气流激励引起的风机振动故障诊断∗

袁 博

（西安陕鼓动力股份有限公司）

气流激励引起的风机振动故障诊断∗

袁 博

（西安陕鼓动力股份有限公司）

针对某冷气风机机组在现场试车过程中振动剧烈波动进而导致连锁停机的故障，本文采用历史振动图谱和现场测试方法，分析认为振动剧烈波动的能量主要集中在0.75倍频左右的低频分量，且振动波动幅值与转速、进口压力、进口流量密切相关，表现为明显的拍振。经过气动计算与现场试验，机组故障为由于气流激励引起的机组异常振动，为后续解决机组振动问题提供了依据。

冷气风机；低频分量；轴心轨迹；气流激励

0 引言

冷气风机由变频电机驱动，主要作用是输送三聚氰胺装置中工艺系统的冷气。冷气风机两端垂直向上径向进气，中间垂直向下径向排气。风机的压比非常小，是典型的通风机，在整个装置中起通风作用。

某公司的冷气风机试车过程中，发现机组冷态试车时运行正常；当采用热空气模拟工艺介质试车时，振动大幅波动并导致机组连锁停机。用户认为风机进入喘振区，并且在设计上存在缺陷，不能满足技术协议要求。为了准确判断该振动故障，并找出故障原因，本文通过频谱分析、气动计算分析及现场检测，准确诊断出该振动故障为气流激励，并且引起该振动故障的原因是风机管网阻力大于风机的升压。此类故障的诊断分析，对其它风机的同类振动故障也有借鉴意义。

1 气流激励

气流激励振动又名流致振动，作用在离心叶轮转子上的横向气流激振力主要源于叶轮与蜗壳之间气流动压力的相互作用。当叶轮转子只是绕轴自转而无涡动发生时，作用在叶轮周围的气流压力是几何对称的，此时未有横向气流力激振力产生；当叶轮转子在绕轴自转的同时又有涡动产生时，作用在叶轮周围的气流压力便不再几何对称，离心叶轮转子横向气流激振力也就随之产生[1]。横向气流激振力可以使离心叶轮转子的动力学特性复杂化，发生复杂运动的趋势增大[2]。

叶轮进出口的气流存在滞止和涡流现象，造成速度的变化较为激烈，这也是造成局部气流不稳定的原因。气流激励诱发振动的特征频率在0.5～0.8倍频区间[3]，类似于离心压缩机的旋转失速（如叶轮失速特征频率为0.5～0.8倍频[4-6]，扩压器失速特征频率为0.1～0.5倍频[7]）。诱发离心压缩机气流激励振动的原因有很多，其中气流失稳是引起气流振荡的主要原因素。

一般情况下，通风机是和管网联合工作的。气流流经通风机，通风机对其做功，气流的压力和流量的关系是按照通风机性能曲线变化的。

用于克服管网中的阻力ΣΔp，全压的其余部分消耗在气流从管网出口时所具有的动能上。

总之，通风机的全压等于管网的总阻力与出口动

图1 通风机压力与管网阻力的关系Fig.1 The relationship between the pressure of the fan and the resistance of the pipe network

图1给出了通风机压力与管网阻力之间的关系。要满足上述两点要求，整个装置包括通风机与管网只能在通风机压力曲线p-Q与管网性能曲线的交点A上运行。在A点，两者的流量（QA）相等，静压力与阻力（PA）也相等，A点成为工况点。根据上面两点要求，工况点是由通风机压力曲线与管网性能曲线的交点来决定的[8]。

在通风机运行时，当系统通风阻力由于某种原因升高，使得流量减小。工况点沿着通风机的性能曲线向左移动，若工况点移动到性能曲线的某一流量时，通风机进口的流量、压力有激烈的脉动，气流激励频率刚好与风机固有的一阶临界频率相吻合，造成通风机一阶临界频率分量的振动能量突然增大而导致机组连锁停机。

2 故障特征

冷气风机机组由电机直接拖动，并在进排气侧分别布置X向和Y向两个测点，电机上的振动数据没有上传至远程故障诊断系统。

该套冷气风机的机壳是钢板焊接类结构，支撑轴承为圆柱轴承。风机的主要性能参数如表1所示。

表1 冷气风机的主要性能参数Tab.1 Main performance parameters of cooling fan

三聚氰胺的工艺流程示意图如图2所示，冷气风机将捕集器中的三聚氰胺冷气输送到尿洗塔中。冷气风机试车时，系统中的其它装置均未投运，通过出料鼓风机给该密闭系统中打空气加压，以达到热空气模拟工艺介质试车的目的。

图2 三聚氰胺流程示意图Fig.2 Schematic diagram of the melamine process

前期冷态试车，将风机进排气管道上的检修人孔门打开，单试冷气风机的机械运转情况。当风机达到工作转速后，振动幅值均在合格范围之内。本文将针对3次典型的试车情况进行分析和诊断。

