摘要：对采用进口导流器调节的离心通风机的旋转失速问题进行了试验研究，并借助谐波小波对旋转失速的频率、幅值特性及动态过程进行了时频分析和特征提取，揭示了旋转失速发展的规律及对风机性能的影响。
关键词：离心式通风机 旋转失速
1 引言
在实际应用中离心通风机的内部流动情况十分复杂，目前很难用纯理论的方法精确地计算出其各流通部分的流动情况以及流动损失。特别是当离心通风机在部分负荷下运行时，会出现非稳态流，伴随着非稳态流的发生过程，风机性能明显降低，压力脉冲幅值明显增加，频率减小，且脉动频率为低频。鉴于与叶片的固有频率有倍数关系，非稳态流会对风机叶轮、叶片以及系统管道产生非稳态空气动力激振，对叶片机械的性能和寿命造成极为严重的影响，从而导致管道和转子的裂纹。其中旋转失速就是非稳态流之一，而旋转失速与风机的内流特性密切相关，本文将借助先进的信号分析手段对其进行特征分析。
2 旋转失速的形成
通风机的工作状态是由进口压力、进气温度、转速和流量决定的，设计工况下，通风机内部气体流向合理，流速稳定。在机器运行中，如果离心通风机进口导流板开度调节不当或叶轮流道、气流流道、滤清器等阻塞，将会导致实际流量小于设计流量。进入叶轮的气流方向发生变化，气流向着叶片的工作面冲击，从而在叶片的非工作面附近形成气流漩涡或气体脱流团，又因进入通风机的气流在各个流道中的分配并不是很均匀，气流漩涡多少也有区别。假设流道产生气体脱流团，则脱流团的气体占据了流道的一部分空间，使流道截面减小，于是，流经该流道的气体流量也相应地减少，使多余气体挤向相邻的流道，从而使第一流道的流入角增大、冲角减小，改善了该流道的气体流动状况；而第二流道的流入角减小，冲角增大，造成该流道的气流失速。同时，第三流道的气体脱流团又改善了第二流道的气流状况，从而加剧了第四流道的气流失速。以此类推，气体脱流团依次循环发生，在叶轮内形成旋转失速（或称旋转脱离），其运动方向与叶轮旋转方向相反。
旋转失速在叶轮间产生的压力激振是激励转子发生异常振动的激振力，图1显示了当发生旋转失速时，风机出口气流全压p是时间t的函数，从图中可以看出，全压p的变化规律，曲线上升时间要比下降的时间长，其形状像锯齿形，包含着高次谐波。在失速的环境中，将形成压力峰，叶轮和导流器出口在旋转失速发生时会引起气流压力脉动，脉动压力传输到管道上，引起管道内气流压力脉动。
图1 旋转失速气流压力振动
图2 压力数与入射角的关系
在稳定状态下压力系数 和入射角λ之间的关系如图2所示。当入射角大于一定值，有一个区域压力系数呈梯度下降；如果振动发生在流场中叶片处，入射角改变，这时空气动力则呈循环变化。当压力系数的梯度为正时，这相当于空气动力对叶片作用反向力，系统是稳定的；当压力系数梯度为负时，这相当于空气动力对叶片做正功，失速扰动便出现了。
根据目前的研究看出，旋转失速的机理和特征明显不同于喘振和入口涡流，其基本特征是：
（1）由于叶轮的每个通道逐次发生失速从而使内部气流减速，这样就打破了叶轮压力的轴向对称。由于旋转失速内部原因达不到压力要求，在叶轮出口和管道处产生压力脉动，导致管道和机器振动。
（2）旋转失速产生的基频，叶轮失速在0.5～0.8旋转频率范围内，导流器失速在0.1～0.25转频范围内。在振动频率上，不同于低频喘振，也不同于高频带的非稳定进口涡流，因此这种故障可以通过振动诊断技术辨识。
（3）旋转失速产生的振动要比喘振产生的振动少，但是比非稳态进口涡流要强烈得多。
另外，由旋转失速引起的振动也有别于其他机械振动引起的振动，由于转子的不平衡、不对中等故障引起的转子振动幅度要更大，但不会引起机壳和管道的振动。气流激振引起的振动不同于这一状态，尽管测量到的由旋转失速引起的转子振动不是很强烈，但机壳和管道（通常是出口管道）却呈现出严重的振动。
旋转失速是叶轮导流器区域的一种非稳态流动，对于涡轮流体机械而言，旋转失速是一种特殊现象。引起旋转失速的主要原因有以下几个方面：
（1） 机器的各级流道设计不匹配；
（2） 叶轮流道或气流流道堵塞，滤清器堵塞；
（3） 流量调节不当；
（4） 流道结垢等。
3 旋转失速特征及对风机性能的影响
（1）离心通风机旋转失速发展过程分3个阶段，即正常运行阶段、弱失速阶段、强失速阶段；5个状态，即未失速状态、弱失速初始状态、弱失速发展状态、强失速状态、强失速后发展状态。弱失速初始状态是旋转失速的重要状态。它的出现为旋转失速提供了一个先兆信号，弱失速阶段是旋转失速的重要阶段，弱失速阶段对应的流量变化范围很小，但失速发展很快在这一区域呈现失速频率能量的间歇现象，弱失速的出现延缓了风机性能曲线的变化梯度。
（2）旋转失速出现在低频率范围，容易对叶轮、系统叶片和管道产生非稳态空气动力激振，对离心通风机的性能和寿命造成严重的影响。
（3）失速发展渐进过程中，风机性能呈现明显的连续性，这一点与轴流通风机明显不同。
（4）离心通风机的失速边界线与最高效率线比较接近。
（5）旋转失速频率成分的脉动幅度在进入弱失速区域后急剧增大，达到最大值后缓慢减小。
（6）导流器调节量对旋转失速频率的影响较小，随着导流器调节量的增大，失速频率小幅度增长。对应每个开度下，失速频率与流量成斜率极小的线性关系；在小流量的情况下，失速频率会出现频率阶跃现象。
（7）在采用进口导流器调节的离心通风机中，随着导流器调节量的增大，进口涡流频率明显增大，对旋转失速的延缓作用明显加强。
参 考 文 献
[1] 闫庆跋，等.离心风机入口旋流的研究.太原理工大学学报，1991（2）.
[2] 程晓彬，聂超群，陈静宜.轴流压气机旋转失速先兆过程中的频率阶跃现象.工程热物理学报，1999，20（6）