离心与轴流风机基础及轴流式鼓风机安全运行保障措施深度解析

作者：王军（139-7298-9387）

本篇关键词：离心风机、轴流风机、安全运行、喘振、失速、振动监测、预防性维护

引言

在工业通风、工艺气体输送、冷却散热等诸多领域，风机作为核心流体机械，其稳定高效运行至关重要。风机主要分为离心式和轴流式两大类。虽然本文主题聚焦于轴流式鼓风机的安全运行，但理解其与离心风机的区别与联系是构建完整知识体系的基础。本文将从离心风机的基础知识入手，进而深入剖析保障轴流式鼓风机安全稳定运行的关键技术与措施，旨在为同行技术人员提供一份实用的参考。

第一部分：离心风机基础知识

离心风机，顾名思义，其工作原理依赖于离心力的作用。它的气流路径与风机轴呈垂直方向，即径向流动。

1.1 基本结构
一台典型的离心风机主要由以下几部分组成：

进风口：引导气体均匀进入叶轮。 叶轮：风机的“心脏”，由前盘、后盘和一系列夹在其中的叶片组成。叶片的形状（后向、前向、径向）决定了风机的性能特性。 机壳：又称蜗壳，其形状为对数螺旋线，主要作用是收集从叶轮中甩出的气体，并将气体的部分动能转换为静压能。 主轴：传递动力，支撑叶轮旋转。 轴承座：支撑主轴，保证其平稳旋转。 驱动装置：通常是电机，通过联轴器或皮带驱动主轴。

1.2 工作原理
电机驱动叶轮高速旋转，叶轮叶片通道内的气体在叶片的驱动下随之旋转，并在强大的离心力作用下被甩向叶轮边缘，从叶轮中高速流出进入蜗壳。气体在蜗壳内减速，将动能转换为压力能（静压），最终从出风口排出。与此同时，叶轮中心部位由于气体被甩出而形成低压区，外部气体在大气压作用下被源源不断地吸入进风口，从而形成连续的气体流动。

1.3 核心性能参数与定律

风量（Q）：单位时间内风机输送的气体体积，单位为立方米每秒（m³/s）或立方米每小时（m³/h）。 风压（P）：风机产生的全压，包括静压和动压，单位为帕斯卡（Pa）或千帕（kPa）。 功率（N）
有效功率（Ne）：单位时间内气体从风机获得的实际能量。有效功率（瓦）等于风压（帕斯卡）乘以风量（立方米每秒）。
有效功率 = 风压 × 风量 轴功率（Nz）：单位时间内由原动机传递到风机主轴上的功率。由于存在各种损失，轴功率大于有效功率。
效率（η）：风机的有效功率与轴功率之比，是衡量风机能量转换效能的关键指标。
效率 = (有效功率 / 轴功率) × 100% 转速（n）：叶轮每分钟的旋转次数，单位为转每分钟（r/min）。

相似定律是风机选型、性能换算和改造的理论基础，它指出：

风量与转速成正比，与叶轮直径的立方成正比。
风量比 = (转速比) × (直径比)^3 风压与转速的平方成正比，与叶轮直径的平方成正比，与气体密度成正比。
风压比 = (转速比)^2 × (直径比)^2 × (密度比) 轴功率与转速的立方成正比，与叶轮直径的五次方成正比，与气体密度成正比。
功率比 = (转速比)^3 × (直径比)^5 × (密度比)

第二部分：轴流式鼓风机简介及与离心风机的对比

2.1 轴流风机工作原理
轴流式鼓风机的工作原理与飞机机翼类似。其气体流动方向平行于风机主轴。当由多个翼型叶片组成的叶轮旋转时，叶片正面（工作面）对气体产生推力，使其向轴向加速，同时叶片背面产生负压（吸力），两者共同作用，推动气体持续地从进口流向出口。其增压过程主要依靠叶片的升力原理，而非离心力。

2.2 主要对比

第三部分：保障轴流式鼓风机安全运行的核心措施解析

轴流式鼓风机，特别是大功率机组，由于其自身的气动特性，运行中存在一些特有的风险点，如“喘振”和“旋转失速”，这些是威胁安全运行的首要因素。因此，保障措施必须具有极强的针对性。

3.1 严防喘振—安全运行的生命线
（1）喘振现象解析：
喘振是轴流风机最危险的不稳定工况。当系统阻力升高（如管网阀门关小、过滤器堵塞）至超过风机在该转速下所能提供的最大压力时，气流会严重脱离叶片工作面，导致出口压力急剧下降。系统管网中的高压气体会瞬间倒流至风机内。待管网压力下降后，风机又恢复正常送气，但很快系统压力又升高，再次引发倒流。如此周而复始，形成剧烈的气流振荡。
现象：风机流量、压力大幅波动，机组产生剧烈振动和异常吼叫声，严重时足以在短时间内摧毁轴承、叶片甚至整个机组。