第一次热态试车。将风机进口压力增压至0.2MPa(G)，在该套闭环系统装置中单试风机的热态机械性能。风机转速从1 330r/min快速升至2 690r/min时，风机各测点的振动通频值发生突跳，通频值最大达到88.8μm而导致连锁停机。

第二次热态试车。将风机进口压力增压至0.05MPa(G)并解除振动连锁停机信号，继续在该套闭环系统装置中单试风机的热态机械性能。当风机转速升至 2 995r/min 时 ，风 机 测 点 VT10306X、VT10306、VT10305X、T10305Y的振动通频值分别为16.8μm、14.3μm、20.3μm、14.8μm。当风机的转速逐渐降至 2 915r/min时，风机振动开始出现连续的波动，波动最大达到96.3μm而停机。

第三次热态试车。试车前在风机进排气侧管道上安装了回流阀，如图5所示。将风机进口压力增压至0.2MPa(G)，回流阀全开，解除振动连锁停机信号，继续在该套闭环系统装置中单试风机的热态机械性能。在风机转速升至3000r/min后降速至2876r/min的过程中，各测点处振动的通频值分别为15.4μm、11.5μm、22.0μm、18.0μm且振动趋势非常平稳；当逐渐关闭回流阀至开度为30%时，各测点处的振动开始出现剧烈波动，波动最大达到128.6μm；随着回流阀逐渐打开，振动值也逐渐回落。

图3 增加回流阀的流程示意图Fig.3 The process diagram of adding the return valve

3 故障精析

第一次试车分析：风机在2 690r/min发生突跳时，振动通频值最大达到88.8μm，但各测点的工频幅值非常小，最大不超过16μm。振动的主要能量集中在0.75倍频分量处，其能量远远超过工频分量。低频分量的突然增大是造成此次故障的主要因素。查看风机启机过程中各测点的频率分量的变化情况，发现风机转速升至1 270r/min时各测点振动信号的频谱图中均出现了0.75倍频分量。随着风机转速的升高，该0.75倍频分量始终存在（图4），直至该低频分量突然升高引起风机连锁停机[5]。

图4 冷气风机波动时的频谱图Fig.4 Spectrum of cooling fan fluctuating

图5为冷气风机发生突跳时的轴心轨迹，从图中可以看出轴心轨迹的轮廓形状基本不变，但轨迹的随机性强，重复性非常差。

图5 冷气风机发生突跳时的原始轴心轨迹Fig.5 The original axis track of the cooling fan jump

第二次试车分析：当风机的转速达到2 995r/min时，各测点的振动主要以工频分量为主，虽伴有少量的低频分量，但低频分量的能量最大不超过3μm。当风机的转速逐渐降至2 915r/min时，风机振动开始出现连续波动，波动时振动通频值最大达到96.3μm，此时各测点的振动能量均主要集中在0.72倍频分量处(34.92Hz)。图6为风机发生波动时的原始轴心轨迹图，可以看出风机的轴心轨迹与第一次试车突跳时的轴心轨迹十分相似。轨迹形如一团乱麻，键相点的位置也在不断变化，几乎没有重复性。从各测点的振动波形图中可以看到明显的拍振。

图6 冷气风机波动时的原始轴心轨迹图Fig.6 The original axis track when the cooling fan fluctuates

第三次试车分析：当风机的转速达到2 876r/min时，各测点处的振动主要以工频分量为主，并且伴有少量的低频分量。但低频分量的幅值最大也在4μm以内，能量很小。当逐渐关闭回流阀开度至30%时，四个测点处的振动开始出现剧烈波动，波动时振动通频值最大可达128.6μm，此时振动能量主要集中在0.72倍频分量处(34.48Hz)。

图7 冷气风机剧烈波动时的原始轴心轨迹图Fig.7 The original axis track of the cooling fan violently fluctuating

图7为风机发生剧烈波动时的原始轴心轨迹图，可以看出此时风机的轴心轨迹与前两次试车突跳时轴心轨迹特征相似。

表2给出了三次试车时波动最大点的数据对比及轴心轨迹情况对比。在3次试车过程中，风机振动均发生了剧烈的波动或者突跳，振动的能量均集中在0.72倍频或0.75倍频分量，工频分量幅值非常小；波动最高测点(VT10305X)的振动通频幅值均达到了80μm以上，但工频幅值最高不超过16μm；在进口压力调低至0.05MPa(G)或者节流阀关至1/3时，振动即发生突跳并伴有明显的拍振。

表2 三次试车情况对比Tab.2 The comparison of three experiments

双吸式的单级叶轮受到两端气流的间歇性激振，引起转子强烈的拍振，转子的线性运转受到该激振力的强烈冲击而产生剧烈的振动，因此认为造成风机剧烈波动或突跳的主要因素是气流激励。

