離心風機旋轉失速時頻特性及漸進過程分析

舒暢

（浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責任公司，浙江 蘭溪 321100）

離心風機旋轉失速時頻特性及漸進過程分析

舒暢

（浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責任公司，浙江 蘭溪 321100）

為了對風機失速時頻特性進行分析，利用國內電站廣泛應用的離心風機，進行了旋轉失速實驗，提取風機從正常狀態(tài)到旋轉失速發(fā)展過程的壓力信號，運用Fourier變換以及小波包分析對壓力信號的時頻特性以及失速漸進過程進行分析，從而在一定程度上為失速的檢測和控制奠定基礎。

離心風機；旋轉失速；時頻特性；失速漸進過程

0 引言

風機是電廠的大型回轉設備，是不可缺少的輔助設備，其運行狀況的好壞直接關系到電廠的安全、可靠、經濟運行。據(jù)統(tǒng)計，火電廠停機故障中有很大一部分因素是由于風機、泵等旋轉機械造成的[1]。在火電廠的5種輔助設備送風機、引風機、磨煤機、給水泵、高壓加熱器中，由于送、引風機的故障引起機組停機的概率僅次于磨煤機[2]。因此，對電站風機常見故障進行預測、診斷甚至控制，從而有效遏制故障的發(fā)生，確保風機安全、可靠運行，對整個電廠的安全、經濟、可靠運行具有重要意義。由于離心風機的旋轉失速（吸力側失速）邊界線與最高效率線比較接近[3-4]，使得風機容易發(fā)生旋轉失速。風機發(fā)生失速，葉輪內部流場遭到破壞，會產生高幅值、低頻率的壓力脈動，這樣葉片就會受到非穩(wěn)態(tài)的壓力脈動。因此，當葉片經過旋轉失速區(qū)時，由于非穩(wěn)態(tài)壓力脈動的影響，葉片就會受到交變應力，如此循環(huán)往復，葉片就會疲勞損傷。特別是當葉片發(fā)生共振時，應力將成倍增加，嚴重時會導致葉片斷裂，這樣就會嚴重威脅風機的運行[5]。旋轉失速繼續(xù)惡化，則可能導致喘振。風機發(fā)生喘振不僅會引起風機及連接管道的振動，而且還會造成整個機組效率下降，嚴重時甚至造成事故隱患[6]。離心風機旋轉失速表現(xiàn)與軸流壓縮機有較大的區(qū)別[3]，而大多數(shù)的失速研究都集中于軸流壓縮機方面。目前由于受產品投資規(guī)模等因素的影響，對離心風機的旋轉失速研究相對較少。隨著現(xiàn)代電站機組容量不斷擴大，運行工況越來越復雜，對其進行及時有效的檢測，實現(xiàn)失速的主動控制，保證離心風機的健康、安全運行，從而減少或避免失速給生產帶來的危害，這不僅對風機，而且對整個電廠有著重要意義。而進行失速時頻特性分析以及失速漸進過程分析等規(guī)律性認識是實現(xiàn)風機失速檢測的基礎。為此，本文利用國內電站廣泛應用的G4-73No8D離心風機，進行旋轉失速實驗，提取風機從正常狀態(tài)到旋轉失速發(fā)展過程的壓力信號，運用Fourier變換以及小波包分析對壓力信號的時頻特性以及失速漸進過程進行分析，從而在一定程度上為失速的檢測和控制奠定基礎。

1 旋轉失速的產生機理及失速特征

1.1 旋轉失速的產生機理

風機葉片一般設計為機翼狀的流線型，這樣在設計工況下運行，氣流沖角較小。當風機運行狀況偏離設計工況時，如果流量低于設計流量，氣體進入葉輪的徑向速度減小，氣流沖角增大；當流量減小到一定程度，氣流沖角超過臨界沖角時，就會在葉片后緣點附近產生渦流，渦流逐漸增多，流道面積逐漸減小，多余的氣體就會進入葉輪附近流道。氣體沿著逆葉輪旋轉方向進入下一個流道時，氣體沖擊葉輪工作面，使得該流道渦流增加，流道面積減少，從而又迫使氣體轉入下一個流道。如此發(fā)展，渦流組團就會沿著與葉輪旋轉方向相反的方向傳播，并引起振動[7]。

1.2 旋轉失速的特征[8]

旋轉失速主要分為漸進型和突變型。

漸進型旋轉失速是隨著流量的減小而逐漸發(fā)生的。其主要特點為：（1）增壓比隨著流量的減小而逐漸降低，等轉速線連續(xù)不間斷；（2）分離區(qū)旋轉速度不隨分離區(qū)數(shù)目的增加而變化；（3）失速分離區(qū)數(shù)目隨流量減小而逐漸減少，分離區(qū)由葉尖向葉高方向逐步擴展。

當氣流在整個葉高上發(fā)生分離時，則發(fā)生突變型旋轉失速。突變型旋轉失速的主要特點為：（1）失速分離區(qū)數(shù)目一般情況下比較少；（2）增壓系數(shù)急劇下降，等轉速線上出現(xiàn)間斷點。