（2）防喘振措施：

设置防喘振控制线（放空阀或旁通阀）：这是最直接有效的保护措施。在风机性能曲线上绘制出一条实际的防喘振控制线，该线位于喘振线的右侧（大流量侧）并留有一定安全裕度。通过实时监测风机入口流量（Q）和出口压力（P）或压比，由DCS或PLC计算出当前工作点与防喘振控制线的距离。当工作点逼近控制线时，自动打开放空阀或旁通阀，瞬间增加风机流量，使工作点迅速右移，远离喘振区。待工况恢复正常后，阀门再缓慢关闭。 采用可调静叶（导叶）或动叶调节：对于大型轴流风机，采用调节进口导叶角度或直接调节动叶安装角的方式，可以改变风机的性能曲线，使喘振线向左下方移动，从而扩大风机的稳定工作范围。这是一种主动的、高效的防喘振和调节手段。 限流运行：在操作规程中明确规定风机的最低负荷限制，确保运行流量始终大于该转速下的喘振流量。

3.2 抑制旋转失速
（1）失速现象解析：
当气流冲角增大到临界值时，会在叶片背部分离形成涡流区，导致该叶片升力下降、阻力增加，这种现象称为“失速”。在轴流风机中，失速区并非静止，而是以一个低于转子转速的速度环绕叶轮旋转，故称“旋转失速”。它会引起叶片交变应力，导致疲劳断裂，同时引发机组低频振动。

（2）抑止措施：

叶片优化设计：采用高效翼型、控制叶尖间隙、使用失速延迟型叶片（如带涡流发生器）等，从源头上提高叶片的失速裕度。 在线监测与预警：安装振动传感器，特别是用于监测低频振动分量。旋转失速通常会激发特定频率的振动（通常低于转频），通过频谱分析可以早期识别失速前兆，及时调整运行工况（如开大导叶、增加流量）以避免进入深度失速。 避免低流量工况长期运行：制定操作规程，避免风机在低负荷区长时间运行。

3.3 全面的状态监测与故障诊断系统
一套完善的在线监测系统是风机的“听诊器”和“监护仪”。

振动监测：在轴承座等关键位置安装振动传感器，连续监测振动速度、位移和加速度值。通过趋势分析和频谱分析，可有效诊断转子不平衡、不对中、轴承磨损、叶片松动、基础松动等机械故障，以及喘振和失速等气动故障。 温度监测：实时监测轴承温度、电机定子温度、润滑油温。轴承温度异常升高是润滑不良、磨损加剧或负载过大的直接信号。 过程参数监测：严密监控进出口压力、流量、电机电流等。电流异常波动可能预示着过载、喘振或机械卡涩。

3.4 精益化的维护保养体系

润滑管理：使用规定牌号、清洁度达标的润滑油（脂），定期检验油品质量，按周期加油或换油。保证润滑系统（油站、冷却器、过滤器）工作正常。 动静间隙检查：定期停机检查叶顶与机壳间隙、叶片与静子部件间隙。间隙过大会导致效率下降和性能曲线偏移（喘振线左移）；间隙过小则有刮擦风险。 叶片检查：检查叶片表面有无磨损、裂纹、腐蚀、积灰结垢。叶片结垢会破坏气动外形，引发振动并可能将转子推向不平衡状态。必须定期进行清理和动平衡校验。 对中复查：定期检查电机与风机、以及各连接部件之间的对中情况，热态运行后需进行热对中复查。 螺栓紧固：检查地脚螺栓、联轴器螺栓等关键连接件的紧固情况，防止松动。

3.5 规范的操作与应急处置

规范启停操作：轴流风机严禁在关闭进出口阀门的条件下启动（离心风机也需注意）。正确的启动顺序是：全开进口阀（或导叶）、全开放空阀→启动主机→待转速稳定后，缓慢关闭放空阀，同时缓慢打开出口阀，并调节导叶至所需工况。停机顺序相反。 制定应急预案：针对可能发生的喘振、超温、超振动、突然停电等紧急情况，制定清晰、可操作的应急处置流程，并进行演练。确保操作人员熟知一旦发生喘振的紧急处理步骤（如立即打开放空阀、降低负荷等）。

结论

保障轴流式鼓风机的安全运行是一项系统工程，它建立在对其独特气动特性（尤其是喘振和失速）的深刻理解之上。核心技术措施围绕“防喘振”这一核心展开，通过设置可靠的防喘振控制系统、采用可调叶片技术来主动扩大稳定工况区。同时，必须辅以完善的状态监测系统作为“耳目”，以及一套严格执行的预防性维护保养体系和规范的操作规程作为“根基”。只有将技术手段与管理措施紧密结合，才能最大程度地消除隐患，确保轴流式鼓风机长周期、安全、稳定、高效地运行，为生产系统的可靠性和经济性提供坚实保障。

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