舒暢

（浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321100）

離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速時(shí)頻特性及漸進(jìn)過(guò)程分析

舒暢

（浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321100）

為了對(duì)風(fēng)機(jī)失速時(shí)頻特性進(jìn)行分析，利用國(guó)內(nèi)電站廣泛應(yīng)用的離心風(fēng)機(jī)，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)失速實(shí)驗(yàn)，提取風(fēng)機(jī)從正常狀態(tài)到旋轉(zhuǎn)失速發(fā)展過(guò)程的壓力信號(hào)，運(yùn)用Fourier變換以及小波包分析對(duì)壓力信號(hào)的時(shí)頻特性以及失速漸進(jìn)過(guò)程進(jìn)行分析，從而在一定程度上為失速的檢測(cè)和控制奠定基礎(chǔ)。

離心風(fēng)機(jī)；旋轉(zhuǎn)失速；時(shí)頻特性；失速漸進(jìn)過(guò)程

0 引言

風(fēng)機(jī)是電廠的大型回轉(zhuǎn)設(shè)備，是不可缺少的輔助設(shè)備，其運(yùn)行狀況的好壞直接關(guān)系到電廠的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，火電廠停機(jī)故障中有很大一部分因素是由于風(fēng)機(jī)、泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械造成的[1]。在火電廠的5種輔助設(shè)備送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、給水泵、高壓加熱器中，由于送、引風(fēng)機(jī)的故障引起機(jī)組停機(jī)的概率僅次于磨煤機(jī)[2]。因此，對(duì)電站風(fēng)機(jī)常見(jiàn)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、診斷甚至控制，從而有效遏制故障的發(fā)生，確保風(fēng)機(jī)安全、可靠運(yùn)行，對(duì)整個(gè)電廠的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行具有重要意義。由于離心風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速（吸力側(cè)失速）邊界線與最高效率線比較接近[3-4]，使得風(fēng)機(jī)容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速。風(fēng)機(jī)發(fā)生失速，葉輪內(nèi)部流場(chǎng)遭到破壞，會(huì)產(chǎn)生高幅值、低頻率的壓力脈動(dòng)，這樣葉片就會(huì)受到非穩(wěn)態(tài)的壓力脈動(dòng)。因此，當(dāng)葉片經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)失速區(qū)時(shí)，由于非穩(wěn)態(tài)壓力脈動(dòng)的影響，葉片就會(huì)受到交變應(yīng)力，如此循環(huán)往復(fù)，葉片就會(huì)疲勞損傷。特別是當(dāng)葉片發(fā)生共振時(shí)，應(yīng)力將成倍增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂，這樣就會(huì)嚴(yán)重威脅風(fēng)機(jī)的運(yùn)行[5]。旋轉(zhuǎn)失速繼續(xù)惡化，則可能導(dǎo)致喘振。風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振不僅會(huì)引起風(fēng)機(jī)及連接管道的振動(dòng)，而且還會(huì)造成整個(gè)機(jī)組效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至造成事故隱患[6]。離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速表現(xiàn)與軸流壓縮機(jī)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(jī)方面。目前由于受產(chǎn)品投資規(guī)模等因素的影響，對(duì)離心風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速研究相對(duì)較少。隨著現(xiàn)代電站機(jī)組容量不斷擴(kuò)大，運(yùn)行工況越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)失速的主動(dòng)控制，保證離心風(fēng)機(jī)的健康、安全運(yùn)行，從而減少或避免失速給生產(chǎn)帶來(lái)的危害，這不僅對(duì)風(fēng)機(jī)，而且對(duì)整個(gè)電廠有著重要意義。而進(jìn)行失速時(shí)頻特性分析以及失速漸進(jìn)過(guò)程分析等規(guī)律性認(rèn)識(shí)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)失速檢測(cè)的基礎(chǔ)。為此，本文利用國(guó)內(nèi)電站廣泛應(yīng)用的G4-73No8D離心風(fēng)機(jī)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)失速實(shí)驗(yàn)，提取風(fēng)機(jī)從正常狀態(tài)到旋轉(zhuǎn)失速發(fā)展過(guò)程的壓力信號(hào)，運(yùn)用Fourier變換以及小波包分析對(duì)壓力信號(hào)的時(shí)頻特性以及失速漸進(jìn)過(guò)程進(jìn)行分析，從而在一定程度上為失速的檢測(cè)和控制奠定基礎(chǔ)。

1 旋轉(zhuǎn)失速的產(chǎn)生機(jī)理及失速特征

1.1 旋轉(zhuǎn)失速的產(chǎn)生機(jī)理

風(fēng)機(jī)葉片一般設(shè)計(jì)為機(jī)翼狀的流線型，這樣在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，氣流沖角較小。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，如果流量低于設(shè)計(jì)流量，氣體進(jìn)入葉輪的徑向速度減小，氣流沖角增大；當(dāng)流量減小到一定程度，氣流沖角超過(guò)臨界沖角時(shí)，就會(huì)在葉片后緣點(diǎn)附近產(chǎn)生渦流，渦流逐漸增多，流道面積逐漸減小，多余的氣體就會(huì)進(jìn)入葉輪附近流道。氣體沿著逆葉輪旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)入下一個(gè)流道時(shí)，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(zhuǎn)入下一個(gè)流道。如此發(fā)展，渦流組團(tuán)就會(huì)沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向傳播，并引起振動(dòng)[7]。

