风机旋转失速的故障诊断与处理

风机旋转失速的故障诊断与处理

路俏俏 胡军

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：离心通风机；旋转失速；管网设计

Fault Diagnosis and Processing on Rotating Stall of Centrifugal Fan

Abstract Introduce the fault mechanism and vibration 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.

Key words : Centrifugal Fan ; Rotating Stall ; Pipeline Network Design

1 风机旋转失速的机理研究

1.1 风机旋转失速的机理[1]

旋转失速的机理首先由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1β与叶片进口安装角s β一致，气体可以平稳地进入叶轮，如图1(a)所示，气流相对速度为1ω，入口径向流速为1C 。当进入叶轮的气体流量小于额定流量时，气体进入叶

轮的径向速度减小为'1C ，气体进入叶轮的相对速度的方向角减小到'1β，因而与叶片进口安

装角s β不相一致。

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

s 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(ω-

s ω)的频率旋转的，其方向与转子的旋转方向相同。因此，流体机械发生旋转失速时，转子的异常振动同时有s ω和(ω-s ω)两个特征频率。

2 某钢厂炼铁废气风机旋转失速诊断实例

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。设备简图及测点图如图4所示。

图4 风机1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

2.3 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。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 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 保持架 滚动体 外圈 内圈 16.42 7.064 56.86 134.22 177.76