发生脱流和阻塞。这种现象继续下去，使脱流现象造成的阻塞区域沿着与叶轮旋转相反的方向移动。此种现象称之为旋转脱流或旋转失速。,2023/8/16,目录,目录,上页,下页,封底,封面,四、旋转脱流或旋转失速,从前面的分析可以看出，旋转脱流或旋转失速属于流体绕流叶片或叶轮的流体动力特性范畴，它受到叶片形状、流量、加工等影响，具体而言，为了避免失速发生，有以下几个
8、措施：第一、采用机翼型叶片，使叶片后部曲率较小；第二、在设计流量附近运行；第三、提高叶轮的加工精度。,2023/8/16,目录,目录,上页,下页,封底,封面,五、喘振,喘振的概念,若具有驼蜂形性能曲线的泵与风机在不稳定区域内运行，而管路系统中的容量又很大时，则泵与风机的流量、压头和轴功率会在瞬间内发生很大的周期性波动，引起剧烈的振动和噪声，这种现象称为喘振或飞动现象，如图所示。,图 风机在大容量管露系统中运行的示意图,五、喘振,2.喘振过程 如图所示，当风机启动后，如果用户所需的流量为qVA，此时风机与管路系统处于能量平衡状态，相应的运行工况点为A，风机运行是稳定的。当用户所需要的流量逐渐减少
9、，即运行工况点由A沿全压性能曲线向左上方移动至K点时，风机运行仍然是稳定的，其中K点为临界点。当用户所需要的流量继续减少为qVM时，风机所产生的全压将小于管路系统的压头，团为管路系统容量较大，在此瞬间管路系统中的压头仍保持不变，而风机的全压已降低，于是，风机完全停止向管路系统输送气体，并且为了保持风机的全压与管路的压头相平衡，风机的运行工况点便由K点迅速跳到第二象限内的C点，此时，气体开始倒流而出现负流量。由于倒流，管路系统中的压头迅速下降，风机的运行工况点则沿其全压性能曲线由C点降至D点；如果管路系统中的压头下降到风机零流量下的压强，风机又重新开始输出流量，为了使风机的全压与管路系统中的压头
10、相平衡，风机就不可能继续维持在D点运行，而是迅速地由D点跳到E点；若管路系统的流星需求仍为qVM，则此时风机所提供的全压远小于管路系统所需相应流量下的压头，因此，风机的运行工况点将由E点滑向K点；此后，风机的运行将会周而复始地按E、K、C、D、E各点重复循环；而其运行工况点始终落不到M点上，这种不稳定的运行工况即为喘振现象。,五、喘振,3.发生喘振的设备,发生喘振的设备主要有低比转速的离心泵与风机和轴流泵与风机，离心式设备性能曲线如左图所示，轴流式设备性能曲线如右图所示。,2023/8/16,目录,目录,上页,下页,封底,封面,五、喘振,4.防止喘振的措施,（1）使泵与风机的流量恒大于qVK。
11、如果系统中所需要的流量小于qVK，可装设再循环管或自动排出阀门，使泵与风机的排出流量恒大于qVK。（2）如果管路性能曲线不通过坐标原点，改变风机的转速，也可得到稳定的运行工况；通过风机各种转速下性能曲线中最高全压点的相似抛物线，将风机的性能曲线分割为两部分，右边为稳定工况区，左边为不稳定工况区。（3）轴流式泵与风机可采用动叶调节。当系统需要的流量减小时，则减小其动叶安装角，性能曲线下移，临界点向左下方移动；输出流量也相应变小，如图3-33所示。（4）最根本的措施是尽量避免采用具有驼峰形性能曲线的泵与风机，而应采用性能曲线平直向下倾斜的泵与风机。（5）在条件允许的情况下，可以采用增速节流的方法。
12、,5.旋转脱流与喘振关系,五、喘振,（1）旋转脱流与喘振现象是两种不同的概念，旋转脱流是叶片结构特性造成的一种流体动力现象，它的一些基本特性，例如脱流区的旋转速度、脱流的起始点、消失点等，都有它自己的规律，不受泵与风机管路系统的容量和形状的影响。（2）喘振是泵与风机性能与管路系统耦合后振荡特性的一种表现形式，它的振幅、频率等基本特性受泵与风机管路系统容量的支配，其流量、全压和轴功率的波动是由不稳定工况区造成的。但是，试验研究表明，喘振现象总是与叶道内气流的旋转脱流密切相关，而冲角的增大也与流量的减小有关。所以，在出现喘振的不稳定工况区内必定会出现旋转脱流。简言之，出现失速并不一定出现喘振，出现
