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ED-600 风机的喘振、失速和不稳定性 简介 风机系统用户想要体验一稳定而连续的空气流。在这种理想情况下，由风机建立起来的压力是恒定的。一次单一的对风量的瞬间量测会经过很长时间都仍有效。 图1Figure 1显示一理想系统得风量。图2至图5显示了随着时间变化的几个条件情况。 图1Figure 1 理想流 图2Figure 2 典型流 图3Figure 3 失速情况 图4Figure 4 喘振情况 图5Figure 5 双稳流情况 那些参与风量量测的人员知道理想流的情况并不常见到。每个风量量测点通常用平均10秒钟或更长一点的时间以取得精确的读数。风量和压力读数短时间变动10%是很常见的。然而，风机如果不恰当选型或应用的话，能产生的变动会远大于此。情况可变得严重到让通过风机的气流在正向与反向气流从入口流出之间振荡每分钟许多次。见图4。 风量与压力的变动不仅让量测风量更困难，而且能制造一些问题： 1. 噪音急遽增高。 2. 振动增大。 3. 由部件的连续性加载和卸载而引起的结构疲劳损坏风机。 4. 损坏管道和其它系统部件。 5. 由于不稳定的风量及/或传播的振动，风机系统的干扰让风机的运行偏离其预期的任务。了解造成不稳定风量的原因，有助于避免问题的发生。因为有些原因很复杂，已引起研究者们的兴趣，但是，对于确切的原因究竟是什么，到现在还没有达成一致的结论。从他们的研究中，我们能够学习倾向正常性能的条件以及避开不正常的情况。 不稳定流的系统可能神秘地运行，在描述此现象时，常用的和误用的复杂术语是所在都有的。结果是少有权威性参考材料可用来作为诊断的指南。我们将探讨某些更常见的术语和问题。 失速 伸长的物体譬如风机叶片，当通过空气流时，会使空气流偏斜。假如我们改变相对于流动方向的物体方向，我们能够增加或减少空气偏斜的量。如果我们渐进地增大风机叶片的攻角，它会增大偏斜量。就是这样的方向和相对速度改变，让风机产生了压力。假如攻角变得太厉害的话，那么空气将不再会一致地沿着叶片表面流过。偏斜量与所产生的压力会停止增加，而且通常会滑落。这就叫做失速点。图6显示一在失速区域有着大幅凹陷的风机的曲线。 在风机中，叶片通常以恒定速度运行，所以，改变攻角，风机所附属的系统必须加以改变。较大的风量通过入口使攻角增加，而较小的风量使其变小；因此，假如一风机运行失速的话，那是因为它的风量对它来说太小了。对一已知系统来说，那是因为风机选得太大了使得空气速度在风机中太小了。 图6Figure 6 曲线显示失速区域中的凹陷 在某些风机中，跨越整个叶片宽度，其攻角并不是一致的。这些通常不是最好效率的风机，虽然失速并不严重因为只有部份叶片在任一风量时成失速状态。有人说径向叶片离心风机始终都在失速状态，因为它的叶片方向性速度与趋近空气的方向性速度之间，匹配很差。这在本质上是真实的。然而，这些型式的风机在很低风量时，其时间变动的风量性能极差，因为内部损失为失速所主导，而压力在这一点上会掉下来。 一风机运行在失速点或靠近失速点，通常会严重增大其噪音。某些风机听起来几乎像是叶轮被一固体对象撞击了锤击。纯失速倾向有一随机频率，但是有些特例中，纯频率会产生。这会在以后加以探讨。 失速下的风机，有一时间变动特性的风量，然而，这通常并不是关切的主要原因。它所产生的增大了的噪音会是一大问题，但是这也经常能够好好处理的。运行在失速下的风机的最主要关注点是机械性损坏的潜力。那些曾经搭飞机有颠簸经验的人们，会对空气动力震波撞球能够严重到多大程度，有着深刻感受的。 一连续运行在失速状态的风机能够支撑结构性的金属疲劳。这对于有着修长叶片或由金属薄片制成叶片的轴流式风机尤为真切。离心式风机较不易受此损害，为相对高压但运行在极低压力小于1吋静压而设计的离心风机，由于其已经连续运行在失速区域，历经许多年而不会损坏，这是众所周知的。 风机运行在失速区域有另外一项缺点，即其风机效率低于最佳工况。一较小的风机成本较低，而且其运行成本较少，它也将很可能比较大的风机更耐久。 转动式失速 这是失速的一种特殊例子，它通常只发生在高效率的后倾式离心风机。大多数观察者也有报导说这牵涉到入口叶片。