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1、风机旋转失速的故障诊断与处理路俏俏 胡军摘要摘要：介绍了风机旋转失速的故障机理及振动特征，并对某钢厂炼铁废气风机旋转失速故障进行了精密诊断，发现风机入口管网设计不合理是导致其旋转失速的根本原因。关键词关键词：离心通风机；旋转失速；管网设计FaultFault DiagnosisDiagnosis andand ProcessingProcessing onon RotatingRotating StallStall ofof CentrifugalCentrifugal FanFanAbstractAbstract Introduce the fault mechanism and vibra
2、tion character on Rotating Stall . Give Precise Diagnosis on an Exhaust Gas Centrifugal Fan of a Stell Mill and find that the fundamental cause is the Pipeline illogical design.KeyKey wordswords : Centrifugal Fan ; Rotating Stall ; Pipeline Network Design1风机旋转失速的机理研究 1.11.1 风机旋转失速的机理风机旋转失速的机理11旋转失速的
3、机理首先由 H.W.Emmons 在 1995 年提出，形成过程如下。图 1 旋转失速的形成风机的叶轮结构、尺寸都是按额定流量设计的。当风机在正常流量下工作时，气体进入叶轮的方向与叶片进口安装角一致，气体可以平稳地进入叶轮，如图 1(a)所示，1s气流相对速度为，入口径向流速为。当进入叶轮的气体流量小于额定流量时，气体11C进入叶轮的径向速度减小为，气体进入叶轮的相对速度的方向角减小到，因而与叶 1C 1片进口安装角不相一致。s此时气体将冲击叶片的工作面(凸面),在叶片的凹面附近形成气流蜗旋，漩涡逐渐增多使流道有效流通面积减小。由于制造、安装维护和工况等方面的原因，进入风机的气流在各个通道内的
4、分配并不均匀，气流蜗旋的多少也有差别。如果某一流道(图 1b 中的流道 2)气流蜗旋较多，则通过这个流道的气量就要减少，多余的气量将转向邻近流道(流道 1 和流道 3)。在折向前面的流道(流道 1)时，因为进入的气体冲在叶片的凹面上，原来凹面上的气流蜗旋有一部分被冲掉，这个流道里的气流会趋于通畅。而折向后面流道(流道 3)的气流则冲在叶片的凸面上，使得叶片凹面的气流产生更多的蜗旋，堵塞了流道的有效流通面积，迫使流道中的气流又折向邻近的流道。如此轮番发展，由漩涡组成的气流团(称为失速团或失速区)将沿着叶轮旋转的相反方向在各个流道内出现。因为失速区在反方向传播速度小于叶轮的旋转速度，所以，从叶轮之
5、外的绝对参考系来看，失速区还是沿着叶轮旋转的方向转动，这就是旋转失速的机理。旋转失速在叶轮内产生的压力波动是激励转子发生异常振动的激励力，激励力的大小与气体的分子量有关，如果气体的分子量较大，激励力也较大，对机器的运行影响也就比较大，而失速区的传播速度参考 Cossar 的实验数据基本在 0.2-0.5x（转频）之间1。转子旋转失速频率从固定于叶轮的相对坐标系来看，旋转脱离团以的角频率旋转。而从叶轮之外的绝s对坐标系来看，旋转脱离团是以(-)的频率旋转的，其方向与转子的旋转方向相同。s因此，流体机械发生旋转失速时，转子的异常振动同时有和(-)两个特征频率。ss2某钢厂炼铁废气风机旋转失速诊断实
