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摘要：动叶可调式轴流风机具有优良的工作效率并且叶片可调节范围广，所以这类设备被广泛应用于大型发电机组的冷却工作中，但是在实际工作中发现这类设备会出现旋转失速、叶片漂移、喘振等故障，这是由于风机本身调节延滞或者工作环境剧烈变化所引起的，这对于发电机组工作的稳定性影响极大，严重情况下会引起机组毁坏，所以探究风机发生这些故障的根本原因是具有一定实际意义的，本文以大型动叶可调式双级轴流风机作为研究对象，通过仿真软件对风机的稳态工况进行仿真分析，并从设备角度分析产生失速的原因由此提出改进方案。
关键词：轴流风机；旋转失速；稳态工况；仿真分析
1引言
随着中国社会发展和人民日常生活的需要，人们对于电力的输送质量和要求也越来越高，这也使得发电机组需要经常性的超负荷运转，为了防止发电机组过热就需要采用多种方式使其降温。最常见的方法就是采用大功率的风机加速空气流动带走热量[1]，与此同时风机也需要根据发电机组的实际工作需要时刻调整叶片的转速，在频繁调整叶片转速的同时也就导致风机内部风场的不稳定，这是导致轴流风机出现旋转失速的最大诱因，对发电机组的安全运行造成严重的威胁。
旋转失速从流体力学的角度来看实际上就是风机内部的气流量与外界气流量形成冲击，并且在叶片上形成这种冲击，同时进气会在叶片上形成一定冲角[2]，当冲角达到叶片无法承受的临界值时，叶片的非工作面就会出现边界层分离，这种分离效应扩散到整个风机内部产生扰动涡流，这种扰动涡流会充满整个风机流道[3]，这样就使得原来通过流道的气流发生偏转进一步加深风机流场的不稳定性，同时会产生大量的气动噪声，叶片的风压承载区域也会承受更大的载荷。所以旋转失速在严重情况下会导致风机叶片断裂，并且旋转失速对风机的工作效率影响极大，所以在实际工作过程中应该杜绝旋转失速的情况出现[4]。
2稳态工况仿真流程
2.1仿真模型及模拟过程
风机的整个仿真模拟过程分为四个阶段，首先模拟的是风机在稳态工况下的工作情况，风机的进气压力是确定的，在仿真过程中逐渐增加进气压力，这样间接缩减风机内部的进气量，使风机进入小流量工况，观察仿真过程中的体积流量与全压等参数，当这两个参数开始趋近于无限大时进入第二个模拟阶段非稳态工况，首先需要计算在稳态工况下背压的最大值，根据该值调整风机叶轮的计算模型，在该模型下进行数值模拟观察体积流量等参数是否开始收敛。当仿真曲线开始收敛时进入第三个仿真阶段旋转失效工况，这一阶段的仿真过程较为简单，在风机的出口处加上一个节流阀模型并设置相应边界条件，并设置初始节流阀开度为1，在逐渐缩小开度参数的基础上观察参数曲线是否收敛，当出现发散时就代表风机已经出现旋转失速。然后进入最后一个仿真阶段，在已经获得旋转失速仿真结果的基础上继续减小开度参数，这样就可以获得更小流量下失速仿真结果。
轴流风机结构较为复杂内部风场不是固定的，所以仿真模型无法采用直接数值模拟计算的方式，直接数值模拟虽然设计过程较为简单但是计算量十分庞大，对计算机的工作性能有着严格要求，所以本文采用两个数学模型进行独立仿真计算的方式，湍动能和耗散率可以较好地表述风场随时间变化的规律，而且对于该方向的研究也得到了广泛的应用，采用湍能双数学模型既能满足稳态工况的模拟过程也能最大限度的减少计算量。
2.2边界条件
需要仿真计算的风机模型具体包括一级和两级的动叶轮以及静叶轮、入口集流器、出口扩散筒等多个结构，空气流动方向是从入口集流器进入风机，再经过一级动叶轮和一级静叶轮，之后经过二级动叶轮和二级静叶轮，最后从出口扩散筒离开风机。
