透平真空風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速故障診斷

作者：李志文

高級(jí)工程師；工作方向?yàn)樵O(shè)備故障診斷，現(xiàn)負(fù)責(zé)公司設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷工作。

在生產(chǎn)過程中，真空泵（水環(huán)式）一直是耗能大戶，一臺(tái)紙機(jī)一般要配5～8臺(tái)真空泵，能耗高，同時(shí)也增加了設(shè)備的維護(hù)成本。為了進(jìn)一步降低成本，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，岳陽(yáng)林紙于近幾年開始著力于真空系統(tǒng)改造，由透平真空風(fēng)機(jī)來替代真空泵。改造完成后，一臺(tái)紙機(jī)只需配備一臺(tái)透平真空風(fēng)機(jī)即可滿足生產(chǎn)需求。

不過，在能耗降低的同時(shí)，透平真空風(fēng)機(jī)的重要性也突現(xiàn)出來。如果透平真空風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)紙機(jī)會(huì)因?yàn)闆]有真空而全線停機(jī)。因此，在對(duì)透平真空風(fēng)機(jī)的實(shí)際維護(hù)中，要即時(shí)解決透平真空風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的異常問題，以保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

透平真空風(fēng)機(jī)的工作原理與離心風(fēng)機(jī)類似，風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口與真空室相連，風(fēng)機(jī)葉輪通過高速旋轉(zhuǎn)將空氣吸進(jìn)葉輪，通過葉輪的增速加壓后排出，這樣使真空室內(nèi)造成負(fù)壓，并形成真空。如圖1。

對(duì)于多級(jí)透平真空風(fēng)機(jī)，氣體經(jīng)過風(fēng)機(jī)吸氣室進(jìn)行收集、導(dǎo)流均勻進(jìn)入葉輪，通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)做功，氣體受離心力作用在葉輪流道內(nèi)擴(kuò)壓流動(dòng)，其速度和壓力都得到提高。氣體從葉輪出來后進(jìn)入無葉擴(kuò)壓器，由于從葉輪出來的氣流速度很高，一般在200m/s以上，為了降低氣體在彎道部分的沖擊損失，必須將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓力能，經(jīng)過無葉擴(kuò)壓器的減速擴(kuò)壓后，氣流速度大大降低，氣體由彎道導(dǎo)流進(jìn)入回流器，與補(bǔ)氣口吸入的氣流混合和能量交換后，經(jīng)過回流器中導(dǎo)流葉片的收集整理，均勻進(jìn)入下一級(jí)葉輪。經(jīng)過多級(jí)葉輪做功后，氣體壓力得到很大提高，并且在不同的葉輪進(jìn)口處形成不同的真空度。

我廠透平機(jī)有三個(gè)進(jìn)氣口，因此可以形成三個(gè)不同的真空，以滿足紙機(jī)對(duì)不同真空度的需求。

透平真空風(fēng)機(jī)的效率可以達(dá)到75%，較傳統(tǒng)的真空泵效率提高了近40%。一臺(tái)透平真空風(fēng)機(jī)能替代8～10臺(tái)真空泵，能很好地達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1  透平真空風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及故障種類

1.1透平真空風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

多級(jí)透平真空風(fēng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。如圖2。定子包括機(jī)箱、隔板、軸承箱等零部件。轉(zhuǎn)子包括主軸、葉輪、平衡盤等零部件。整個(gè)轉(zhuǎn)子經(jīng)過高精度動(dòng)靜平衡校正，平衡精度為G2.5級(jí)，確保轉(zhuǎn)子安全平穩(wěn)地運(yùn)行。

風(fēng)機(jī)采用滑動(dòng)軸承（也簡(jiǎn)稱軸瓦）結(jié)構(gòu)，由獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行供油。潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)意外情況時(shí)，也能保證機(jī)組不會(huì)因?yàn)槿庇投鴵p壞，確保機(jī)組安全停機(jī)。

1.2透平真空風(fēng)機(jī)故障種類

透平真空風(fēng)機(jī)屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，再結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)分析，其常見的故障種類有動(dòng)不平衡、軸瓦磨損、聯(lián)軸器不對(duì)中、旋轉(zhuǎn)失速等。

1.2.1動(dòng)不平衡

透平真空風(fēng)機(jī)屬高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其轉(zhuǎn)速高達(dá)6,000r/min，有的甚至?xí)^10,000r/min，所以易發(fā)生動(dòng)不平衡故障，常見的動(dòng)不平衡故障有以下幾種：

葉片結(jié)垢：透平真空風(fēng)機(jī)通過抽吸空氣產(chǎn)生真空，如果吸入氣體中含有異物，并附著在葉片上則易使葉輪動(dòng)平衡破壞，造成動(dòng)不平衡問題。同時(shí)，透平風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，葉片上也易結(jié)水垢，造成動(dòng)不平衡問題。