这些风机被一帮助风机产生压力的涡壳所包住，围绕风机叶轮周围的压力随着距风机出口多近而变动在出口处的压力是最高的；这些风机有多片叶片，典型的叶片数目是9到12。 我们将叶片间的通道称为格子。通过每个格子的风量能够变动，因为围绕其周围的压力在变动。在靠近失速点的条件下，可能的情况是大多数格子中有正常的正向流，而只有一个或两个格子有反向流。倒喷通过这些格子的空气无处可去，因此，它进入邻近的格子中，并使已通过该格子的空气产生偏斜，此时攻角的这种改变迫使格子失速，然后有反向流传递着空气泡，围绕着风机叶轮，一直继续下去。 多数研究者已经报导过，这种转动式失速的运动频率发生在大约是风机转速的三分之二。某些人曾观察到两个运动格子同时产生一三分之四RPM的频率。还有其它报导指出，转动式失速范围起自运行频率的2/3到超过90%，这频率在量测噪音和振动这两者时都会出现，但是它通常是由于对噪音的投诉而被发现的。 喘振 若干年前，有一篇有关一谷物干燥系统的报导，该系统加压几个大型谷仓。它在靠近一大型离心风机的入口处利用了一燃烧器段，此系统周期性地会从燃烧器入口倒喷发出火来，这很可能是一系统喘振的严重案例。 一喘振的风机所产生的噪音通常被观察者描述为嘶嘶声或呼呼声。必须满足下列几个条件才会有喘振： 1. 必须要有一相当大并且受压的风量譬如谷仓或一大的腔室。 2. 必须要有一段具相当高的流速的管道。 3. 系统的运行点位于压力峰值的左侧于较低的风量，在此区域内的风机曲线有一正向斜率，于是增大了风量时也增高了风机静压。 在概念上，一在喘振中的系统就像一振荡器。传递到空气中的能量，在产生动能管道中的高流速和势能压缩腔室中的空气之间交替地出现。风机曲线上的正向斜率让这样的大幅扩大的振荡得以发生。在极端条件下，空气能暂时反吹并通过入口。 在一固定系统中，喘振的频率是恒定的，通常其频率低得足以让你为其数周波数，因为它是蛮大声的。最严重的报导发生在低于300 cpm周波/分钟的频率条件下。一研究员曾报导说这种效应似乎在高于450cpm的频率条件时就消失了。 简单系统的喘振的频率能够计算出来： 频率Hz = 175 * 管道面积 / 腔室容积 * 管道长度1/2 注： 所有单位保持用ft呎 如希望了解更进一步的信息，搜寻关键词亥姆霍兹共振器 Helmholtz Resonator。 摆振或波动 有些人把这个名词用到任何随时间而变动的风量。然而，这个名词的恰当用法应该是在一阻尼控制下的回路中。在变容积系统中，传感器用来提供控制着风门、叶片、速度控制或其它设定风量的方法等的相关信息。假如控制系统响应得太快的话，它会变得矫枉过正而需要朝另一方向重新调整。在极端条件下，一系统可能会连续地、来来回回地摆振波动着。 稳定性与双-稳定流 稳定性指的是一系统暂时被移位而又重回到其未移位时的位置的相关能力。一块竖着平衡的硬币是不稳定的，而一铜板静止在一平面上则是稳定的。有些风机在所有风量条件下都是不稳定的。在做空气测试时，走过一大型离心风机的入口千万不要这样尝试！，造成风量减少超过15%。此风机继续运行在较低的风量，直到测试重新开始。 藉由执行两项测试，我们能够确定一风机的稳定性。在一测试中，我们以全风量自由输送开始，并一边逐渐增加更大阻力，一边量测其风量与压力。在第二项测试中，我们从关断条件下开始，而逐渐减少阻力。我们现在有了两种风量压力风机曲线。假如它们俩不重合的话，那么我们就有了一不稳定区域。图7显示了一带有这种特性的风机曲线样本。因为任何系统都只有两种可能的条件，这就叫做双-稳定流。 图7Figure 7 双 稳定流 虽然噪音在两种风量条件之间变动，但是没有哪一种是会令人不快的。假如风机是额定在高风量条件下，并且到较低的风量条件下的话，则损失掉的风量会变成一大问题。双-稳定流已在后倾式离心风机中观察到了，通常在性能靠近自由输送之处，而且几乎永远是在风量高于发生最佳效率的风量处。 平流的运行 两台或多台风机的并联运行是相当常见的。在两台风机的系统中，每台风机以设计风量的一半做选型。在曲线上失速区域有一大凹陷的风机有另外一种型式的问题，导叶轴流风机与前弯式离心风机是有着大凹陷的风机中的两种。 平流系统存在的问题会在起动顺序方面出现。假如风机选型都是恰当的，而且同时起动，就不会有问题。然而，如果是先起动一台的话，那么第二台风机在速度正值提速时，就已经承受到背压了。