13、喘振一定已经出现了失速；失速只属于泵与风机内流特性，而喘振是泵与风机内外特性耦合结果，与出口管路特性有必然的联系。,六、抢风抢水,1.两台泵（或风机）并联，启动第一台后，再启动第二台时，为何有时第二台泵无流量输出？,当泵(或风机)具有不稳定上升段的性能曲线HqV(或pqV)时，有时台出现不能顺利并入的情况。设有两台同性能泵并联，每台泵的HqV曲线如图所示，则当单台泵的运行工况点位于HqV上的AB段时，因这两台泵的关死点(qV0)的扬程HA低于单泵运行工况点的扬程.因此,在第一台泵运行时再起动第二台泵，因第二台泵的出口压力低于其出口共用管路内的压力，就不能打开该泵出口的逆止阀，使得第二台泵不能并
14、入工作，而处于阀门全关下的空转状况，进而可能引起泵内汽蚀。,2023/8/16,目录,目录,上页,下页,封底,封面,六、抢风抢水,2.并联泵（或风机）采用变速调节时，若其H-qV（或p-qV）曲线很平坦，则在变速时若不能保持各泵（风机）的转速一致，亦可能产生抢风抢水。,60根蜡烛,六、抢风抢水,3.两轴流泵（或风机）并联和管路有关,如图，如果泵管路阻力较大，和泵管路比相差较多，单独对泵而言，其管路落在不稳定区域，会导致泵和泵流量不一致，导致“抢风”“抢水”。泵流量基本不变，泵流量波动，这是一种“抢风”“抢水”。,和两泵阻力差不多，那两泵一会流量大，一会流量大。,（a）泵曲线,（b）和两相同性能
15、泵布置图,图 两相同轴流泵与风机在不同管路阻力情况下的问题分析图,2023/8/16,目录,目录,上页,下页,封底,封面,六、抢风抢水,具有不稳定上升段的HqV或pqV曲线的泵或风机并联运行时，即使是并联的泵或风机性能完全相同，有时也可能出现一台的流量很大，另一台的流量却很小的情形，这就是所谓的“抢水“或“抢风”现象。,六、抢风抢水,出现“抢水”或“抢风”现象的原因是泵或风机的并联运行工况点位于并联性能曲线的不稳定工况区。如图所示为两台性能相同的轴流通风机的pqV性能曲线图,因它是驼峰形的，因此用作并联性能曲线的方法作出的并联性能曲线(pqV)并中,出现了一个字形的不稳定工作区,当并联运行工作
16、点位于此不稳定区,就可能发生“抢风”现象。如图所示,当并联运行工况点为M1时，相应于每台风机均工作在E1点,风机运行在稳定区，不会产生“抢风”现象。但在不稳定的区运行，管路性能曲线和风机并联性能曲线就有两个交点、即有两个运行工况点M2和M3。这时若风机实际上运行在M2点，则相应每台风机均工作在E2点，两风机流量相等，未出现“抢风”现象。但风机不可能始终稳定在M2点运行，而往往在一些引起风量及风压波动的偶然因素作用下移到M3点，这时相应于每台风机来说，分别工作在E3及E3a点，即风量大的这台风机工作在稳定区的E3点，而风量小的风机则工作在不稳定区的E3a点。由于风机工作在不稳定区，所以上述的暂时
17、平衡状态随时有被破坏的可能，即导致两台风机工作点的互相倒换。这过程的反复出现即是“抢风”现象。,六、抢风抢水,4.“抢风”“抢水”特性分析,“抢风”“抢水”肯定是发生在并联管路中，无论是离心式还是轴流式泵与风机，都有可能出现，但它们出现的机理不一样，主要是两并联泵的速度差或阻力差造成的。对于低比转速离心泵，亦可能是由于运行工况点高于关死点造成。“抢风”“抢水”时不一定喘振，和管路情况有关。只有发生在不稳定工作区的“抢风”“抢水”才可能是喘振。泵或风机并联运行时产生“抢水”或“抢风”现象，不但影响正常运行，还可能引起振动、泵内汽蚀、电动机过载等。,七、比较,在现时应用中，失速、喘振和“抢风”“抢水”这些现象不容易区分，但我们可以通过一些仪表的参数变动帮助判断。1.非并联管路，单泵比较失速和喘振，主要看管路系统仪表波动。2.并联比较抢风抢水和喘振，看并联支路和并联总管路参数变化。,