葉片斷裂：透平真空風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，葉片發(fā)生斷裂，嚴(yán)重時(shí)葉片會(huì)出現(xiàn)掉落情況。此時(shí)葉輪的動(dòng)平衡被嚴(yán)重破壞，機(jī)組會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，導(dǎo)致聯(lián)鎖跳停。

轉(zhuǎn)子彎曲：當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)撓度，產(chǎn)生彎曲變形時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)不平衡故障，導(dǎo)致機(jī)組的異常振動(dòng)，振動(dòng)的大小跟彎曲變形的程度有關(guān)。彎曲越嚴(yán)重，振動(dòng)越大。

聯(lián)軸器動(dòng)不平衡：由于透平真空風(fēng)機(jī)屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在此工況下也需要考慮聯(lián)軸器的動(dòng)不平衡問題。如聯(lián)軸器上機(jī)前未做高速動(dòng)平衡校訂，則也有可能引起動(dòng)不平衡問題。

1.2.2軸瓦磨損

透平真空風(fēng)機(jī)通常采用滑動(dòng)軸承來支撐轉(zhuǎn)子，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。由于滑動(dòng)軸承是靠油膜來支撐轉(zhuǎn)子，如果出現(xiàn)潤(rùn)滑不良、外力干擾等因素導(dǎo)致油膜被破壞，將使軸與軸瓦發(fā)生磨損。當(dāng)此故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組會(huì)發(fā)生明顯異常，如軸瓦溫度升高、機(jī)組振動(dòng)異常等問題。當(dāng)軸瓦磨損時(shí)，需及時(shí)處理，以避免對(duì)機(jī)組造成更大的損害。

1.2.3聯(lián)軸器不對(duì)中

透平真空風(fēng)機(jī)一般使用膜片式聯(lián)軸?，其優(yōu)點(diǎn)是剛性好，傳遞扭矩大，但同時(shí)對(duì)找正的要求也非常高。通常對(duì)透平真空風(fēng)機(jī)應(yīng)使用激光對(duì)中儀進(jìn)行找正，其找正精度應(yīng)控制在0.1mm以內(nèi)。如果對(duì)中不良，設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)中將放大不對(duì)中的故障，引起機(jī)組振動(dòng)上升，嚴(yán)重的話將危害機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.4旋轉(zhuǎn)失速

對(duì)透平真空風(fēng)機(jī)而言，旋轉(zhuǎn)失速通常是工藝生產(chǎn)條件的變化所引起機(jī)組的異常振動(dòng)。該故障隱蔽性強(qiáng)，不易判斷。只有準(zhǔn)確診斷故障原因，采取有針對(duì)性的措施，才能有效消除故障。此類故障也是本文說明的重點(diǎn)。

2  旋轉(zhuǎn)失速故障機(jī)理

離心風(fēng)機(jī)的葉輪是按風(fēng)機(jī)的額定流量設(shè)計(jì)的，當(dāng)風(fēng)機(jī)在正常工況下運(yùn)行時(shí)，氣體沿葉輪的切線方向進(jìn)入葉輪，如圖3（a）所示，β1為氣體進(jìn)入葉輪的角度，C1為進(jìn)氣流速。此時(shí)，進(jìn)氣平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)葉輪造成沖擊。

當(dāng)風(fēng)機(jī)工況發(fā)生改變，進(jìn)氣流量減少時(shí)，此時(shí)由于進(jìn)氣量減少，進(jìn)氣流速降低，導(dǎo)致氣體無法按設(shè)計(jì)工況沿葉輪切線方向進(jìn)入葉輪。進(jìn)氣角度的改變，將使氣體對(duì)葉輪造成額外的沖擊，如圖3（a）所示，β1'為工況改變后的進(jìn)氣角度，C1'為工況改變后的進(jìn)氣流速。

當(dāng)氣體與葉輪發(fā)生沖擊時(shí)，有一部分氣體會(huì)在沖擊力的作用下形成氣團(tuán)，氣團(tuán)會(huì)在葉輪的凹面處聚集，堵塞葉輪流道，如圖3（b）中的流道2。由于流道堵塞，導(dǎo)致后續(xù)進(jìn)來的氣體被迫流向兩側(cè)的流道——流道1和流道3。流向流道1的氣體由于是與葉輪的凹面接觸，所以不會(huì)形成新氣團(tuán)，造成堵塞；流向流道3的氣體會(huì)再次與葉輪的凸面發(fā)生沖擊，形成新的氣團(tuán)，造成流道3的堵塞。進(jìn)入流道3的氣體又會(huì)被迫流向兩側(cè)流道，如此循環(huán)往復(fù)。

從上述分析來看，當(dāng)風(fēng)機(jī)工況發(fā)生改變時(shí)，相當(dāng)于固定有一個(gè)氣團(tuán)在風(fēng)機(jī)葉輪里發(fā)生旋轉(zhuǎn)。從葉輪外來看，氣團(tuán)的旋轉(zhuǎn)方向與葉輪是一樣的，只不過氣團(tuán)的旋轉(zhuǎn)速度小于葉輪的轉(zhuǎn)速而已，這就是風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)失速的產(chǎn)生機(jī)理。

