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壓氣機(jī)的喘振及防喘措施1.在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振的原因2.壓氣機(jī)中防止喘振的措施1.
1在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振現(xiàn)象我們?cè)谘芯繅簹鈾C(jī)特性線時(shí)已經(jīng)指出:在壓氣機(jī)特性線當(dāng)?shù)淖髠?cè),有條喘振邊界線。假如流經(jīng)壓氣的空氣流量減小到一定程度,而使運(yùn)行工況進(jìn)入到喘振邊界線的左側(cè),那么,整臺(tái)壓氣機(jī)就不能穩(wěn)定工作。那時(shí),空流量就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),忽大忽??;壓力出現(xiàn)脈動(dòng),時(shí)高時(shí)低;到嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)霈F(xiàn)氣流從壓氣的進(jìn)口處倒流出來(lái)的現(xiàn)象;同時(shí)還會(huì)伴隨著低頻的怒吼聲響;這時(shí)還會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈地振動(dòng)。這種現(xiàn)象通稱(chēng)為喘振現(xiàn)象。在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中,我們決不能容許壓氣機(jī)在進(jìn)入喘振工況。2.
2在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振的原因喘振現(xiàn)象究竟是怎樣產(chǎn)生的呢?通常認(rèn)為:喘振現(xiàn)象的發(fā)生總是與壓氣機(jī)通流部分中出現(xiàn)了嚴(yán)重的氣流脫離現(xiàn)象有密切關(guān)系。當(dāng)壓氣機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況的條件下運(yùn)行時(shí),在壓氣機(jī)工作葉柵的進(jìn)口處,必然會(huì)出現(xiàn)氣流的正沖角或負(fù)沖角。當(dāng)這種沖角增大到某種程度時(shí),粘附在葉型表面上的氣流附面層在逆流動(dòng)方向的的壓力梯度下就會(huì)出現(xiàn)局部逆流區(qū),形成渦流,造成附面層的分離,以致發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象。3.
3流量變化時(shí),在葉柵的流道中出現(xiàn)的氣流脫離現(xiàn)象4.
4壓氣機(jī)葉柵中的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象試驗(yàn)表明:在葉片較長(zhǎng)的壓氣機(jī)級(jí)中,氣流的脫離現(xiàn)象多半發(fā)生在沿葉高方向的局部范圍內(nèi)(例如在葉片的頂部)。但是,在葉片較短的級(jí)中,氣流的脫離現(xiàn)象卻有可能在整個(gè)葉片的高度上同時(shí)發(fā)生。此外還必須指出:上述那種氣流脫離現(xiàn)象,往往并不是在壓氣機(jī)工作葉柵沿圓周整圈范圍內(nèi)同時(shí)發(fā)生的。試驗(yàn)研究表明:一般來(lái)說(shuō),由于葉柵中葉片形狀和分布不均勻性和氣流沿周向分布的不均勻性,在小流量大沖角的工況下,氣流的脫離往往總是在某一個(gè)或幾個(gè)葉片上發(fā)生的。一般情況,在整個(gè)環(huán)形葉柵沿圓周方向范圍內(nèi),可以同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)比較大脫離區(qū),而這些脫離區(qū)的寬度只不過(guò)涉及到一個(gè)或幾個(gè)葉片通道而已。同時(shí)還應(yīng)該指出:這些脫離區(qū)并不是固定不動(dòng)的,這些脫離區(qū)會(huì)依次沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向轉(zhuǎn)移。因而,這種脫離現(xiàn)象稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)脫離。5.
5旋轉(zhuǎn)脫離的現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的6.
6正常工況下與喘振工況下壓力與氣流速度變化的波形示意圖7.
7壓氣機(jī)的工作系統(tǒng)圖8.
8多級(jí)軸流式壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的工作特點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)工作不協(xié)調(diào)現(xiàn)象9.
9多級(jí)軸流式壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的工作特點(diǎn)(1)壓氣機(jī)中壓比的變化必然會(huì)引起第一級(jí)與末級(jí)入口處軸向分速比的相應(yīng)變化,而且,當(dāng)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)壓比越大,這種變化也越大。而壓氣機(jī)的壓比會(huì)隨轉(zhuǎn)速或進(jìn)口溫度的變化而改變的。10.