流量逐步減小，漸進型失速首先發(fā)生，當流量減小到一定程度后，則會發(fā)生突變型失速。發(fā)生突變型旋轉失速時，葉片所受的激振力要大于漸進型失速工況下的激振力，振動也比較明顯。

2 離心風機旋轉失速實驗

本文利用國內電站廣泛應用的離心風機進行了實驗研究。實驗裝置、測試系統(tǒng)及測點布置情況如圖1所示。實驗風機的設計流量為qv=0.205，采用變頻器調節(jié)轉速，調節(jié)精度可達0.3轉；在轉速為1 300r/min，導流器開度為15°工況下，進行旋轉失速漸進過程實驗。為對不同位置的動態(tài)壓力信號進行捕捉，本實驗采用周向等角度（60°）間隔在風機機殼上布置了1～5號5個壓阻式高頻動態(tài)壓力傳感器，以此來測量風機機殼內壁氣體的動態(tài)壓力信號。壓力信號送入信號調理器進行信號調理。采用基于凌華PCIS-DASK的C++Builder數(shù)據(jù)采集程序，對5路動態(tài)壓力信號進行同步采樣，采樣頻率為320Hz。

圖1 實驗測試系統(tǒng)和動態(tài)壓力測點分布

3 離心風機旋轉失速特征分析

本實驗主要研究旋轉失速的時頻特性、失速先兆的出現(xiàn)以及從正常運行到旋轉失速的漸進過程。

本文首先采用Fourier變換對旋轉失速的特性進行頻域分析，得到全頻域中失速頻率值、基頻、諧波的分布。在分析失速的漸進過程中，由于頻率分辨率單一、時域信息缺乏等缺陷，F(xiàn)ourier分析方法不再適用。而小波分析能夠比較好的適用于葉輪機械非穩(wěn)態(tài)流動時頻特性分析中。因此，本文采用小波包分析方法對實驗數(shù)據(jù)進行旋轉失速的時域特性分析和失速漸進過程分析。

3.1 旋轉失速與風機性能參數(shù)的關系

對于實驗風機，在各導流器調節(jié)角度下，隨著流量的減小均會出現(xiàn)旋轉失速。當流量減小到一定程度，流場的脈動會突然加劇，脈動幅度增強，從而進入到失速工況下。實驗風機的最高效率線與旋轉失速邊界線比較接近。風機實驗性能曲線與最高效率、失速邊界線的對應關系曲線如圖2所示。

為了便于比較不同類型風機的性能，本文采用無因次參數(shù)和無因次曲線來描述風機運行狀態(tài)。無因次參數(shù)定義如下：

（1）流量系數(shù)

其中，qvp-流量（m3/s）；u2p-葉輪出口圓周速度（m/s）；A2p-葉輪圓面積（m2）

（2）全壓系數(shù)

其中，pp-全壓（pa）；ρp-流體密度（kg/m3）；u2p-葉輪出口圓周速度（m/s）

圖2 最高效率線和失速邊界線

3.2 旋轉失速的頻域特性分析

在導流器全開工況下，旋轉失速發(fā)展過程如圖3所示，點1、點2、點3、點4分別對應著正常狀態(tài)、失速起始階段、弱失速發(fā)展階段、強失速階段。

圖3 G4-73No8D風機性能及失速發(fā)展

壓力信號的頻譜如圖4所示，為降低噪聲對信號的影響，取20個樣本的均值。

圖4 旋轉失速發(fā)展過程中壓力信號的功率譜圖

由圖4可以看出：在正常運行工況下，壓力信號中包含轉子轉動頻率以及其諧波。當風機接近失速狀態(tài)時，在風機轉頻約2/3處出現(xiàn)波動較小的擾動成分，幅度相對較小。當流量小于一定程度后，風機進入弱失速狀態(tài)，在弱失速狀態(tài)下，流量變化的范圍很小，但失速團對應頻率脈動的能量會急劇增長，與此同時，整個壓力信號的脈動也會增強。隨著失速的發(fā)展，失速成分的脈動幅度也在不斷變化。當風機進入強失速狀態(tài)時，時速團的頻率脈動的能量達到最大，此時壓力信號主要以失速頻率為主。

3.3 旋轉失速漸進過程壓力信號分析

實驗取得風機在1 300rpm時不同導流器開度工況下的旋轉失速漸進過程壓力信號。現(xiàn)取2號測點的壓力信號進行小波分析，此時導流器開度為β=15°。失速漸進過程的壓力信號的時域變化和小波分析結果如圖5所示。由于采樣頻率為320Hz，因此小波分析的分析頻率為160Hz。對失速漸進過程的壓力信號進行4層小波分解，其第3層細節(jié)系數(shù)對應的頻帶為2040Hz，風機基頻為21.7Hz，故在此頻帶范圍內；其第4層細節(jié)系數(shù)對應的頻帶為1020Hz，根據(jù)風機旋轉失速頻譜特性[9]，本實驗離心風機旋轉失速頻率為14.4Hz（2/3基頻），位于此頻帶范圍內。