6、例废气风机是炼铁厂的关键设备之一，为防止风机意外故障停机给生产带来不必要的损失，废气风机设计采用了冗余设计的思想，即布置两个风机，风机 1 和风机 2，正常情况下，只有一台风机工作，另一台风机作为备用风机，如图 2 所示。图 2 风机空间布置示意图 图 3 初次改造后的管网示意图2.1 风机的故障史与维修经历分析风机 2 一直工作正常。风机 1 开启后起初运行平稳，一段时间(约半小时)就会因振动超过停机线而跳闸，每次启动风机 1 都有相同的规律。经初次论证，认为可能是由出口气流不畅造成的(考虑到风机 2 之所以能够正常工作，是因为其出口管网有一段长 L1 的气流缓冲区，而风机 1 没有)。于是
7、参照风机 2 的管网情况，延长风机 1 出风管的长度致 L2，如图 3 所示。管网经初次改造完成后，故障没有好转。分析如下：(1) 风机 1 每次启动后初期运行稳定，但经历一段时间以后就会因振动过大而造成跳闸，可以基本排除因机械故障造成的跳闸。因为如果是机械故障所致，如轴承故障，则在风机达到稳定运行速度以后，故障就会暴露出来，一般不会随时间的推移而迅速加剧。因而考虑从流体的角度去分析原因。(2) 风机流体类故障大部分是由于进风口气流不畅或气量不足等原因所致，出风口的改造效果并不明显。2.2 测试方案风机的结构简单，振动的特征频率也并不复杂，因而振动测试分析方法对风机来说是非常有效的。设备简图及
8、测点图如图 4 所示。图图 4 4 风机风机 1 1 简图及测点图简图及测点图基本参数转速 RPM = 980 r/min =16.3 Hz测点 2 轴承型号 SKF22230测点 2 轴承故障特征频率(Hz)使用仪器 CSI2130 振动分析仪 2.32.3 数据采集与分析数据采集与分析 (1) 瀑布图分析 该风机从启动到故障停机历时相对较短，很容易捕捉到从启动到故障停机全过程的振 动信息，考虑采取瀑布图分析方法。瀑布图是指将不同时刻的振动信号对应有反映转子频 域特性的频谱图按时间顺序排列而形成的三维时间谱阵图。它的水平轴为频率 f，垂直轴 为时间，铅直轴为谱值，描述的是频谱随时间的变化情况
9、。瀑布图与伯德图以及极坐标图 不同在于它不是对某一频带幅值的描述，而是对全频带的响应进行描述，这样便可以在速 度或其他参量变化的过程中，观察到许多频率分量下转子的动态响应过程。 记录从风机启动后正常运转到故障停机的全过程的瀑布图，并摘取其部分谱线，记录 如图 5、6 所示。图 5 前期瀑布图 图 6 中后期瀑布图由瀑布图图 5 至图 6 的变化过程可以看出：初期风机运行平稳，随着时间的延续，低 频幅值逐渐增大，主要集中在 0.2-0.5x RPM 之间。现场可明显感觉到机壳振动加剧，噪声 增大，有旋转失速的特征。 (2) 倒频谱分析 倒频谱分析是近代信号处理科学的一项新技术，它可以处理复杂频谱
10、图上的周期结构。 倒频谱分析也称二次频谱分析。通过对信号的功率普作倒频谱分析使得对低频的幅值分量 有较高的加权，可以清楚地识别信号的组成，突出感兴趣的周期成分。转频转频保持架保持架滚动体滚动体外圈外圈内圈内圈16.4216.427.0647.06456.8656.86134.22134.22177.76177.760.2-0.5x选择测点 2 的数据，对其进行倒频谱分析如图 7 所示。测测点点 2 原始原始时时域信号和低通域信号和低通滤滤波后波形波后波形图图 7 7 倒频谱及其局部放大图倒频谱及其局部放大图由倒频谱分析可知，风机存在频率分别为 = 7.42HZ 和 = 8.72HZ 的低频振动
11、，1f2f且频率+ = 16.14HZ，与风机的转频( f = 16.3HZ )基本相等，且 = 0.45f ，在1f2f1f0.2-0.5x RPM 之间1，与旋转失速的故障特征频率符合，根据旋转失速频率旋转失速频率= =气体脱离团气体脱离团的倒数的倒数* *实际工作流量实际工作流量/ /设计流量设计流量* *转频转频可以确定失速时产生了三至四个脱离团,诊断风机发生了旋转失速。频率 134.82HZ 与风机轴承 SKF22230 在转速为 980 转/min 下的外圈故障频率吻合，且该频率受到转频的调制，可以说明该轴承有外圈松动的故障。究其原因，认为旋转失速产生的异常振动破坏了轴承的装配，导
