風機工況調節及運行

一. 風機裝置工況

與求解水泵裝置工況的方法相同，圖解風機裝置工況仍然是目前普遍采用的方法。風機P—Q性能曲線表示風機給單位容積氣體提供的能量與流量的關系；管路P—Q性能曲線表示管道系統單位容積氣體流動所需要的能量與流量的關系，這是兩條曲線的不同概念。但是，對風機裝置來說，兩條曲線又相互聯系、相互制約，裝置工況即是風機與管路的質量平衡結果；也是風機與管路的能量平衡結果。

1、風機裝置的管路性能曲線

風機管路系統是指風機裝置中除風機以外的全部管路及附件、吸入裝置、排出裝置的總和。風機管路性能曲線是指單位容積氣體從吸入空間經管路及附件送至壓出空間所需要的總能量（即全壓）與管路系統輸送流量Q的關系曲線。一般吸入空間及壓出空間均為大氣，且氣體位能通常忽略，則管路性能曲線的數學表達式為

(N/㎡)                                                  (4-28)

式子中是管路系統的綜合阻力系數（㎏/㎡ ）。 決定于管路系統的阻力特性，根據管路系統的設置情況和阻力計算確定。式子（4-28）表示的管路性能曲線在坐標系中是一條通過原點的二次拋物線。

全壓表示風機提供的總能量，但是用于克服

管路系統阻力的損失能量只能是全壓中靜壓能量。

因此，風機裝置工況的確定，有時需要用風機的靜

壓與流量關系（）曲線來確定相應的裝置

工況。此時，風機裝置將出現全壓工況點N 和靜

壓工況點 M ，如圖 4-12 所示，這是意義不同的

兩個工況點。                                              

2、無量綱管路性能曲線

離心風機的性能曲線通常采用無量綱性能曲線

表示（見圖4-11），所以求解裝置工況需要采用與之            圖 4-12

相應的無量綱管路性能曲線。為此，需對管路性能            

曲線的方程式無量綱化，利用無量綱性能曲線同樣可圖解風機裝置工況。            

對式（4-28）進行無量綱化，有

式中為葉輪出口牽連速度，為葉輪圓盤面積，為氣體密度。顯而易見，  同風機的壓力系數  ， 同風機的流量系數，若  項用 表示，則上式可寫為

                                        （4-29）

式中 也是一個無量綱系數，若采用基本量綱進行量綱分析，其量綱為

式（4-29）就是管路無量綱性能曲線的數學表達式，其有與風機相同的無量綱系數、和管路無量綱系數。可以看出，式（4-29）表示的管路無量綱性能曲線，在坐標系中仍然是一條通過原點的二次拋物線。利用無量綱性能曲線同樣可以圖解風機裝置工況，圖解所得無量綱性能參數同樣可以轉換為實際性能參數。

二、風機工況調節

與水泵工況調節相類似，風機工況調節也可分為非變速調節與變速調節兩種方式。在非變速調節中，又分為節流調節、分流調節、離心風機的前導葉輪調節，軸流風機的動葉調節等不同方法。

1. 風機入口節流調節    

  利用風機進口前設置的節流裝置來調節流量的方法，稱為入口節流調節。因為節流增加了管路阻力，所以也改變了管路性能曲線。同時，由于入口節流裝置一般安裝在風機進口前部位，節流時其斷面速度非均勻分布，直接影響到葉輪進口的正常速度分布，因此也改變了風機的性能曲線。節流調節后的裝置工況，

則由變化后的兩條性能曲線決定，如圖4-13

所示。風機裝置原工況點為M ，流量；采用

節流調節后流量減小為，其工況點為A，調節

損失能量。若采用出口節流調節，則工況點

應為，能量損失為。由于<，            

所以入口節流調節適用于小型風機的調節。

入口節流調節除了改變葉輪進的速度分布之外，

同時還降低了葉輪進口部位的壓力，對于水泵增加

了汽蝕的危險性，因此水泵不采用這種調節方法。                圖4-13

  2 . 風機入口導流器調節

  入口導流器調節是離心風機采用的一種主要調節方法，入口導流器及設置仍見圖(4-5)   所示。通常把導流器及進氣箱都作為離心風機的一個組成部分，利用改變入口葉輪的安裝角，來改變風機的性能曲線并改變風機裝置工況，達到風機流量調節的目的。

  入口導流器調節的工作原理表明，當入口導葉的安裝角=0°時，入口導葉對葉輪進口氣流基本上無作用，仍保持徑向流入狀態（即）。當>0°時，入口導葉將使氣流的進口絕對速度產生圓周切向分量（即），不再保持徑向流入狀態。入口導葉對進口氣流的這種作用稱為“預旋”。由葉片式泵與風機的基本方程式             可知，當=0°時，；當0°時，，即預旋將使全壓減小，導致風機P—Q 曲線變陡。由裝置工況分析可知，入口導流器調節的經濟性要好于出口節流調節。

