風機旋轉失速的故障診斷與處理

1、風機旋轉失速的故障診斷與處理路俏俏 胡軍摘要：介紹了風機旋轉失速的故障機理及振動特征，并對某鋼廠煉鐵廢氣風機旋轉失速故障進行了精密診斷，發(fā)現(xiàn)風機入口管網(wǎng)設計不合理是導致其旋轉失速的根本原因。關鍵詞：離心通風機；旋轉失速；管網(wǎng)設計Fault Diagnosis and Processing on Rotating Stall of Centrifugal FanAbstract Introduce the fault mechanism and vibration character on Rotating Stall . Give Precise Diagnosis on an Exhaust

2、 Gas Centrifugal Fan of a Stell Mill and find that the fundamental cause is the Pipeline illogical design.Key words : Centrifugal Fan ; Rotating Stall ; Pipeline Network Design1 風機旋轉失速的機理研究1.1 風機旋轉失速的機理1圖1 旋轉失速的形成風機的葉輪結構、尺寸都是按額定流量設計的。當風機在正常流量下工作時，氣體進入葉輪的方向與葉片進口安裝角一致，氣體可以平穩(wěn)地進入葉輪，如圖1(a)所示，氣流相對速度為，入口徑向

3、流速為。當進入葉輪的氣體流量小于額定流量時，氣體進入葉輪的徑向速度減小為，氣體進入葉輪的相對速度的方向角減小到，因而與葉片進口安裝角不相一致。此時氣體將沖擊葉片的工作面(凸面),在葉片的凹面附近形成氣流蝸旋，漩渦逐漸增多使流道有效流通面積減小。由于制造、安裝維護和工況等方面的原因，進入風機的氣流在各個通道內的分配并不均勻，氣流蝸旋的多少也有差別。如果某一流道(圖1b中的流道2)氣流蝸旋較多，則通過這個流道的氣量就要減少，多余的氣量將轉向鄰近流道(流道1和流道3)。在折向前面的流道(流道1)時，因為進入的氣體沖在葉片的凹面上，原來凹面上的氣流蝸旋有一部分被沖掉，這個流道里的氣流會趨于通暢。而折向

4、后面流道(流道3)的氣流則沖在葉片的凸面上，使得葉片凹面的氣流產(chǎn)生更多的蝸旋，堵塞了流道的有效流通面積，迫使流道中的氣流又折向鄰近的流道。如此輪番發(fā)展，由漩渦組成的氣流團(稱為失速團或失速區(qū))將沿著葉輪旋轉的相反方向在各個流道內出現(xiàn)。因為失速區(qū)在反方向傳播速度小于葉輪的旋轉速度，所以，從葉輪之外的絕對參考系來看，失速區(qū)還是沿著葉輪旋轉的方向轉動，這就是旋轉失速的機理。旋轉失速在葉輪內產(chǎn)生的壓力波動是激勵轉子發(fā)生異常振動的激勵力，激勵力的大小與氣體的分子量有關，如果氣體的分子量較大，激勵力也較大，對機器的運行影響也就比較大，而失速區(qū)的傳播速度參考Cossar的實驗數(shù)據(jù)基本在0.2-0.5x（轉頻

5、）之間1。 轉子旋轉失速頻率從固定于葉輪的相對坐標系來看，旋轉脫離團以的角頻率旋轉。而從葉輪之外的絕對坐標系來看，旋轉脫離團是以(-)的頻率旋轉的，其方向與轉子的旋轉方向相同。因此，流體機械發(fā)生旋轉失速時，轉子的異常振動同時有和(-)兩個特征頻率。2 某鋼廠煉鐵廢氣風機旋轉失速診斷實例廢氣風機是煉鐵廠的關鍵設備之一，為防止風機意外故障停機給生產(chǎn)帶來不必要的損失，廢氣風機設計采用了冗余設計的思想，即布置兩個風機，風機1和風機2，正常情況下，只有一臺風機工作，另一臺風機作為備用風機，如圖2所示。 圖2 風機空間布置示意圖 圖3 初次改造后的管網(wǎng)示意圖2.1 風機的故障史與維修經(jīng)歷分析風機2一直工作

6、正常。風機1開啟后起初運行平穩(wěn)，一段時間(約半小時)就會因振動超過停機線而跳閘，每次啟動風機1都有相同的規(guī)律。經(jīng)初次論證，認為可能是由出口氣流不暢造成的(考慮到風機2之所以能夠正常工作，是因為其出口管網(wǎng)有一段長L1的氣流緩沖區(qū)，而風機1沒有)。于是參照風機2的管網(wǎng)情況，延長風機1出風管的長度致L2，如圖3所示。管網(wǎng)經(jīng)初次改造完成后，故障沒有好轉。分析如下：(1) 風機1每次啟動后初期運行穩(wěn)定，但經(jīng)歷一段時間以后就會因振動過大而造成跳閘，可以基本排除因機械故障造成的跳閘。因為如果是機械故障所致，如軸承故障，則在風機達到穩(wěn)定運行速度以后，故障就會暴露出來，一般不會隨時間的推移而迅速加劇。因而考慮從

7、流體的角度去分析原因。(2) 風機流體類故障大部分是由于進風口氣流不暢或氣量不足等原因所致，出風口的改造效果并不明顯。2.2 測試方案風機的結構簡單，振動的特征頻率也并不復雜，因而振動測試分析方法對風機來說是非常有效的。設備簡圖及測點圖如圖4所示。圖4 風機1簡圖及測點圖基本參數(shù)l 轉速 RPM = 980 r/min =16.3 Hzl 測點2軸承型號 SKF22230l 測點2軸承故障特征頻率(Hz)轉頻保持架滾動體外圈內圈16.427.06456.86134.22177.76l 使用儀器CSI2130振動分析儀2.3 數(shù)據(jù)采集與分析(1) 瀑布圖分析該風機從啟動到故障停機歷時相對較短，很