旋轉(zhuǎn)失速在葉輪內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是激勵(lì)轉(zhuǎn)子發(fā)生異常振動(dòng)的激振力，該激振力會(huì)引起轉(zhuǎn)子的異常振動(dòng)頻率，記為ωS。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)失速氣團(tuán)又以頻率ω-ωS隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振動(dòng)頻率為ω-ωS的類似動(dòng)不平衡振動(dòng)。因此，當(dāng)機(jī)械發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障時(shí)，轉(zhuǎn)子的異常振動(dòng)頻率同時(shí)會(huì)有ωS和（ω-ωS）兩種振動(dòng)頻率。不難看出，這兩個(gè)異常振動(dòng)的頻率之和恰好等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)頻ω，這是判斷轉(zhuǎn)子是否出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速故障的一個(gè)重要依據(jù)。

從上述對(duì)旋轉(zhuǎn)失速故障機(jī)理的分析來看，當(dāng)設(shè)備發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻的低頻振動(dòng)。而且由于旋轉(zhuǎn)失速故障是工藝條件變化所引起的，因此當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)，只需改變工藝條件，增大葉輪的進(jìn)氣量即可消除故障，無需對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修。

以下將通過具體案例對(duì)旋轉(zhuǎn)失速故障的判斷及處理進(jìn)行說明。

我廠某車間一臺(tái)透平真空風(fēng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱透平機(jī)）在正常運(yùn)行過程中，振動(dòng)值由0.4mm/s突然升至2.0mm/s，并持續(xù)保持在此振動(dòng)水平。透平機(jī)正常運(yùn)行過程中，其穩(wěn)定性很高，振動(dòng)很少會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)。而此時(shí)透平機(jī)振動(dòng)出現(xiàn)大幅上升，振動(dòng)值較正常水平上升了四倍，說明透平機(jī)的運(yùn)行一定出現(xiàn)了問題。問題出現(xiàn)后，車間急需知道透平機(jī)振動(dòng)異常的原因，以判定故障可能的發(fā)展趨勢(shì)，制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。

通過對(duì)透平機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集及分析，透平機(jī)存在明顯的低于轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)，且幅值突出，這應(yīng)該是透平機(jī)振動(dòng)突然上升的主要原因。其振動(dòng)頻譜圖如圖4。

圖中f0為透平機(jī)轉(zhuǎn)頻（96.98Hz），f1和f2為異常低頻振動(dòng)頻率，為造成透平機(jī)振動(dòng)上升的主要原因，其中f1為43.75Hz，f2為53.13Hz。通過計(jì)算得知f1+f2=96.88Hz，兩者之和與透平機(jī)轉(zhuǎn)頻（96.98Hz）非常接近，綜合分析，透平機(jī)應(yīng)該發(fā)生了“旋轉(zhuǎn)失速”故障。

由于透平機(jī)負(fù)責(zé)給網(wǎng)部以及壓榨部提供真空，根據(jù)旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的機(jī)理，因此有可能是紙機(jī)在運(yùn)行過程中，網(wǎng)、壓部真空系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞，造成透平機(jī)進(jìn)氣不暢，從而引發(fā)葉輪的旋轉(zhuǎn)失速，造成透平機(jī)振動(dòng)的突然上升。

現(xiàn)透平機(jī)振動(dòng)雖較正常值有大幅上升，達(dá)到2.0mm/s，但離4mm/s的報(bào)警值仍然有一定差距。根據(jù)對(duì)故障的診斷結(jié)論，透平機(jī)振動(dòng)上升應(yīng)是工藝原因引起的振動(dòng)異常，因此，短期內(nèi)不會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成明顯影響。車間根據(jù)診斷結(jié)論，決定觀察運(yùn)行，暫不進(jìn)行處理。

一周后，車間計(jì)劃停機(jī)，對(duì)網(wǎng)、壓部進(jìn)行了仔細(xì)地清洗，以消除網(wǎng)、壓部的堵塞。根據(jù)對(duì)故障的診斷，透平機(jī)振動(dòng)異常是工藝條件所引起的“旋轉(zhuǎn)失速”，而非設(shè)備本身問題，所以未對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修。

開機(jī)后復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，透平機(jī)振動(dòng)降到正常水平，低頻振動(dòng)能量消失，設(shè)備運(yùn)行恢復(fù)正常。

3  結(jié)束語(yǔ)

“旋轉(zhuǎn)失速”是透平?的專屬故障。此次透平機(jī)故障的準(zhǔn)確診斷，對(duì)透平機(jī)的運(yùn)行提供了很好的參考建議，既保證了生產(chǎn)的連續(xù)性，又避免了設(shè)備的意外損壞。

因透平機(jī)旋轉(zhuǎn)失速所引發(fā)的振動(dòng)異常，雖然其隱蔽性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)不易判斷原因，但只要準(zhǔn)確診斷了故障原因，則易采取針對(duì)性措施，快速消除隱患，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

來源：《中華紙業(yè)》2021年第8期

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