當離心風機的調節流量較小時，采用入口導流器調節的經濟性與變速調節的經濟性相當。同時，入口導流器構造簡單尺寸小，投資低；調節運行可靠、方便，維修簡單。因此入口導流器調節方法在離心風機中有廣泛的應用。

與入口節流調節的分析相同，水泵很少采用入口導葉調節這種方式。只有在泵裝置具有足夠的有效汽蝕余量，以致采用入口導流器調節不會產生汽蝕時，離心水泵和軸流泵還是可以考慮采用這種調節方式的，因其經濟性仍然是高于節流調節的。

3、風機（泵）的分流調節

風機的分流調節就是把風機輸出的部分流量通過分流管回流到吸入容器或引入管路，并且在分流管裝有閥門以調節分流流量的大小來調節風機裝置的流量，這就是分流調節，如圖 4-14（a）所示。

風機裝置分流調節的圖解工況如圖4-14（b）所示。與水泵不對稱并聯圖解工況相同，采用折引方法求解分流調節工況是可行的。首先，將公共管段AB視為風機的組成部分，在風機的 P—Q 曲線上每一點的壓力P減去對應流量下的AB段損失壓力，可得到折引風機性能曲線。然后，作折引到管路性能曲線，即無公共管段AB，而由BC與BD 管段直接并聯的管路曲線。風機輸出段BC的曲線是指分流管閥門全關時的管路性能曲線；分流段BD的曲線是指分流管閥門全開的管路性能曲線。根據并聯管路工作原理，對曲線與曲線進行等壓力下的流量疊加，得到折引管路性能曲線。曲線與曲線的交點M′即為裝置分流調節的工況點。

根據折引原理，風機的工況點為M。從M′點作水平線分別交  曲線和曲線于C1點和C2點，其對應的流量就是風機輸出的實際流量，就是調節的分流流量。根據并聯工作原理，風機流量。當分流管閥門全關時，其裝置工況點為N′，風機工況點為N。顯然，從N′點到M′點的各工況點，代表了分流管閥門從全關到全開時的全部分流調節工況。

軸流式風機采用分流調節方式要優于節流調節，其經濟性要好些。離心式風機采用分流調節方式其經濟性要低于節流調節方式。

風機分流調節原理也適用于并聯管路送風裝置的工況確定。由圖4-14（a）可見，分流管BD實際就是與管段BC并聯的另一條管路。

分流調節也適用于泵裝置的工況調節。因為泵不能采用入口節流調節或入口導葉調節，所以采用節流調節比風機更為適宜。

三、風機的非穩定工況運行

風機正常工作時呈現的是穩定工況；當風機選型不當或風機使用欠妥時，某些風機就會產生非穩定工況，風機的非穩定運行將影響甚至破壞其正常工作。與軸流泵相同，軸流風機也具有駝峰形性能曲線，其最大特點就是存在著運行的不穩定工作區，風機一旦進入該區工作，就會產生不同形式的非穩定工況，并表現出明顯的非正常工作的征兆。

1、葉柵的旋轉脫流

軸流風機葉輪均采用了翼型葉片，氣體與翼型之間的相對運動就是翼型繞流。在翼型繞流特性分析中，定義相對運動方向與翼弦線（即翼型前后緣曲率中心之連線）的夾角為沖角（或攻角），如圖4-15所示，沖角大小是影響機翼型繞流特性的最重要的因素。當沖角為零時，葉片產生較大的升力和較小的摩擦阻力。當沖角增大時，葉片背水面尾部流動產生分離，外力有所增加而阻力（主要是形體阻力）的增加更大，葉片升阻比減小。當沖角增大到某一臨界值后，流動分離點前移，分離區擴大，致使升力明顯下降而阻力急劇增大。這種繞流現象稱為脫流（或失速）。對于依靠外力工作的軸流風機，脫流是產生非穩定工況的一個重要原因。

圖4-15                                     圖4-16

軸流風機葉輪是由繞輪轂的若干個翼型組成的葉柵，圖4-16所示為展開后的平面葉柵，葉片之間為氣流通道，如圖中標示的1、2、3……。氣流在通過旋轉葉柵時也會產生脫流現象，但這種脫流總是在某一個葉片首先發生，并在該葉片背水面流道，如圖中的流道2的后部因渦流發生流動阻塞。2流道因阻塞減小的流量將向相鄰的1、3流道分流，并與原有的流動匯合使1、3流道的流量增大。由于匯流改變了1、3流道的流動狀況，也改變了1、3流道的進口流動方向。流道2向流道1的分流方向與葉輪的旋轉方向相同，將使葉片沖角減小而抑止了脫流的發生；與此相反流道2向流道3的分流方向與葉輪旋轉方向相反，將使葉片沖角增大而誘發了脫流的產生。這樣，流道1就保持了正常的流動狀況，而流道3因脫流而是非正常的流動狀況。與前面的分析完全相同，當流道3因脫流而發生流動阻塞時，也將影響到2、4流道的流動，抑止了2流道的脫流卻誘發了4流道的脫流。因為葉輪是旋轉的，所以此過程是順序反復進行的。因此在旋轉葉輪中，葉片脫流將沿著葉輪旋轉的反方向，周期性而持續地依次傳遞；這種脫流現象稱為旋轉脫流。