10當(dāng)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速比設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速低時(shí)這時(shí)壓氣機(jī)的壓比要下降。這時(shí)末幾級(jí)中的空氣壓力和密度降低了。而在前幾級(jí)中,與設(shè)計(jì)工況相比較,其壓力和密度反而卻均有所提高。因?yàn)樵诖髿鈮毫愣ú蛔兊那疤嵯?,隨著空氣流量的減小,這時(shí),氣流在壓氣機(jī)進(jìn)口收斂器中的降壓加速效應(yīng)減弱了。同時(shí),由于進(jìn)氣流道中(空氣過(guò)濾器、消聲器)的氣流速度的降低,流動(dòng)的壓力損耗又略有所下降,因而,在壓氣機(jī)的第一級(jí)入口處,氣流的壓力和密度,反而比設(shè)計(jì)工況下的數(shù)值要高。這樣就使軸向分速比增加了。比值的增加意味著,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí),軸向分速CZZ下降得比軸向分速C1Z慢些。在軸流式壓氣機(jī)中,由于各級(jí)的直徑變化不大,可以近似地認(rèn)為各級(jí)圓周速度相等。由于cz和u的變化不協(xié)調(diào),結(jié)果使各級(jí)中的流量系數(shù)發(fā)生變化,流入各級(jí)的氣流方向就發(fā)生變化。經(jīng)驗(yàn)指出:與設(shè)計(jì)工況偏離最遠(yuǎn)的是前幾級(jí)和末幾級(jí),而中間各級(jí)相對(duì)于設(shè)計(jì)工況的變化較小。這時(shí),在前幾級(jí)中的流量系數(shù)減小,而在最后幾級(jí)中會(huì)增加。在中間級(jí)中,流量系數(shù)變化很小。11.
11當(dāng)壓氣機(jī)在高于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的情況下工作時(shí)這時(shí)壓比增大,軸向分速比減小。在前幾級(jí)中,流量系數(shù)增加,沖角減小。而在末幾級(jí)中,流量系數(shù)減小,沖角加大。當(dāng)其正沖角增加得太甚時(shí),也可能就可能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離和進(jìn)入喘振工況。但一般在燃?xì)廨啓C(jī)中,高于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行是不希望的。因而,后一種喘振工況不會(huì)經(jīng)常遇到;可是,在燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程中,或是在變轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行時(shí),壓氣機(jī)卻會(huì)經(jīng)常處在低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的情況下工作。那時(shí),壓氣機(jī)就很有可能由于在前幾級(jí)中發(fā)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象而進(jìn)入喘振工況。為了保證機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程和低轉(zhuǎn)速工況下能夠正常運(yùn)行,就必須采取相應(yīng)的防喘振措施。12.
12轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)各類(lèi)級(jí)沖角的變化13.
13對(duì)壓氣機(jī)的喘振現(xiàn)象可以歸納出以下幾點(diǎn)看法1.?壓比越高的壓氣機(jī),或者是總壓比越高和級(jí)數(shù)越多的壓氣機(jī),就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。這是由于在這種壓氣機(jī)的葉柵中,氣流的擴(kuò)壓程度比較大,因而也就容易使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象。.2.??多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的喘振邊界線不一定是一條平滑的曲線,而往往可能是一條折線。據(jù)分析認(rèn)為:其原因可能是由于在不同的轉(zhuǎn)速工況下,進(jìn)入喘振工況的級(jí)并不相同的緣故。3.???在多級(jí)軸流式壓氣機(jī)中,發(fā)生在最后幾級(jí)的喘振現(xiàn)象,要比在最前幾級(jí)中發(fā)生的喘振現(xiàn)象更加危險(xiǎn)。因?yàn)樵趬簹鈾C(jī)的最后幾級(jí)中發(fā)生喘振現(xiàn)象時(shí),機(jī)組的負(fù)荷一定很高,而這些級(jí)的葉片又比較短,氣流的脫離現(xiàn)象很可能在整個(gè)葉高范圍內(nèi)發(fā)生,再加上該處的壓力又很高,壓強(qiáng)的波動(dòng)就比較厲害,因而氣流的大幅度脈動(dòng)就會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。4.進(jìn)、排氣口的流動(dòng)情況很不均勻的壓氣機(jī),就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。14.
14壓氣機(jī)中防止喘振的措施在大致了解了發(fā)生喘振現(xiàn)象的基本原因之后,就有條件來(lái)討論壓氣機(jī)中防止喘振的措施。概括起來(lái)說(shuō),目前有以下的措施:1.?設(shè)計(jì)壓氣機(jī)時(shí),應(yīng)該合理地選擇各級(jí)之間的流量系數(shù)的分配關(guān)系,力求擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。2.采用可轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉和靜葉的防喘措施。3.在壓氣機(jī)通流部分的某一個(gè)或若干個(gè)截面上,安裝防喘放氣閥的措施。4.??用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)措施。15.
15設(shè)計(jì)壓氣機(jī)時(shí),應(yīng)該合理地選擇各級(jí)之間的流量系數(shù)在低轉(zhuǎn)速下,不穩(wěn)定工況產(chǎn)生的原因是低壓級(jí)流量系數(shù)(Cz/u)會(huì)減小,正沖角會(huì)增大,隨著流量系數(shù)值的減小,氣流正沖角的增大,氣流在葉型背弧處出現(xiàn)脫離現(xiàn)象,再進(jìn)一步出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫離之后,低壓級(jí)就會(huì)逐漸趨近于喘振工況。當(dāng)達(dá)到某個(gè)極限值時(shí),在低壓級(jí)中就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流脫離現(xiàn)象,以致進(jìn)入到喘振工況。因而設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該把壓氣機(jī)前幾級(jí)的流量系數(shù)選得大些。此外,這些級(jí)的作功量也應(yīng)該取得小些,這樣就能保證壓氣機(jī)前幾級(jí)不容易進(jìn)入喘振工況。而這時(shí)高壓級(jí)中則流量系數(shù)會(huì)增大,負(fù)沖角增大,氣流在葉型內(nèi)弧處出現(xiàn)脫離現(xiàn)象。因而設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該把壓氣機(jī)后幾級(jí)的流量系得較小些,其加功量也應(yīng)選得小些。而增加中間各級(jí)的加工量,以提高全臺(tái)壓氣機(jī)的效率。16.
16壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的示意圖17.
17逐步開(kāi)關(guān)式的進(jìn)口導(dǎo)葉逐步開(kāi)關(guān)式即通常所說(shuō)的全程調(diào)節(jié),當(dāng)轉(zhuǎn)速升至某動(dòng)作轉(zhuǎn)速時(shí),進(jìn)口導(dǎo)葉開(kāi)始從“關(guān)”(34o)的位置隨著轉(zhuǎn)速的升高逐漸開(kāi)大到“開(kāi)”(84o)的位置,此后不再隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高而開(kāi)大。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到一定轉(zhuǎn)速后,進(jìn)口導(dǎo)葉開(kāi)始關(guān)小,隨著轉(zhuǎn)速的降低逐漸關(guān)小至“關(guān)”(34o)的位置,此后不再隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步降低而關(guān)小。逐步開(kāi)關(guān)式更有利于對(duì)壓氣機(jī)性能的改善。18.
18采用進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉還能帶來(lái)一些其他好處采用了進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的措施,不僅可以防止壓氣機(jī)的第一級(jí)進(jìn)入到喘振工況,而且還能使其后各級(jí)的流動(dòng)情況也得到改善。因?yàn)椋?dāng)壓氣機(jī)第一級(jí)動(dòng)葉柵中氣流的正沖角減小時(shí),級(jí)的作功量就會(huì)減小。也就是說(shuō),在第一級(jí)出口處,空氣的壓力會(huì)減小,這樣就可以增大流到其后各級(jí)中去的空氣容積流量,使這些級(jí)的氣流的正沖角也適當(dāng)減小,因而也有利于改善這些級(jí)的穩(wěn)定工作特性。靜葉的轉(zhuǎn)動(dòng),其道理和進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉一樣。考慮到中間級(jí)在低速時(shí),偏離設(shè)計(jì)情況不大,一般就不必轉(zhuǎn)動(dòng)靜葉了。根據(jù)實(shí)踐,對(duì)高壓比的壓氣機(jī),一般轉(zhuǎn)動(dòng)前面一、二級(jí)的靜葉已效果明顯,只有在壓比很高時(shí),才需要轉(zhuǎn)動(dòng)更多的靜葉。既然,改變壓氣機(jī)的進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角的措施能夠改善壓氣機(jī)的喘振特性,其效果就可以在壓氣機(jī)的特性線上得到反映。很明顯,減小導(dǎo)葉按裝角時(shí),級(jí)特性線就向左下方移動(dòng),這就意著壓氣機(jī)的喘振邊界線朝著流量減小方向移動(dòng)。顯然,這就擴(kuò)大了壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。在這里還應(yīng)指出,在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí),關(guān)小壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉安裝角的措施,對(duì)減小機(jī)組的起其動(dòng)功率也是有好處的,這是由于在這種情況下,流進(jìn)壓氣機(jī)的空氣流量將會(huì)大大減小的緣故。19.
19可轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉的另一種用途壓氣機(jī)采用可轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉后可有效地?cái)U(kuò)大壓氣機(jī)的運(yùn)行區(qū)域,同時(shí)還能改善燃?xì)廨啓C(jī)其他的一些性。為了更好滿足燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的需要,目前一些機(jī)組直到全速空載時(shí),進(jìn)口導(dǎo)葉才開(kāi)到57o角,隨著并網(wǎng)后負(fù)荷的增加,才逐漸開(kāi)到全開(kāi)時(shí)的84o角,使得進(jìn)口導(dǎo)葉角度的控制更為靈活。20.
20安裝防喘放氣閥的措施。21.
21用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)措施22.
22防喘措施的共同目的防喘措施的目的,就是設(shè)法改變?nèi)~柵進(jìn)口的沖角i,這可通過(guò):1.改變氣流進(jìn)入葉柵的方向,即改變?nèi)~柵進(jìn)口切向分速度c1u,具體辦法就是采用可轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉。2.改變?nèi)~柵進(jìn)口軸向分速cz,就是改變進(jìn)入葉柵的流量,具體辦法就是安裝防喘放氣閥。3.改變圓周速度u,讓它能與cz協(xié)調(diào)一致地變化,使流量系數(shù)Cz/u等于或接近于設(shè)計(jì)值。具體辦法就是采用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)。23.