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离心引风机旋转失速的故障诊断及现场处理方法

1 风机旋转失速的机理及故障特征
  旋转失速是离心引风机的一种典型故障,如得不到遏制,则可能进一步导致喘振。旋转失速会破坏叶轮内部流场的不均匀性,产生额外的气动载荷,严重时可能诱发叶片高应力点处的疲劳、断裂,使风机的效率下降,引起机壳本体和连接管道的剧烈振动,造成事故隐患。
  当进入叶轮的气体流量低于额定流量时,气体进入叶轮的径向速度减少,在叶片的后缘点附近产生涡流,从而引起气流从叶片背部分离,气流在叶片背面的流动恶化,升力减小,阻力却急剧增加,最终导致失速[1] 。此时,从固定于叶轮上的相对坐标系来看,旋转脱离团以角频率ω的角频率旋转,而从叶轮之外的绝对坐标系来看,旋转脱离团是以(ωω)的角频率旋转的,方向与转子的旋转方向相同,其中ω为转子的旋转频率。因此,风机发生旋转失速故障时,转子的异常振动将同时出现ω和(ωω)两个特征频率[2] 。由其计算公式可知,叶轮失速频率(ωω)大概在0.5~0.8转速频率ω的范围内。
  此外由旋转失速引起的设备振动不同于其他机械故障的振动[3] ,转子的不平衡和不对中可能使转子振幅较高,但在机壳和管道上并不一定感觉到明显的振动;属于气流激振一类的旋转失速却与此不同,有时在转子上测得的振幅虽然不太高,然而在机壳和管道却表现出剧烈的振动。另外旋转失速所引起的振动随负荷、压力及流量的改变而变化。
2 故障诊断过程
  该离心引风机为两端支撑,设计流量为101.25m3/s,全压为4832Pa,设计转速960r/min,电机功率710kW。
2.1 数据采集
  两台风机的振动都较为剧烈,且1#风机的振动更大些。为准确查找故障原因,使用CSI2130振动分析仪对2台离心引风机的电机、风机轴承座、机壳及管道都进行了监测并采集振动数据,具体结构简图及测点布置见图1。下面以1#引风机的振动数据进行分析。

2.2 数据分析
  各测点的振动值统计见表1。从数据来看,风机转子各测点的振值并不大,但机壳和管道的振动幅值却非常高,并伴有明显噪声,类似于空气压缩机的声音。机组的振值随风门开度变化有改变,风门开度从0%~100%的过程中,振值变化幅度不超过20%。风门开度在40%左右时,各测点的振值最小。表1数据为风门开度在60%时所采集。

表 1 各测点振动值统计表 mm/s

测点

测点 1

测点 2

测点 3

测点 4

测点 5

测点 6

方向

进 口

出口

振值

1.1

1.3

1.2

1.2

1.5

1.5

1.8

3.8

2.4

4.4

5.3

3.8

50

25

30

  选择测点4水平方向的数据进行频谱分析,振动频谱见图2。风机转频fr=14.76Hz及二倍转频的幅值非常明显,且二倍转频的幅值接近转频幅值的2倍,有较明显的平行不对中故障。非同步频率131.09Hz的幅值较高,计算知此频率与风机轴承SKF22232CC/W33的外圈故障频率相吻合,同时被频率成分f=14.67Hz所调制,频谱中存在非同步频率f=10.4Hz的低频振动及其高次谐波。
  选择测点5(风机机壳)的数据,进行频谱分析,见图3。分析频率1 000Hz下的低频振动烈度已接近50mm/s,频谱图中几乎只有频率f=10.4Hz的幅值。选择测点6(进口管道)的数据,进行频谱分析,见图4。振动烈度已接近25mm/s,频谱图中也几乎只有频率f=10.4Hz的幅值。

2.3 诊断结论
  从上述3个测点的频谱可知,机壳及管道振动剧烈主要是出现了频率f=10.4Hz的低频振动,该频率成分f=0.7fr。在风机旋转失速的故障特征中,应有旋转脱离团w1和(w-w1)的角频率两个成分。但快速傅立叶变换(FFT)技术对周期性的冲击信号效果并不明显,尤其是低频的冲击,很可能淹没在噪声和其它故障的振动特征中,频谱图中难以分辨。结合现场风机的机壳、管道振动剧烈,判断f=10.4Hz就是叶轮的失速频率[4] ,风机发生了因进气量不足导致的旋转失速故障。至于131.09Hz的轴承外圈故障频率则为旋转失速产生的异常振动降低了轴承的装配精度导致的轴承外圈松动。同时,由于风机基础刚性较差,破坏了整个机组的对中精度。

3 故障处理及验证
3.1 故障处理

  进风口进气量不足是导致风机发生旋转失速故障的常见原因,依据这一思路,对现场风机的管网情况进行了认真检查,与风机连接的管道直径为1.7m左右,根据管网的设计经验,为保证气流顺畅,引风机的直管道距离应大于管道直径的1.5倍[5] ,而现场的引风机直管道的长度仅为1.5m,该管网的设计显然违背了这一原则。由于引风机直管道长度不够,不能保证相对稳定的气流供应,致使引风机的实际气体流量在风门全开的情况下仍小于设计流量,造成了旋转失速。若要彻底解决这一问题,就需要尽可能地延长该引风机进气直管道的长度,但受现场实际空间所限,很难对进气直管道的长度进行改进,见图5。遵循增加引风机进气量的这一解决思路,仔细检查该进气管道各部,最终决定将进气管道与风机连接90°弯头处的人孔盖敞开(见图6),通过直通大气来缓解进口管道的进气量不足。
3.2 效果验证
  实施这一简单易行的措施后,引风机机壳和管道的振动明显减弱,机壳和管道的振动烈度分别下降至13mm/s和4mm/s,风机轴承座的振动也趋于平稳,各测点的振动烈度均未超过3mm/s,引风机运转正常。

4 结束语
  离心引风机机壳和管道振动剧烈,频率为叶轮的失速频率(w-w1),轴承座的振值相对较小,频谱中旋转脱离团w1(w-w1)并未成对出现,仍可判断为风机旋转失速故障。通过将风机进口管道90°弯头处人孔盖敞开来缓解进气量不足这一简易方法,为现场解决旋转失速故障的措施开辟了新思路。

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