圖5 風機壓力信號及其小波變換時頻圖

圖5 中（a）、（b）段分別對應未失速和失速狀態(tài)。失速狀態(tài)下的壓力信號近似正弦波。由圖5中第四層的細節(jié)系數(shù)相空間圖中可見，伴隨著流量的逐漸降低，風機機殼內壓力逐漸增大，一些分散的能量成分出現(xiàn)在對應失速頻率的頻帶中。在圖5中箭頭所指示的采樣點處，脈動幅度發(fā)生突變，發(fā)生旋轉失速，為失速的起始點。在該點之后的失速過程中，壓力信號呈現(xiàn)明顯的非穩(wěn)態(tài)特性，壓力脈動幅度的增長顯著，壓力信號中逐漸占優(yōu)的成分變?yōu)槭兕l率的脈動，與此相對應的流場動態(tài)壓力則表現(xiàn)出無規(guī)則的波動，失速團所對應的頻率出現(xiàn)間歇的脈動，如果失速脈動的間隔減小，甚至出現(xiàn)小范圍的失速持續(xù)的現(xiàn)象。在整個失速過程中，失速的強度先增強而后緩慢減弱。

4 結論

本文通過對離心風機失速頻域特性和失速漸進過程的研究，得出以下結論：

（1）在正常運行狀態(tài)下，壓力信號中包含轉子轉動頻率及其諧波。當風機接近失速狀態(tài)時，在風機轉頻約2/3處出現(xiàn)波動較小的擾動成分，幅度相對較小。當流量小于一定程度后，風機進入弱失速狀態(tài)。此時流量變化范圍很小，但失速團對應頻率脈動的能量會大幅度增長，同時也會引起壓力信號整體脈動的增強。隨著失速的發(fā)展，失速成分的脈動幅度也在不斷變化。當風機進入強失速狀態(tài)時，時速團的頻率脈動的能量達到最大，此時壓力信號主要以失速頻率為主。

（2）伴隨著流量的逐漸降低，風機機殼內壓力逐漸增大，一些分散的能量成分出現(xiàn)在對應失速頻率的頻帶中。失速發(fā)生后，壓力信號呈現(xiàn)明顯的非穩(wěn)態(tài)特性，與此相對應的流場動態(tài)壓力則表現(xiàn)出無規(guī)則的波動，失速團所對應的頻率出現(xiàn)間歇的脈動，如果失速脈動的間隔減小，甚至出現(xiàn)小范圍的失速持續(xù)的現(xiàn)象。在整個失速過程中，失速的強度先增強而后緩慢減弱。

［1］Wood C O.Failure Cause Analysis-Fans［R］.EPRI Report，CS-1693.

［2］國家電力監(jiān)管委員會電力可靠性管理中心.2007年全國電力可靠性指標［EB/OL］.（2007-05-11）［2015-01-11］. http：//www.chinaer.org.

［3］侯軍虎.基于多參數(shù)的風機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究［D］.保定：華北電力大學，2003.

［4］侯軍虎，王松嶺，安連鎖，等.基于一類改進諧波小波的離心風機旋轉失速特征分析［J］.動力工程，2003，23（6）：2814-2818.

［5］劉哲，王松嶺，吳正人，等.電站離心風機旋轉失速機理分析及處理對策［J］.發(fā)電設備，2011（2）：94-97.

［6］張磊，王松嶺，張倩，等.離心風機旋轉失速狀態(tài)下的流體動力學特征［J］.中國電機工程學報，2012（14）：95-102.

［7］陳虹微.離心壓縮機旋轉失速振動原因分析及改進［J］.噪聲與振動控制，2010（2）：84-87.

［8］陸亞鈞.風機葉片機中的旋轉失速和喘振現(xiàn)象及分離旋渦流動［J］.水利電力機械，1992（5）：20-44.

［9］Wood C O.Failure Cause Analysis-Fans［R］.EPRI Report，CS-1693.

The Frequency Domain Characteristics and Gradual Process Analysis of Rotating Stall of Centrifugal Fan

SHU Chang
(Zhejiang Zheneng Lanxi Power Co.,Ltd.Zhejiang Lanxi 321100,China)

To analysis the time-frequency characteristics and the gradual process characteristics of stall,the experiment of rotating stall was carried out on the centrifugal fan, which is widely used in domestic power plant.Te development pressure signals from the normal to the stall are extracted.Then,the pressure signals are analyzed about the time-frequency characteristics and the gradual process characteristics of stall.Thus,a foundation to the further research of the rotating stall to centrifugal fan is laid.

centrifugal fan;rotating stall;time-frequency characteristics;process characteristics

TH432

A

1673-2022（2015）02-0014-04

2015－02－27

舒暢（1981-），男，浙江衢州人，工程師，研究方向為火電廠發(fā)電技術。