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離心引風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的故障診斷及現(xiàn)場處理方法

1 風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的機(jī)理及故障特征
　　旋轉(zhuǎn)失速是離心引風(fēng)機(jī)的一種典型故障，如得不到遏制，則可能進(jìn)一步導(dǎo)致喘振。旋轉(zhuǎn)失速會破壞葉輪內(nèi)部流場的不均勻性，產(chǎn)生額外的氣動載荷，嚴(yán)重時可能誘發(fā)葉片高應(yīng)力點(diǎn)處的疲勞、斷裂，使風(fēng)機(jī)的效率下降，引起機(jī)殼本體和連接管道的劇烈振動，造成事故隱患。
　　當(dāng)進(jìn)入葉輪的氣體流量低于額定流量時，氣體進(jìn)入葉輪的徑向速度減少，在葉片的后緣點(diǎn)附近產(chǎn)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(dǎo)致失速^[1] 。此時，從固定于葉輪上的相對坐標(biāo)系來看，旋轉(zhuǎn)脫離團(tuán)以角頻率ω_１的角頻率旋轉(zhuǎn)，而從葉輪之外的絕對坐標(biāo)系來看，旋轉(zhuǎn)脫離團(tuán)是以（ω－ω_１）的角頻率旋轉(zhuǎn)的，方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同，其中ω為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率。因此，風(fēng)機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障時，轉(zhuǎn)子的異常振動將同時出現(xiàn)ω_１和（ω－ω_１）兩個特征頻率^[2] 。由其計(jì)算公式可知，葉輪失速頻率（ω－ω_１）大概在0.5～0.8轉(zhuǎn)速頻率ω的范圍內(nèi)。
　　此外由旋轉(zhuǎn)失速引起的設(shè)備振動不同于其他機(jī)械故障的振動^[3] ，轉(zhuǎn)子的不平衡和不對中可能使轉(zhuǎn)子振幅較高，但在機(jī)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(zhuǎn)失速卻與此不同，有時在轉(zhuǎn)子上測得的振幅雖然不太高，然而在機(jī)殼和管道卻表現(xiàn)出劇烈的振動。另外旋轉(zhuǎn)失速所引起的振動隨負(fù)荷、壓力及流量的改變而變化。
2 故障診斷過程
　　該離心引風(fēng)機(jī)為兩端支撐，設(shè)計(jì)流量為101.25m³/s，全壓為4832Pa，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速960r/min，電機(jī)功率710kW。
2.1 數(shù)據(jù)采集
　　兩臺風(fēng)機(jī)的振動都較為劇烈，且1#風(fēng)機(jī)的振動更大些。為準(zhǔn)確查找故障原因，使用CSI2130振動分析儀對2臺離心引風(fēng)機(jī)的電機(jī)、風(fēng)機(jī)軸承座、機(jī)殼及管道都進(jìn)行了監(jiān)測并采集振動數(shù)據(jù)，具體結(jié)構(gòu)簡圖及測點(diǎn)布置見圖1。下面以1#引風(fēng)機(jī)的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)分析
　　各測點(diǎn)的振動值統(tǒng)計(jì)見表1。從數(shù)據(jù)來看，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子各測點(diǎn)的振值并不大，但機(jī)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(jī)的聲音。機(jī)組的振值隨風(fēng)門開度變化有改變，風(fēng)門開度從0%～100%的過程中，振值變化幅度不超過20%。風(fēng)門開度在40%左右時，各測點(diǎn)的振值最小。表1數(shù)據(jù)為風(fēng)門開度在60%時所采集。

表 1 各測點(diǎn)振動值統(tǒng)計(jì)表 mm/s

測點(diǎn)