旋轉脫流逆葉輪旋轉方向的角速度小于葉輪旋轉角速度（約為轉速的30%-80%），脫流對葉片仍有很高的作用頻率。同時，脫流前后作用于葉片的壓力大小也有一定的變化幅度。因此，旋轉脫流除了影響風機正常工作，使其性能下降之外；還由于葉片受到一種高頻率，有一定變幅的交變力作用，而使葉片產生疲勞損壞；當這一交變力頻率等于或接近葉片的固有頻率時，葉片將產生共振甚至使葉片斷裂。

為防止軸流風機產生旋轉脫流，應在風機選型和運行中確保風機工況點不進入風機的不穩定工作區。

2．風機的喘振

風機駝峰形性能曲線如圖4-17所示。根據圖解離

心泵裝置工況的能量平衡關系可知，圖中K點為臨界

點，K點右側為風機穩定工作區，左側為不穩定工作區。

現對具有大容量管路系統的風機裝置，并且風機在不穩

定運行的工作狀況進行討論。

駝峰形曲線和大容量管路是風機發生喘振的必要件。

仍見圖4-17，裝置原工況點A為穩定工況。現在需要

流量減小至，則工況點沿上升曲線AK達到K

點，該段變化保持穩定工況。至K點后沿下降曲線KD

變化，該段為不穩定工作區，使風機工作點即刻降至D

點，，。與此同時，管路性能也沿曲線

AK變化，壓力上升至 ，由于管路容量大，其壓力

變化滯后于風機工作不穩定變化，所以管路壓力保持           圖4-17

不變。在風機無流量輸出，并且管路壓力大于風機壓力的條件下，風機出現正轉倒流現象，風機跳至C點工作。由于管路流量輸出使其壓力下降，倒流流量也隨之減小，風機Q—P性能變化沿CD線進行。在D點，管路壓力與風機壓力相等，倒流流量也等于零，風機即無流量的輸出也無流量的輸入，但風機仍然在持續運行，故風機工作點又由D點跳到E點。但是，由于外界所需風量仍保持，所以上述過程將按E—K—C—D—E的順序周期性地反復進行。以上討論也是對喘振機理的分析。

當具有大容量管路系統的風機處于不穩定工作區運行時，可能會出現流量壓力的大幅度波動，引起裝置的劇烈振動，并伴隨有強烈的噪音，這種現象稱為喘振。喘振將使風機性能惡化，裝置不能保持正常的運行工況，當喘振頻率與設備自振頻率相重合時，產生的共振會使裝置破壞。

為了防止喘振的發生，大容量管路系統的風機應盡量避免采用駝峰形性能曲線；在任何條件下，裝置輸出的流量應充分地大于臨界流量，決不允許出現；采用適當的調節方法擴大風機的穩定工作區；控制管路容積等措施都是有效的。

3、風機并聯工作的“搶風”現象

當風機并聯工作也存在不穩定區時，將會影響風機并聯的正常工況，產生流量分配的偏離，即“搶風”現象。

兩臺具有駝峰形曲線的風機并聯工作。假定為同型號風機，性能曲線為，用并聯性能曲線的方法作出并聯性能曲線，由于存在不同段曲線并聯的可能，因此在中出現了一個形狀的不穩定工作區。風機性能曲線及并聯性能曲線如圖4-18所示。

當并聯運行工況點為A時，相應每臺風機均在A1點工作，風機為穩定運行。若并聯風機在不穩定的區內運行，管路性能曲線與風機并聯性能曲線有兩個交點，即B點和C

點。當在B點運行時，相應每臺風機均在B1點              圖4-18

工作，風機仍為穩定運行。當因各種因素不能維持在B點運行時，工況點將下移到C點，這時相應每臺風機的工況點分別在C1點和C2點。流量大的這臺風機在穩定區的C1點工作，而流量小的風機的工作在不穩定區的C2點，由于一臺風機在不穩定區工作 ，因此C 點并聯工況僅為暫時的平衡狀態，隨時有被破壞的可能。這種不穩定的并聯工況，不僅產生較大的流量偏離，一臺風機流量很小甚至出現倒流；同型號風機的不穩定并聯工況，還客觀導致風機工作點的相互倒換，即兩風機大小流量互變。以上過程的反復進行，使風機不能正常并聯運行，這是風機“搶風”現象機理的分析。

“搶風”現象不僅影響了并聯裝置的正常工作，而且還可能引起裝置的振動，電機的空載或過載等不良后果。因此，應盡量避免并聯風機的不穩定運行。如低負荷工作時應采用單臺風機運行；也可采取適當的調節方法等措施來防止“搶風”現象的發生 。

水泵并聯運行也存在著類似的“搶水”現象，除了上述的危害之外，還可能引起泵的汽蝕，具有更大的危害性。