0、引言
風(fēng)機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體能量的葉輪流體機(jī)械。軸流風(fēng)機(jī)由于可以通過(guò)調(diào)整葉片安裝角來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓，同時(shí)可反轉(zhuǎn)返風(fēng)，即可避免設(shè)置返風(fēng)道和返風(fēng)門(mén)等工程，極大地方便了風(fēng)機(jī)的安裝和運(yùn)行，節(jié)省了費(fèi)用，且具有較高的效率，因而近年來(lái)得到廣泛的應(yīng)用。
由于對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部流道形狀復(fù)雜，使得對(duì)旋風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)很復(fù)雜。對(duì)旋風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)是粘性、非定常的三維運(yùn)動(dòng)，經(jīng)常遇到的現(xiàn)象有分離流動(dòng)、旋轉(zhuǎn)失速、葉頂泄漏流動(dòng)、葉片排間的相互干擾等。內(nèi)部流動(dòng)不可避免地出現(xiàn)二次流動(dòng)，以各種渦系形式存在。這些流動(dòng)無(wú)論是對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能還是安全性，都有很大影響。因此對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能故障進(jìn)行深入研究是十分必要的。
1、風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的機(jī)理分析
旋轉(zhuǎn)失速是對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)中的非軸對(duì)稱(chēng)流體擾動(dòng)。它的形成過(guò)程如圖1所示。因?yàn)檫M(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣流在各個(gè)流道中的分配并不是均勻的，氣流旋渦的多少也有區(qū)別，故假設(shè)在第2流道產(chǎn)生氣體脫離團(tuán)，則脫離團(tuán)的氣體占據(jù)了流道的一部分空間，使流道截面減小，于是流經(jīng)該流道的氣流量也就相應(yīng)地減小，使多余氣體擠向相鄰的流道，從而使第1流道的流入角增大，沖角減小，改善了該流道的氣體流動(dòng)狀況；而第3流道的流入角減小，沖角增大，造成該流道的氣流失速。同時(shí)第3流道的氣體脫離團(tuán)又改善了第2流道的氣流狀況，而加劇了第4流道的氣流失速。依此類(lèi)推，氣體脫離團(tuán)如此循環(huán)發(fā)生，就在葉輪內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)失速，其運(yùn)動(dòng)方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反。
失速區(qū)傳播的相對(duì)速度低于葉片旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)速度，旋轉(zhuǎn)失速的頻率是在轉(zhuǎn)速頻率的0.82倍范圍內(nèi)。如果只有一個(gè)失速區(qū)的話，則失速頻率是轉(zhuǎn)速的一半。軸流風(fēng)機(jī)隨著級(jí)數(shù)的增加逐漸接近轉(zhuǎn)頻的某一固定分倍頻。常伴1倍頻，振動(dòng)大幅度波動(dòng)，在徑向和軸向均發(fā)生振動(dòng)。
2、實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由KDF -5型低噪聲對(duì)旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)、測(cè)試風(fēng)筒和機(jī)座3部分組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)的流量、壓力和功率測(cè)定按GB1236 -2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)》進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)布置如圖2所示。
3、實(shí)驗(yàn)測(cè)試信號(hào)分析處理
本實(shí)驗(yàn)對(duì)對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)的5種工況進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。
在圖3所示的振動(dòng)功率譜圖中，1點(diǎn)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，2點(diǎn)為轉(zhuǎn)頻二次諧波，3點(diǎn)為失速團(tuán)頻率，4點(diǎn)為失速團(tuán)二次諧波，由于氣流與風(fēng)機(jī)相互作用時(shí)存在著滑差和相位滯后，造成頻譜并不嚴(yán)格等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)頻，而是在轉(zhuǎn)頻附近波動(dòng)。在未失速狀態(tài)下，壓力信號(hào)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻與其二次諧波如工況1、2所示，由于這2個(gè)工況接近設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，因而不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速，當(dāng)流量進(jìn)一步減小，達(dá)到工況3時(shí)，接近失速工況，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻約0.7倍35 Hz處出現(xiàn)了微弱的擾動(dòng)成分（失速團(tuán)），但幅值較小，與其附近幅值非常接近；進(jìn)一步減小流量達(dá)到工況4時(shí)，進(jìn)入弱失速區(qū)，此時(shí)失速團(tuán)的振動(dòng)幅值與其附近幅值比較已經(jīng)比較明顯，工況5時(shí)，失速團(tuán)振動(dòng)幅值進(jìn)一步提高，其二次諧波也隨之明顯地表現(xiàn)出來(lái)。隨著流量的減小旋轉(zhuǎn)失速工況將進(jìn)一步發(fā)展而進(jìn)入強(qiáng)失速階段，此時(shí)失速團(tuán)的振動(dòng)幅值甚至?xí)^(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，并且其二次諧波的幅值也將明顯顯現(xiàn)，達(dá)到最大值后，旋轉(zhuǎn)失速的強(qiáng)度會(huì)逐漸減小，失速團(tuán)以及其二次諧波的幅值也隨之降低。
由于氣動(dòng)壓力傳感器能更好地表現(xiàn)氣動(dòng)壓力信號(hào)，因此從氣動(dòng)信號(hào)的測(cè)試結(jié)果中能更清晰地看出旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)展過(guò)程，如圖4所示。
在圖4所示的氣動(dòng)信號(hào)功率譜圖中，能夠更清晰地看出旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)展過(guò)程。工況l、2基本上處于設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)，沒(méi)有失速團(tuán)的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻以及其二次諧波表現(xiàn)的比較明顯；工況3時(shí)，失速團(tuán)產(chǎn)生，但振幅相對(duì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻來(lái)說(shuō)還很小；工況4時(shí)失速團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展，振幅進(jìn)一步提高，已經(jīng)接近轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻；工況5時(shí)，失速團(tuán)二次諧波表現(xiàn)出來(lái)，而且失速團(tuán)振幅已經(jīng)開(kāi)始超過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻。
4、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)在5種工況下的實(shí)驗(yàn)研究，可以清楚地看到旋轉(zhuǎn)失速的產(chǎn)生全過(guò)程：
當(dāng)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下工作時(shí)，沒(méi)有失速團(tuán)的產(chǎn)生；當(dāng)流量進(jìn)一步減小，風(fēng)機(jī)處于接近失速工況時(shí)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻約0.7倍35 Hz處出現(xiàn)了微弱的擾動(dòng)成分（失速團(tuán)），但幅值較小，與其附近幅值非常接近；進(jìn)一步減小流量，則進(jìn)入弱失速區(qū)，此時(shí)失速團(tuán)的振動(dòng)幅值已明顯有別于其附近幅值。隨著流量的減小，失速團(tuán)振動(dòng)幅值進(jìn)一步提高，其二次諧波也隨之明顯地表現(xiàn)出來(lái)。進(jìn)而，旋轉(zhuǎn)失速工況進(jìn)一步發(fā)展而進(jìn)入強(qiáng)失速階段，此時(shí)失速團(tuán)的振動(dòng)幅值甚至?xí)^(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，并且其二次諧波的幅值也將明顯顯現(xiàn)。達(dá)到最大值后，旋轉(zhuǎn)失速的強(qiáng)度會(huì)逐漸減小，失速團(tuán)以及其二次諧波的幅值也隨之降低。