而在全速时，会出现这样一种情况，一台风机在峰值静压点的右侧风量条件下运行，而另一台风机则被截留在该峰值点的左侧。 持怀疑观点者不会认为这是可能发生的，因此举一个例子，一台为7000CFM4”SP而选型的风机，由于空间的严厉限制，所以选用了两台18”直径的导叶轴流风机并联运行；参看图8(B)，我们能看到每台风机要输送3500CFM。 图8Figure 8 两台相同但不均担载荷的风机 熟悉这个系统者会认识此系统曲线为一抛物线，其方程式为： SP = CFM2 常数 对此系统，得到下式： 4 = 70002 常数 或常数 = 49,000,000 4 = 12,250,000 将此抛物线划到我们的风机曲线上，我们能够定出，只有一台风机运行的系统会是个什么情况。#1号风机运行时，我们能看到在1.8”A静压条件下得出大概是4750CFM的风量。 在这点上，空气流会倒流通过#2号风机，除非我们止住泄漏。通常，重载逆行气流式风门被用到这里，当起动#2号风机时，它是无法送出风量的，要等到达到一速度，致使其在关断条件下的压力超过了它所承受来自#1号风机的背压，当速度继续增大，空气流最终会到达D点，于此同时，压力风机#1继续增压直到它到达C点。 然后我们取得最终的条件： #1号风机在3.50”静压下输送3800CFM风量 #2号风机在3.50”静压下输送2750CFM风量 由系统曲线的方程式： 2750 + 38002 12,250,000 = 3.50” 因为风量两台风机之总和与压力的读数都是在系统曲线上的，所以系统是满意的。 #1号风机是满意的，因为C点是在系统曲线上的。 #2号风机的情况则是有点混杂的，由于C点在系统曲线上而是满意的，但是又因被截留在失速区域而无法满意。 假如这些是你的风机的话，你可能会不高兴，因为： 1. 总风量才6550CFM，而不是所预期的7000CFM。 2. #2号风机很可能非常吵噪音大。 3. #2号风机由于运行于失速区域而易于受到损坏。 这个例子说明了让两台一模一样的风机不同等分担载荷的运行情况是可能的。假如两台不一样的风机并联运行的话，就存在更严重的问题。多年前，我们收到一客户关于两台风机并联运行方面的投诉。在安装第二台较大风机，使其与一较小的风机并联运行之后，发现其合并风量并不是所预期的量；经量测后发现，第二台风机自身要比第一台在风机曲线上的任何一点上能够产生更高压力；原来的第一台风机则完全被压倒了，而空气流从其入口倒吹出来；客户接受建议去关掉原来的第一台风机节约功率，并将通往原来风机的管道支管劳劳地挡住堵住泄漏。由此我们上了下面的两课： 1. 不要将两台不一样风机掺和在一起或让两台一模一样的风机但在不同速度下运行并联运行。 2. 假如在一恒定系统里需要更大的风量，则增加风机的压力能力或添加一台风机成串联运行。 有关避开问题发生的小建议贴士 1. 风机不选得太大。有些人想选较大的风机会让他们拥有一额外的安全系数，万一系统被算错了的话；这样就会让你处在风机曲线上不想要的部份，而面临失速和喘振的发生；你最好选择一较高等级的风机，以便在万一系统计算不正确时，能够使风机提速。 2. 离心式风机能被设计成具有宽度窄的结构，以帮助避开失速；比较一下图9与图10，可以知道减小风机宽度不但有助于避开失速，也能够减少功耗BHP或KW，是怎样的情况。 3. 在可调距轴流风机，减小叶片角度与增大速度，能够帮助避开失速；比较一下图11与图12，运行点从失速点移开，而藉由改变叶片角度从45减到35而降低其功耗。 4. 在变容积系统中，使用入口叶片能够获得较小的调节比，而仍然避开失速。 5. 严重选小了的风机不但效率差，而且它们会使风机运行在一稳定性成大问题的条件下。 6. 关于并联运行风机的四个建议： a- 确保风机同时起动。 b- 选择风机让其运营静压低于曲线上凹陷最低点压力低于如图8中的E点压力。 c- 选择一模一样的风机。 d- 让风机都在同一速度下运行。 图9Figure 9 正常宽度的风机 图10Figure 10 减小了宽度的风机 图11Figure 11 叶片角度 = 45 图12Figure 12 叶片角度 = 35 快速矫治消除失速 1. 用制造一泄漏的方法，允许较大风量通过风机。在密闭系统里