測點(diǎn) 1

測點(diǎn) 2

測點(diǎn) 3

測點(diǎn) 4

測點(diǎn) 5

測點(diǎn) 6

方向

⊥

―

⊙

⊥

―

⊙

⊥

―

⊙

⊥

―

⊙

⊥

進(jìn) 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(diǎn)4水平方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，振動頻譜見圖2。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻f_r=14.76Hz及二倍轉(zhuǎn)頻的幅值非常明顯，且二倍轉(zhuǎn)頻的幅值接近轉(zhuǎn)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(jì)算知此頻率與風(fēng)機(jī)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(diào)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(diǎn)5（風(fēng)機(jī)機(jī)殼）的數(shù)據(jù)，進(jìn)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(diǎn)6（進(jìn)口管道）的數(shù)據(jù)，進(jìn)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(jié)論
　　從上述3個測點(diǎn)的頻譜可知，機(jī)殼及管道振動劇烈主要是出現(xiàn)了頻率f＝10.4Hz的低頻振動，該頻率成分f＝0.7f_r。在風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的故障特征中，應(yīng)有旋轉(zhuǎn)脫離團(tuán)w₁和(w-w₁)的角頻率兩個成分。但快速傅立葉變換（FFT）技術(shù)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(jié)合現(xiàn)場風(fēng)機(jī)的機(jī)殼、管道振動劇烈，判斷f＝10.4Hz就是葉輪的失速頻率^[4] ，風(fēng)機(jī)發(fā)生了因進(jìn)氣量不足導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)失速故障。至于131.09Hz的軸承外圈故障頻率則為旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的異常振動降低了軸承的裝配精度導(dǎo)致的軸承外圈松動。同時，由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剛性較差，破壞了整個機(jī)組的對中精度。

3 故障處理及驗(yàn)證
3.1 故障處理
　　進(jìn)風(fēng)口進(jìn)氣量不足是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障的常見原因，依據(jù)這一思路，對現(xiàn)場風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)情況進(jìn)行了認(rèn)真檢查，與風(fēng)機(jī)連接的管道直徑為1.7m左右，根據(jù)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為保證氣流順暢，引風(fēng)機(jī)的直管道距離應(yīng)大于管道直徑的1.5倍^[5] ，而現(xiàn)場的引風(fēng)機(jī)直管道的長度僅為1.5m，該管網(wǎng)的設(shè)計(jì)顯然違背了這一原則。由于引風(fēng)機(jī)直管道長度不夠，不能保證相對穩(wěn)定的氣流供應(yīng)，致使引風(fēng)機(jī)的實(shí)際氣體流量在風(fēng)門全開的情況下仍小于設(shè)計(jì)流量，造成了旋轉(zhuǎn)失速。若要徹底解決這一問題，就需要盡可能地延長該引風(fēng)機(jī)進(jìn)氣直管道的長度，但受現(xiàn)場實(shí)際空間所限，很難對進(jìn)氣直管道的長度進(jìn)行改進(jìn)，見圖5。遵循增加引風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量的這一解決思路，仔細(xì)檢查該進(jìn)氣管道各部，最終決定將進(jìn)氣管道與風(fēng)機(jī)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(jìn)口管道的進(jìn)氣量不足。
3.2 效果驗(yàn)證
　　實(shí)施這一簡單易行的措施后，引風(fēng)機(jī)機(jī)殼和管道的振動明顯減弱，機(jī)殼和管道的振動烈度分別下降至13mm/s和4mm/s，風(fēng)機(jī)軸承座的振動也趨于平穩(wěn)，各測點(diǎn)的振動烈度均未超過3mm/s，引風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

4 結(jié)束語
　　離心引風(fēng)機(jī)機(jī)殼和管道振動劇烈，頻率為葉輪的失速頻率（w-w₁），軸承座的振值相對較小，頻譜中旋轉(zhuǎn)脫離團(tuán)w₁和(w-w₁)并未成對出現(xiàn)，仍可判斷為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速故障。通過將風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道90°彎頭處人孔蓋敞開來緩解進(jìn)氣量不足這一簡易方法，為現(xiàn)場解決旋轉(zhuǎn)失速故障的措施開辟了新思路。