设定叶轮的叶片个数均为24个，动叶片的高度为0.3m，转速为1500r/min，在仿真计算过程中，需要设置一定的边界条件，数值模拟的数据采集位置是集流器和扩散筒的相应截面，所以需要设置初始压力作为边界条件，入口气压设置为0Pa，出口气压设置为给定值。为了保证仿真过程中叶轮只会有转动的动作，所以需要设置风机壁面没有滑移，采用多坐标参考系确保结果准确性。
2.3结果分析
通过仿真计算气体流速对各种高度叶片的作用影响，分别选择0.03m、0.15m、0.27m三个叶片高度作为数值模拟对象，从仿真结果中发现随着叶片高度的增加相应的气压作用也就越大，而且0.27m相对于0.15m的气压增幅要远高于0.15m相对于0.03m的气压增幅。各处高度的叶片线速度也随着高度的增加而增加，这是由于随着高度的增加相应的运动半径也在增大，气流对叶片的作用力也就越大，相对应的叶片转动需要做的功也就越多，由此产生更大的气压作用。
3产生旋转失速的设备因素及解决方案
3.1设备因素
从风机的实际运行设备角度来看，发生旋转失速的根本原因在于风机流量和压力的差异性过大，这类故障的主要诱发因素有两点：风机运行的不匹配度以及相关设备堵塞导致空气流量减小，下面分析产生旋转失速的具体原因：当两台工作特性差异较大的风机并列工作时，就会产生风场的扰动，由此导致风机进气流量的不平衡，最终导致旋转失速；风机的入风口或者出风口出现堵塞，导致空气流量的不通畅，具体表现为暖风机或者空预器严重积灰，出口挡板断裂导致出口被部分关闭。实际上导致风机旋转失速的故障处理方式都非常简单，只需要坚持做好设备的日常保养基本不会出现旋转失速，但是旋转失速的诱发因素有很多，当出现问题时再去解决不利于正常的生产需求，所以我们需要从根本上解决可能导致风机旋转失效的所有问题，将旋转失效发生的可能性降到最低。
3.2解决方案
从上一节的介绍中可以看出想要解决旋转失速的问题首先是要解决风机流量和压力差异性过大的问题，在轴流风机的安装过程中也需要重视这类问题，尤其是对于两级轴流风机，当同级或者前后级叶片角度偏差过大，叶片的叶顶间隙过大这些都会造成风机流量不稳定，所以在叶片的安装以及检修过程中都需要注意叶片角度偏差的问题，在安装设计阶段规定风机动叶同级或者两级角度偏差不得大于1°，如果偏差角度过大会导致部分叶片进入失速状态并且影响其他叶片。叶顶间隙是指叶片顶端到机壳之间的距离，当叶顶间隙过大时风机内部就无法形成稳定的风场其工作效率也会降低，但是叶顶间隙过小就会导致叶片顶部与机壳发生碰撞，损坏风机设备。所以间隙的规定大小为转子外径的1/1000到2/1000，实际设计过程中可以在该参数下小范围波动。
除此之外，也需要对设备进行日常性的检修以及保养，尤其是针对于进出风口的相关设备，例如检查各种设备的防护板是否损坏需要跟换，暖风机和空预器的日常清洁处理等等。选择工作特性相近的风机也可以有效降低旋转失速的现象出现，双级轴流风机具有优良的机械效率而被广泛应用于发电机组，但是其安装质量要求非常严格。在设计和安装过程中出现任何问题都有可以引发风机工作的不稳定，所以这种类型的风机安装和保养工作都是至关重要的。
参考文献
[1]李昊燃,郑金,董康田,李凯伦.动调轴流风机全工况智能化节能运行研究[J].热力发电,2020,49(11):34-39.
[2]路锦新.轴流风机振动问题研究分析[J].中国设备工程,2020(20):154-155.
[3]张磊,袁威,王松岭,张倩.轴向间距对两级轴流风机失速先兆的影响机制[J].动力工程学报,2016,36(10):801-809.
[4]邱长伟,刘维岐,宋大勇,张家维,张志远,唐士明,武超,任百智.轴流式引风机失速原因分析与应对策略[J].黑龙江电力,2020,42(04):349-352.