1.2 旋轉(zhuǎn)失速的特征[8]

旋轉(zhuǎn)失速主要分為漸進(jìn)型和突變型。

漸進(jìn)型旋轉(zhuǎn)失速是隨著流量的減小而逐漸發(fā)生的。其主要特點(diǎn)為：（1）增壓比隨著流量的減小而逐漸降低，等轉(zhuǎn)速線連續(xù)不間斷；（2）分離區(qū)旋轉(zhuǎn)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(kuò)展。

當(dāng)氣流在整個(gè)葉高上發(fā)生分離時(shí)，則發(fā)生突變型旋轉(zhuǎn)失速。突變型旋轉(zhuǎn)失速的主要特點(diǎn)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(zhuǎn)速線上出現(xiàn)間斷點(diǎn)。

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

2 離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速實(shí)驗(yàn)

本文利用國(guó)內(nèi)電站廣泛應(yīng)用的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示。實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)流量為qv=0.205，采用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.3轉(zhuǎn)；在轉(zhuǎn)速為1 300r/min，導(dǎo)流器開(kāi)度為15°工況下，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)失速漸進(jìn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)。為對(duì)不同位置的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行捕捉，本實(shí)驗(yàn)采用周向等角度（60°）間隔在風(fēng)機(jī)機(jī)殼上布置了1～5號(hào)5個(gè)壓阻式高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器，以此來(lái)測(cè)量風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)壁氣體的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。壓力信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。采用基于凌華PCIS-DASK的C++Builder數(shù)據(jù)采集程序，對(duì)5路動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行同步采樣，采樣頻率為320Hz。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)分布

3 離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速特征分析

本實(shí)驗(yàn)主要研究旋轉(zhuǎn)失速的時(shí)頻特性、失速先兆的出現(xiàn)以及從正常運(yùn)行到旋轉(zhuǎn)失速的漸進(jìn)過(guò)程。

本文首先采用Fourier變換對(duì)旋轉(zhuǎn)失速的特性進(jìn)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(jìn)過(guò)程中，由于頻率分辨率單一、時(shí)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(jī)械非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)頻特性分析中。因此，本文采用小波包分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)失速的時(shí)域特性分析和失速漸進(jìn)過(guò)程分析。

3.1 旋轉(zhuǎn)失速與風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的關(guān)系

對(duì)于實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)，在各導(dǎo)流器調(diào)節(jié)角度下，隨著流量的減小均會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速。當(dāng)流量減小到一定程度，流場(chǎng)的脈動(dòng)會(huì)突然加劇，脈動(dòng)幅度增強(qiáng)，從而進(jìn)入到失速工況下。實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的最高效率線與旋轉(zhuǎn)失速邊界線比較接近。風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)性能曲線與最高效率、失速邊界線的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖2所示。

為了便于比較不同類(lèi)型風(fēng)機(jī)的性能，本文采用無(wú)因次參數(shù)和無(wú)因次曲線來(lái)描述風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。無(wú)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(zhuǎn)失速的頻域特性分析

在導(dǎo)流器全開(kāi)工況下，旋轉(zhuǎn)失速發(fā)展過(guò)程如圖3所示，點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4分別對(duì)應(yīng)著正常狀態(tài)、失速起始階段、弱失速發(fā)展階段、強(qiáng)失速階段。

圖3 G4-73No8D風(fēng)機(jī)性能及失速發(fā)展

壓力信號(hào)的頻譜如圖4所示，為降低噪聲對(duì)信號(hào)的影響，取20個(gè)樣本的均值。

圖4 旋轉(zhuǎn)失速發(fā)展過(guò)程中壓力信號(hào)的功率譜圖

由圖4可以看出：在正常運(yùn)行工況下，壓力信號(hào)中包含轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率以及其諧波。當(dāng)風(fēng)機(jī)接近失速狀態(tài)時(shí)，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻約2/3處出現(xiàn)波動(dòng)較小的擾動(dòng)成分，幅度相對(duì)較小。當(dāng)流量小于一定程度后，風(fēng)機(jī)進(jìn)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(tuán)對(duì)應(yīng)頻率脈動(dòng)的能量會(huì)急劇增長(zhǎng)，與此同時(shí)，整個(gè)壓力信號(hào)的脈動(dòng)也會(huì)增強(qiáng)。隨著失速的發(fā)展，失速成分的脈動(dòng)幅度也在不斷變化。當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入強(qiáng)失速狀態(tài)時(shí)，時(shí)速團(tuán)的頻率脈動(dòng)的能量達(dá)到最大，此時(shí)壓力信號(hào)主要以失速頻率為主。