从三次试车的数据对比中发现气流激励引起的风机振动与风机的转速、进口压力、进口流量等参数关系密切。在第一次试车中，当进口压力保持在0.2MPa(G)且未装回流阀的情况下，风机转速升至1 044r/min时，各测点的频谱图中并未发现0.75倍频分量；当转速升至1 330r/min时，各测点的频谱图中即出现明显的0.75倍频分量。此时气流激励开始出现，但能量还比较小；当转速继续升至2 690r/min时，0.75倍频的低频能量突然升高致风机振动连锁停机；在第二次试车过程中，风机进口压力调低至0.05MPa(G)。因载荷降低气流激振的能量比较小，故并未激起风机振动突然增大而连锁停机；在第三次试车时，风机进口压力保持在0.2MPa(G)，回流阀全开，此时风机进口流量大。风机转速稳定在2 876r/min时，各测点的振动通频值非常小，当回流阀关至30%时，风机进口流量减小，风机各测点的振动通频值发生明显的突跳，频谱图中的低频振动能量增加非常明显。

该风机在现场的启机过程中，一阶临界转速区间为1490～2260r/min对应的频响范围为24.8～37.7Hz。三次试车低频振动频率分别为33.6Hz，35.0Hz，34.5Hz，低频分量的频率刚好在临界频响范围内，气流激励的频率与转子一阶临界频率相吻合，在波形频谱图中出现了明显的拍振迹象。综合对比分析认为：诱发该套风机振动幅值剧烈波动的原因是气流激励与转子一阶临界的频率相吻合的共振[10-12]。

4 气动性能分析与现场检测

通过现场DCS检测画面所显示的结果来看，在这三次试车时，风机压升均由于压力表的原因无法测得真实值，这给我们分析振动的气动原因增加了很大的难度。故给出热空气试车时的性能曲线进行分析，如下图8所示。该曲线是风机设计时预测性能曲线换算到进口条件下运行时的风机预测性能曲线，方点位置是运行点。可以看出：运行点与设计的升压、轴功率都吻合的很好，且运行在稳定工况范围内。

图8 风机预测性能曲线Fig.8 Fan prediction performance curve

由于此风机的预测性能曲线特性是经计算校核过的，因此，如果此风机的压升随着流量减小而升高的幅度不大，那么流量在一定范围内的变化影响到升压的变化就比较小。反之，如果升压超过了设计值很多，流量会急剧减小。

该风机在管网中的作用就是克服管网阻力。所以判断在此工况下，风机的升压已经超过了风机的设计能力。

现场检测中，当风机在50%负荷且回流阀开度为1/3的情况下，用手持式测振仪对机壳各位置的振动速度进行了测量，测量结果如下表3所示。从表中可以看出：轴承箱壳体振动速度不大，远远小于优良值4.5mm/s。下机壳出口位置的振动速度最大达到14.2mm/s，远超过停机值7.1mm/s。壳体振动速度作为振动分析的一个参考量，反映出风机出口处的振动能量比轴承箱的壳体振动能量大的多，说明引起风机振动的激振能量来源于出口管道处。

表3 壳体振动速度对照表（单位：mm/s）Tab.3 The vibration velocity in different parts of volute(unit:mm/s)

超转速升至3 075r/min后，测出风机升压已经大于48kPa，这个值超过设计值33%，远远超出了风机的设计能力范围。

5 处理方案与处理效果

根据现场检测到的风机性能和管网阻力等参数的计算结果，重新更换一套风机转子，使其做功能力能够克服现场管网阻力，达到装置的运行要求。

新转子更换完成后现场试车，当转速升至工作转速并加至满负荷（回流阀全关）正常运行，风机进排气侧的振动值最大不超过25μm，并且振动趋势非常平稳。该风机的振动故障彻底得到解决。

6 结论

1）冷气风机在闭路系统里要建立正压，风机的升压一定要大于管网阻力。而当管网阻力远大于风机的设计升压时。

2）气流激励引起的振动比较常见，但是0.75倍频左右分量的低频振动，并且刚好与转子的一阶临界频率相吻合的共振故障更是非常罕见。

3）频谱分析与气动参数分析相结合，综合诊断出该冷气风机的做功能力小于管网阻力（风机在管网中的作用就是克服管网阻力），并且通过现场测试得到了验证。

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Fault Diagnosis of Fan Vibration Caused by Aerodynamic Excitation

BoYuan
（Xi’an Shaangu Power Co.,Ltd）

An cooling fan was shut down due to strong vibrations during an on-site experiment.In this paper,the vibration spectra were analyzed and showed that a high vibration energy is concentrated at aroundof the low frequency component.Experimental analysis further showed that the vibration amplitude is related to the rotational speed,inlet pressure and inlet flow rate,especially the beat vibration.The aerodynamic analysis and experiment on site show the reason of unit fault to be aerodynamic excitation.

cooling fan,low frequency components,axis orbit,aerodynamic excitation

分布式能源互联岛绿色制造系统集成工程(2016年绿色制造系统集成项目)

2017-07-06 陕西 西安 710600

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0081-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0014