8、容易捕捉到從啟動到故障停機全過程的振動信息，考慮采取瀑布圖分析方法。瀑布圖是指將不同時刻的振動信號對應有反映轉子頻域特性的頻譜圖按時間順序排列而形成的三維時間譜陣圖。它的水平軸為頻率f，垂直軸為時間，鉛直軸為譜值，描述的是頻譜隨時間的變化情況。瀑布圖與伯德圖以及極坐標圖不同在于它不是對某一頻帶幅值的描述，而是對全頻帶的響應進行描述，這樣便可以在速度或其他參量變化的過程中，觀察到許多頻率分量下轉子的動態(tài)響應過程。記錄從風機啟動后正常運轉到故障停機的全過程的瀑布圖，并摘取其部分譜線，記錄如圖5、6所示。0.2-0.5x 圖5前期瀑布圖 圖6 中后期瀑布圖由瀑布圖圖5至圖6的變化過程可以看出：初期風

9、機運行平穩(wěn)，隨著時間的延續(xù)，低頻幅值逐漸增大，主要集中在0.2-0.5x RPM之間。現(xiàn)場可明顯感覺到機殼振動加劇，噪聲增大，有旋轉失速的特征。(2) 倒頻譜分析倒頻譜分析是近代信號處理科學的一項新技術，它可以處理復雜頻譜圖上的周期結構。倒頻譜分析也稱二次頻譜分析。通過對信號的功率普作倒頻譜分析使得對低頻的幅值分量有較高的加權，可以清楚地識別信號的組成，突出感興趣的周期成分。選擇測點2的數(shù)據(jù)，對其進行倒頻譜分析如圖7所示。測點2原始時域信號和低通濾波后波形圖7 倒頻譜及其局部放大圖由倒頻譜分析可知，風機存在頻率分別為 = 7.42HZ和 = 8.72HZ的低頻振動，且頻率+ = 16.14HZ

10、，與風機的轉頻( f = 16.3HZ )基本相等，且 = 0.45f ，在0.2-0.5x RPM之間1，與旋轉失速的故障特征頻率符合，根據(jù)旋轉失速頻率=氣體脫離團的倒數(shù)*實際工作流量/設計流量*轉頻可以確定失速時產(chǎn)生了三至四個脫離團,診斷風機發(fā)生了旋轉失速。頻率134.82HZ與風機軸承SKF22230在轉速為980轉/min下的外圈故障頻率吻合，且該頻率受到轉頻的調制，可以說明該軸承有外圈松動的故障。究其原因，認為旋轉失速產(chǎn)生的異常振動破壞了軸承的裝配，導致外圈松動。我們將分析結果告訴現(xiàn)場。之后現(xiàn)場停機檢修，并給軸承蓋加一個銅片、緊固軸承蓋螺栓后振動值有所下降。又運行一段時間后，在5月份

11、將此軸承換掉。發(fā)現(xiàn)該軸承外圈有明顯的滾動體壓痕，外圈潤滑工作面大面積脫落，滾動體在軸向方向也磨損較嚴重。圖8測點2垂直方向頻譜圖2.4 發(fā)生旋轉失速的根本原因分析進風口流量減小是造成風機旋轉失速的常見原因。依照這一思路，對風機的進口管網(wǎng)進行了認真檢查，并對風機1和風機2的管網(wǎng)情況作了詳細對比，分析如下。管道直徑1m左右，在距離風機1氣體入口約為1m處有一較大的彎道，如圖7所示。為保證氣流順暢，氣流入口距離彎道的距離應大于1.5倍管道直徑。該管網(wǎng)的設計顯然違背了這一理論。由于風機1入口吸引力較大，而后續(xù)氣流因為管道的原因不能及時補充上來，致使風機入口氣壓逐漸減小，小于風機的設計流量，造成旋轉失速

12、。因為風機2前面有一段相對較長的氣體緩沖區(qū)，不會產(chǎn)生氣量供應不足的情況，因而可以正常地工作，沒有發(fā)生旋轉失速故障。 圖8 改造前風機廢氣入口管網(wǎng) 圖9 改造后風機廢氣入口管網(wǎng)2.5 生產(chǎn)驗證按照風機管網(wǎng)設計理論，將風機1進風口處的彎道做適當調整，問題解決。調整后的效果圖如圖8所示，調整后的示意圖如圖9所示。 圖10 改造后風機入口管網(wǎng)對比示意圖3 總結旋轉失速雖是流體設備的常見故障，但對于冶金企業(yè)各類風機的多種故障模式來講還是個不常見的個案，只有掌握了其產(chǎn)生機理和故障特征，才能找到故障產(chǎn)生的根本原因，并采取相應的措施，避免故障的再發(fā)生和發(fā)展。要做到這一點需要排除其他干擾因素如出口不暢，軸承故障等。當時現(xiàn)場由于沒找到原因曾決定更改撤銷停機連鎖如果那樣做會使旋轉失速發(fā)展為深度喘振，后果不堪設想。同時，管網(wǎng)設計是風機安裝的一個重要環(huán)節(jié)，若管網(wǎng)設計不當使氣體流通受阻，進風機很容易發(fā)生旋轉失速故障，影響正常工作。最后我們應該看到維修包含的技術層面的因素涵蓋了從設計、制造、加工、安裝、使用、維護各個環(huán)節(jié)，作為保障設備穩(wěn)定運行的最后一道屏障，僅僅做到恢復原功能是不夠的，應該更強調深層次維修技術，作排除以上提到各