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離心引風機旋轉失速的故障診斷及現場處理方法

1 風機旋轉失速的機理及故障特征
　　旋轉失速是離心引風機的一種典型故障，如得不到遏制，則可能進一步導致喘振。旋轉失速會破壞葉輪內部流場的不均勻性，產生額外的氣動載荷，嚴重時可能誘發葉片高應力點處的疲勞、斷裂，使風機的效率下降，引起機殼本體和連接管道的劇烈振動，造成事故隱患。
　　當進入葉輪的氣體流量低于額定流量時，氣體進入葉輪的徑向速度減少，在葉片的后緣點附近產生渦流，從而引起氣流從葉片背部分離，氣流在葉片背面的流動惡化，升力減小，阻力卻急劇增加，最終導致失速^[1] 。此時，從固定于葉輪上的相對坐標系來看，旋轉脫離團以角頻率ω_１的角頻率旋轉，而從葉輪之外的絕對坐標系來看，旋轉脫離團是以（ω－ω_１）的角頻率旋轉的，方向與轉子的旋轉方向相同，其中ω為轉子的旋轉頻率。因此，風機發生旋轉失速故障時，轉子的異常振動將同時出現ω_１和（ω－ω_１）兩個特征頻率^[2] 。由其計算公式可知，葉輪失速頻率（ω－ω_１）大概在0.5～0.8轉速頻率ω的范圍內。
　　此外由旋轉失速引起的設備振動不同于其他機械故障的振動^[3] ，轉子的不平衡和不對中可能使轉子振幅較高，但在機殼和管道上并不一定感覺到明顯的振動；屬于氣流激振一類的旋轉失速卻與此不同，有時在轉子上測得的振幅雖然不太高，然而在機殼和管道卻表現出劇烈的振動。另外旋轉失速所引起的振動隨負荷、壓力及流量的改變而變化。
2 故障診斷過程
　　該離心引風機為兩端支撐，設計流量為101.25m³/s，全壓為4832Pa，設計轉速960r/min，電機功率710kW。
2.1 數據采集
　　兩臺風機的振動都較為劇烈，且1#風機的振動更大些。為準確查找故障原因，使用CSI2130振動分析儀對2臺離心引風機的電機、風機軸承座、機殼及管道都進行了監測并采集振動數據，具體結構簡圖及測點布置見圖1。下面以1#引風機的振動數據進行分析。

2.2 數據分析
　　各測點的振動值統計見表1。從數據來看，風機轉子各測點的振值并不大，但機殼和管道的振動幅值卻非常高，并伴有明顯噪聲，類似于空氣壓縮機的聲音。機組的振值隨風門開度變化有改變，風門開度從0%～100%的過程中，振值變化幅度不超過20%。風門開度在40%左右時，各測點的振值最小。表1數據為風門開度在60%時所采集。

表 1 各測點振動值統計表 mm/s

測點

測點 1

測點 2

測點 3

測點 4

測點 5

測點 6

方向

⊥

―

⊙

⊥

―

⊙

⊥

―

⊙

⊥

―

⊙

⊥

進口

出口

振值

1.1

1.3

1.2

1.5

1.8

3.8

2.4

4.4

5.3

3.8

　　選擇測點4水平方向的數據進行頻譜分析，振動頻譜見圖2。風機轉頻f_r=14.76Hz及二倍轉頻的幅值非常明顯，且二倍轉頻的幅值接近轉頻幅值的2倍，有較明顯的平行不對中故障。非同步頻率131.09Hz的幅值較高，計算知此頻率與風機軸承SKF22232CC/W33的外圈故障頻率相吻合，同時被頻率成分f＝14.67Hz所調制，頻譜中存在非同步頻率f＝10.4Hz的低頻振動及其高次諧波。
　　選擇測點5（風機機殼）的數據，進行頻譜分析，見圖3。分析頻率1 000Hz下的低頻振動烈度已接近50mm/s，頻譜圖中幾乎只有頻率f＝10.4Hz的幅值。選擇測點6（進口管道）的數據，進行頻譜分析，見圖4。振動烈度已接近25mm/s，頻譜圖中也幾乎只有頻率f＝10.4Hz的幅值。

2.3 診斷結論
　　從上述3個測點的頻譜可知，機殼及管道振動劇烈主要是出現了頻率f＝10.4Hz的低頻振動，該頻率成分f＝0.7f_r。在風機旋轉失速的故障特征中，應有旋轉脫離團w₁和(w-w₁)的角頻率兩個成分。但快速傅立葉變換（FFT）技術對周期性的沖擊信號效果并不明顯，尤其是低頻的沖擊，很可能淹沒在噪聲和其它故障的振動特征中，頻譜圖中難以分辨。結合現場風機的機殼、管道振動劇烈，判斷f＝10.4Hz就是葉輪的失速頻率^[4] ，風機發生了因進氣量不足導致的旋轉失速故障。至于131.09Hz的軸承外圈故障頻率則為旋轉失速產生的異常振動降低了軸承的裝配精度導致的軸承外圈松動。同時，由于風機基礎剛性較差，破壞了整個機組的對中精度。

3 故障處理及驗證
3.1 故障處理
　　進風口進氣量不足是導致風機發生旋轉失速故障的常見原因，依據這一思路，對現場風機的管網情況進行了認真檢查，與風機連接的管道直徑為1.7m左右，根據管網的設計經驗，為保證氣流順暢，引風機的直管道距離應大于管道直徑的1.5倍^[5] ，而現場的引風機直管道的長度僅為1.5m，該管網的設計顯然違背了這一原則。由于引風機直管道長度不夠，不能保證相對穩定的氣流供應，致使引風機的實際氣體流量在風門全開的情況下仍小于設計流量，造成了旋轉失速。若要徹底解決這一問題，就需要盡可能地延長該引風機進氣直管道的長度，但受現場實際空間所限，很難對進氣直管道的長度進行改進，見圖5。遵循增加引風機進氣量的這一解決思路，仔細檢查該進氣管道各部，最終決定將進氣管道與風機連接90°彎頭處的人孔蓋敞開（見圖6），通過直通大氣來緩解進口管道的進氣量不足。
3.2 效果驗證
　　實施這一簡單易行的措施后，引風機機殼和管道的振動明顯減弱，機殼和管道的振動烈度分別下降至13mm/s和4mm/s，風機軸承座的振動也趨于平穩，各測點的振動烈度均未超過3mm/s，引風機運轉正常。