轴流风机振动问题研究分析
2020-01-19路锦新
路锦新
(大庆石化公司热电厂,黑龙江 大庆 163000)
轴流风机具有风量大、启动平稳、能够适应复杂风道等特点逐渐取代离心式风机成为工业风机的首选。轴流风机的结构特点明显,一般按照风量调节方式分为动叶式和静叶式两种。动叶式轴流风机是通过改变叶片的角度来调节风量的,具有风量调节范围大、送风效率高、无截流损失等优点。但是,动叶式轴流风机中采用了复杂的叶片开度调节机构,故障率较高,一般只应用于一次风机中。静叶可调轴流风机的叶片开度无法调节,需要采用改变气流流通面积的方式调节风量的大小,结构较动叶式轴流风机简单,但是,会产生一定的截流损失,一般在复杂工况下使用。
轴流风机的大量使用,其异常振动问题日渐凸显,并且振动的原因与离心式风机有很大不同。本文通过梳理轴流风机产生异常振动的原因,对查障和排障进行了总结,以期为轴流风机的进一步推广提供帮助。
1 动叶调节结构导致振动
动叶可调轴流风机从其名称不难看出,其送风量的调节主要依靠改变叶片角度来实现,在每个叶片上都附加传动连杆,叶片角度的改变是由一套复杂的液压传动机构(见图1)完成的,整个机构异常复杂,对部件的安装和磨损要求都很高,振动的原因有单级叶轮的叶片开度异步、二级叶轮的叶片开度异步或传动部件偏心等。
1.1 单级叶轮部分叶片开度异步
导致单级叶轮部分叶片开度异步原因有很多,常见的有连杆磨损、滑块偏磨、轴承转动失稳、曲柄旋转部位空旷等。上述问题均能引起叶片开度异步或旋转部位偏心等问题,这就导致风机在高速旋转状态下动平衡严重失衡,产生振动。
判断单级叶轮部分叶片开度异步导致振动可以依据如下几点:
(1)由于叶片运转失稳导致气流脉动,振动频谱中可检测出工频高次谐波,在位移频谱中则没有明显现象。
(2)能够明显检测到风机振幅的变化,在叶片角度调节时尤为明显,叶片开度稳定后,则振幅的变化逐渐减小。
(3)风机在启动时的振幅较小、随叶片的开度增大振幅逐渐增加。
1.2 二级叶轮叶片开度异步
二级叶轮叶片开度异步的现象只存在于具有双级结构的风机中。导致二级叶片开度异步的主要原因有很多,比如,液压机构中的铜滑套磨损或连杆磨损,铜滑套磨损能够引起叶片的整体角度发生变化,使二级叶片与一级叶片处于不同的角度工作,连杆磨损能够导致二级叶片的开度出现差异。
当单个叶片的角度相同时,振动频谱中的工频所占比重很小,叶片通过频率占比很大,当铜滑套或连杆出现较大的松动时,会出现工频高次谐波,振动的最大值出现在特定区域内,风机负荷小时振动减轻。
1.3 调节部件偏心
调节部件安装偏心或松动时,都会在高速旋转时产生较大的偏心惯量,使风机出现振动。在动叶可调轴流风机中,常见的原因有液压缸安装偏心改变质量分布,引起质心偏移故障,这时,故障频谱中可检测到以工频为主,并且对负载的变化不敏感。假如液压缸在安装时的预紧力不达标会在风机旋转后出现松动,导致质心变化,在离心力的作用下会使液压缸发生位置改变,并且振动频谱呈现不规律行变化。
2 气流脉动导致振动
气流脉动是指气流分离或涡流。在轴流风机的后期改造中经常出现由于结构设计不合理导致的气流脉动。常见的有以下几种:
(1)叶片开度的冗余度设计过大,导致风机在低负荷运行时由于叶片开度变化落入振动区域内,引起气流脉动。
(2)风机构件焊接缺陷或金属腐蚀引起的叶片磨损也会导致风机运转不平稳,扰乱气流,引起气流脉动。
