目前,一般軸流通風機通常采用高效的扭曲機翼型葉片,當氣流沿葉片進口端流入時,氣流就沿著葉片兩端分成上下兩股,處于正常工況時,沖角為零或很小(氣流方向與葉片葉弦的夾角α即為沖角),氣流則繞過機翼型葉片而保持流線平穩的狀態,如圖1a所示。當氣流與葉片進口形成正沖角時,即α>0,且此正沖角超過某一臨界值時,葉片背面流動工況則開始惡化,邊界層受到破壞,在葉片背面尾端出現渦流區,即所謂“失速”現象,如圖1b所示。沖角α大于臨界值越多,失速現象就越嚴重,流體的流動阻力也就越大,嚴重時還會阻塞葉道,同時風機風壓也會隨之迅速降低。
(圖1 氣流沖角的變化及失速的形成)
風機的葉片在制造及安裝過程中,由于各種客觀因素的存在,使葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角,因此當運行工況變化而使流動方向發生偏離時,在各個葉片進口的沖角就不可能完全相同。當某一葉片進口處的沖角α達到臨界值時,就可能首先在該葉片上發生失速,并非是所有葉片都會同時發生失速,失速可能會發生在一個或幾個區域,該區域內也可能包括一個或多個葉片。由于失速區不是靜止的,它會從一個葉片向另一個葉片或一組葉片擴散,如圖2所示。假定產生的流動阻塞首先從葉道23開始,其部分氣流只能分別流進葉道12和34,使葉道12的氣流沖角減小,葉道34的沖角增大,以至于葉道34也發生阻塞,并逐個向葉道45、56…傳播,如圖2所示。試驗表明:脫流的傳播速度ω′小于葉片運轉的角速度ω;因此,在絕對運動中,脫流區以Δω=ω′-ω速度旋轉,方向與葉輪旋轉方向相同,這種現象稱為旋轉脫流或旋轉失速。風機進入到不穩定工況區運行時,葉輪內將會產生一個或數個旋轉失速區。葉片每經過一次失速區就會受到一次激振力的作用,從而會使葉片產生共振;此時,葉片的動應力增加,嚴重時還會導致風機葉片斷裂,造成設備重大損毀事故。
(圖2 運轉脫硫工況)
通常風機是定轉速運行的,即葉片周向線速度可以看作是一定值,這樣影響葉片沖角大小的因素就是氣流速度與葉片的安裝角。
(圖3 進氣速度及葉片角度對沖角的影響)
由圖3可看出,當葉片安裝角β(圖3中虛線代表的角度)一定時,如果氣流速度c越小,則沖角α(圖3中虛線與相對速度w的夾角)就越大,產生失速的可能性也就越大。
當氣流速度c一定時,如果葉片安裝角β減小,則沖角α也減小;當氣流速度c很小時,只要葉片安裝角β很小,氣流沖角α也很小。因此,當風機剛剛啟動或低負荷運行時(前提是管道的進、出口風門此時應處于全開狀態),風機失速的可能性將會減小甚至消失。同樣,對于動葉可調風機,當風機發生失速時,關小失速風機的動葉角度,可以減小氣流的沖角,從而使風機逐步擺脫失速狀態。當然,還可以明顯地看出,對于葉片高度方向而言,線速度u是沿葉片高度方向逐漸增大的,在氣流速度c一定的情況下,沖角α會隨著葉片高度方向逐漸增大,以至于在葉頂區域形成旋轉脫流;因此,隨著葉片高度的方向逐漸減小,葉片安裝角β可以避免因葉高引起的旋轉脫流。目前,動葉可調軸流風機常用的扭曲葉片就是基于這個道理(見圖4)。
(圖4 葉頂與葉根的速度三角形)