12、致外圈松动。我们将分析结果告诉现场。之后现场停机检修，并给轴承盖加一个铜片、紧固轴承盖螺栓后振动值有所下降。又运行一段时间后，在 5 月份将此轴承换掉。发现该轴承外圈有明显的滚动体压痕，外圈润滑工作面大面积脱落，滚动体在轴向方向也磨损较严重。图 8 测点 2 垂直方向频谱图2.42.4 发生旋转失速的根本原因分析发生旋转失速的根本原因分析进风口流量减小是造成风机旋转失速的常见原因。依照这一思路，对风机的进口管网进行了认真检查，并对风机 1 和风机 2 的管网情况作了详细对比，分析如下。管道直径 1m 左右，在距离风机 1 气体入口约为 1m 处有一较大的弯道，如图 7 所示。为保证气流顺畅，气
13、流入口距离弯道的距离应大于 1.5 倍管道直径。该管网的设计显然违背了这一理论。由于风机 1 入口吸引力较大，而后续气流因为管道的原因不能及时补充上来，致使风机入口气压逐渐减小，小于风机的设计流量，造成旋转失速。因为风机 2 前面有一段相对较长的气体缓冲区，不会产生气量供应不足的情况，因而可以正常地工作，没有发生旋转失速故障。图 8 改造前风机废气入口管网 图 9 改造后风机废气入口管网 2.52.5 生产验证生产验证 按照风机管网设计理论，将风机 1 进风口处的弯道做适当调整，问题解决。调整后的 效果图 如图 8 所示，调整后的示意图如图 9 所示。Analyze Waveform 31-0
14、6 10:59:57 RMS = .9887 PK(+/-) = 3.93/4.16 CRESTF= 4.21 0 0.30.60.91.2-5-4-3-2-101234Time in SecondsAcceleration in G-s- Equipment1-3 Analyze Spectrum 31-06 10:59:57 PK = 2.98 LOAD = .0 RPM = 60. (1.00 Hz) 050010001500200025000 0.40.81.21.62.02.42.83.2Frequency in HzPK Velocity in mm/Sec134.82151.38
15、269.65397.03413.68454.33 539.24569.50572.37579.08 673.97943.661348.11482.81752.51887.4Freq: Ordr: Spec: 135.00135.002.455图 10 改造后风机入口管网对比示意图3总结旋转失速虽是流体设备的常见故障，但对于冶金企业各类风机的多种故障模式来讲还是个不常见的个案，只有掌握了其产生机理和故障特征，才能找到故障产生的根本原因，并采取相应的措施，避免故障的再发生和发展。要做到这一点需要排除其他干扰因素如出口不畅，轴承故障等。当时现场由于没找到原因曾决定更改撤销停机连锁如果那样做会使旋转失
16、速发展为深度喘振，后果不堪设想。同时，管网设计是风机安装的一个重要环节，若管网设计不当使气体流通受阻，进风机很容易发生旋转失速故障，影响正常工作。最后我们应该看到维修包含的技术层面的因素涵盖了从设计、制造、加工、安装、使用、维护各个环节，作为保障设备稳定运行的最后一道屏障，仅仅做到恢复原功能是不够的，应该更强调深层次维修技术，作排除以上提到各方面缺陷不足的改进、改善性维修。参考文献参考文献1 盛兆顺等，设备状态检测与故障诊断技术及应用，北京：化学工业出版社，20032 种亚奇等，离心式压缩机旋转失速故障机理研究及诊断，振动、测试与诊断J ，2005.1，37-393 王松龄等，离心风机吸力侧旋旋转失速和进口涡流特征诊断，振动、测试与诊断J ，2006.3，37-40