(3)风机进风口阻塞引起的气流流量变化也会导致气流脉动,比如,挡板故障或风道堵塞等。
以上几种气流脉动所导致的风机振动具有一定的相似性,在现场进行的测试表明其振动特征如下:
(1)在风机运行时,通过音频或视频检测设备进行的检测结果显示,在不同位置上的检测设备所得到的结果有很大差异,无法使用单纯的音频对齐进行结果的分析,只有采用最新的时码对齐功能,才能得到所需的音频对齐文件。
(2)当风机叶片出现不同程度磨损或开裂时,所产生的气流脉动会与系统的机械振动产生共振,在故障频率中能够检测到大量的叶片通过频率。
(3)气流脉动最主要的表现是噪音和风机电流异常,在两台相同的风机并联工作时,出现气流脉动的风机电流变得极不稳定,噪音也会明显高于另一台正常风机。
3 支撑动刚度弱及局部共振导致振动
大容量轴流风机的自重较大,安装尺寸也较大,需要的支撑构件多,导致风机运行时经常出现由于支撑构件缺陷引起的振动现象,支撑构件缺陷主要是指构件的刚度不够、松动引起的局部振动。
3.1 支撑构件动刚度较弱
支撑构件的动刚度是其主要性能指标,在大容量轴流风机的安装中,经常采用三座水泥支座作为风机的主要承重结构,水泥支座的横截面积过小或刚度不足就无法为风机提供有效的支撑,在风机运行时产生振动,这时负荷越大对支座的反作用力越大,产生的振动越强。
由于水泥支座刚性不足或横截面积过小引起振动时,可在振动频谱中工频占比最大。这时,振动的幅度从支座底面向上逐渐增大,并且以横向振动为主,通过加固底座,或提高转子动平衡精度能够有效降低风机运行时的振动幅度。
3.2 连接松动
在三座水泥支座上面架设风机,风机的支腿与水泥支座之间采用螺栓连接进行固定。大容量轴流风机的自重较大,因此,需要的固定螺栓数量较多,在风机长时间的运行中,这些螺栓经常出现预紧力下降或松动的现象,导致风机运行时出现很大的振动。并且连接松动还会导致风机的共振频率发生偏移,更容易进入共振转速,这种共振有时会将振动放大几倍甚至十几倍。一些大容量轴流风机在安装时还会采用弹性基础,在长期运行后产生基础沉降不均的现象,也会引起振动。
这类由于风机的支腿与水泥支座之间的连接松动引起的振动,可以通过紧固螺栓进行消除。并且在振动频谱中,工频的占比最大,随着风机负荷的变化呈规律性变化,在连接松动的地方能够明显感觉到振动的存在,这时,应该按照先垫支腿后紧固螺栓的顺序进行。
3.3 局部共振
轴流风机的结构特征导致其共振现象较容易发生,这是由于轴流风机的固有频率较大也较多,比如,支腿、壳体、叶片等位置都有一个或多个固有频率,发生局部共振的可能性非常大。
由于其构件的固有频率导致的振动较难排除,一般采取降低风机激振力的方法来改善振动情况,在确保紧固件和连接面接合牢固后,可通过动平衡等手段降低工频激振力,通过提高叶片开度协调性、修复叶片磨损等方法降低通过频率的激振力。
4 振动故障处理建议
(1)进行轴流风机振动排除时,在采用最常见的振动频率分析法基础上,还应该结合振动的特性进行综合分析,比如,振动随时间、负荷、开度、环境温度等的变化情况,以及随风机转速变化情况等,还要考虑连接件的松动或预紧力不足引起的振动情况。
(2)多次动平衡仍无法达到预期时,应考虑去除前期加装的平衡块,并通过两次起机测试振动特性,找出振动原因。
(3)动叶可调轴流风机液压调节结构较为复杂,排障时,应先测试叶片的通过频率或工频谐波,然后,根据振动的特性排查与之相关的液压机构部件问题。