3.3 旋轉(zhuǎn)失速漸進(jìn)過(guò)程壓力信號(hào)分析

實(shí)驗(yàn)取得風(fēng)機(jī)在1 300rpm時(shí)不同導(dǎo)流器開(kāi)度工況下的旋轉(zhuǎn)失速漸進(jìn)過(guò)程壓力信號(hào)?，F(xiàn)取2號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力信號(hào)進(jìn)行小波分析，此時(shí)導(dǎo)流器開(kāi)度為β=15°。失速漸進(jìn)過(guò)程的壓力信號(hào)的時(shí)域變化和小波分析結(jié)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(duì)失速漸進(jìn)過(guò)程的壓力信號(hào)進(jìn)行4層小波分解，其第3層細(xì)節(jié)系數(shù)對(duì)應(yīng)的頻帶為2040Hz，風(fēng)機(jī)基頻為21.7Hz，故在此頻帶范圍內(nèi)；其第4層細(xì)節(jié)系數(shù)對(duì)應(yīng)的頻帶為1020Hz，根據(jù)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速頻譜特性[9]，本實(shí)驗(yàn)離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速頻率為14.4Hz（2/3基頻），位于此頻帶范圍內(nèi)。

圖5 風(fēng)機(jī)壓力信號(hào)及其小波變換時(shí)頻圖

圖5 中（a）、（b）段分別對(duì)應(yīng)未失速和失速狀態(tài)。失速狀態(tài)下的壓力信號(hào)近似正弦波。由圖5中第四層的細(xì)節(jié)系數(shù)相空間圖中可見(jiàn)，伴隨著流量的逐漸降低，風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)壓力逐漸增大，一些分散的能量成分出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)失速頻率的頻帶中。在圖5中箭頭所指示的采樣點(diǎn)處，脈動(dòng)幅度發(fā)生突變，發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速，為失速的起始點(diǎn)。在該點(diǎn)之后的失速過(guò)程中，壓力信號(hào)呈現(xiàn)明顯的非穩(wěn)態(tài)特性，壓力脈動(dòng)幅度的增長(zhǎng)顯著，壓力信號(hào)中逐漸占優(yōu)的成分變?yōu)槭兕l率的脈動(dòng)，與此相對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)壓力則表現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的波動(dòng)，失速團(tuán)所對(duì)應(yīng)的頻率出現(xiàn)間歇的脈動(dòng)，如果失速脈動(dòng)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(gè)失速過(guò)程中，失速的強(qiáng)度先增強(qiáng)而后緩慢減弱。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)離心風(fēng)機(jī)失速頻域特性和失速漸進(jìn)過(guò)程的研究，得出以下結(jié)論：

（1）在正常運(yùn)行狀態(tài)下，壓力信號(hào)中包含轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧波。當(dāng)風(fēng)機(jī)接近失速狀態(tài)時(shí)，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻約2/3處出現(xiàn)波動(dòng)較小的擾動(dòng)成分，幅度相對(duì)較小。當(dāng)流量小于一定程度后，風(fēng)機(jī)進(jìn)入弱失速狀態(tài)。此時(shí)流量變化范圍很小，但失速團(tuán)對(duì)應(yīng)頻率脈動(dòng)的能量會(huì)大幅度增長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)引起壓力信號(hào)整體脈動(dòng)的增強(qiáng)。隨著失速的發(fā)展，失速成分的脈動(dòng)幅度也在不斷變化。當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入強(qiáng)失速狀態(tài)時(shí)，時(shí)速團(tuán)的頻率脈動(dòng)的能量達(dá)到最大，此時(shí)壓力信號(hào)主要以失速頻率為主。

（2）伴隨著流量的逐漸降低，風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)壓力逐漸增大，一些分散的能量成分出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)失速頻率的頻帶中。失速發(fā)生后，壓力信號(hào)呈現(xiàn)明顯的非穩(wěn)態(tài)特性，與此相對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)壓力則表現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的波動(dòng)，失速團(tuán)所對(duì)應(yīng)的頻率出現(xiàn)間歇的脈動(dòng)，如果失速脈動(dòng)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(gè)失速過(guò)程中，失速的強(qiáng)度先增強(qiáng)而后緩慢減弱。

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

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

［3］侯軍虎.基于多參數(shù)的風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2003.

［4］侯軍虎，王松嶺，安連鎖，等.基于一類(lèi)改進(jìn)諧波小波的離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速特征分析［J］.動(dòng)力工程，2003，23（6）：2814-2818.

［5］劉哲，王松嶺，吳正人，等.電站離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理分析及處理對(duì)策［J］.發(fā)電設(shè)備，2011（2）：94-97.

［6］張磊，王松嶺，張倩，等.離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的流體動(dòng)力學(xué)特征［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012（14）：95-102.

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

［8］陸亞鈞.風(fēng)機(jī)葉片機(jī)中的旋轉(zhuǎn)失速和喘振現(xiàn)象及分離旋渦流動(dòng)［J］.水利電力機(jī)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?yàn)榛痣姀S發(fā)電技術(shù)。