作者：李志文
高級工程師；工作方向為設備故障診斷，現(xiàn)負責公司設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷工作。
在生產(chǎn)過程中，真空泵（水環(huán)式）一直是耗能大戶，一臺紙機一般要配5～8臺真空泵，能耗高，同時也增加了設備的維護成本。為了進一步降低成本，提升產(chǎn)品競爭力，岳陽林紙于近幾年開始著力于真空系統(tǒng)改造，由透平真空風機來替代真空泵。改造完成后，一臺紙機只需配備一臺透平真空風機即可滿足生產(chǎn)需求。
不過，在能耗降低的同時，透平真空風機的重要性也突現(xiàn)出來。如果透平真空風機出現(xiàn)故障，整個紙機會因為沒有真空而全線停機。因此，在對透平真空風機的實際維護中，要即時解決透平真空風機出現(xiàn)的異常問題，以保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。
透平真空風機的工作原理與離心風機類似，風機進氣口與真空室相連，風機葉輪通過高速旋轉將空氣吸進葉輪，通過葉輪的增速加壓后排出，這樣使真空室內造成負壓，并形成真空。如圖1。
對于多級透平真空風機，氣體經(jīng)過風機吸氣室進行收集、導流均勻進入葉輪，通過葉輪的高速旋轉做功，氣體受離心力作用在葉輪流道內擴壓流動，其速度和壓力都得到提高。氣體從葉輪出來后進入無葉擴壓器，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，必須將一部分動能轉化成壓力能，經(jīng)過無葉擴壓器的減速擴壓后，氣流速度大大降低，氣體由彎道導流進入回流器，與補氣口吸入的氣流混合和能量交換后，經(jīng)過回流器中導流葉片的收集整理，均勻進入下一級葉輪。經(jīng)過多級葉輪做功后，氣體壓力得到很大提高，并且在不同的葉輪進口處形成不同的真空度。
我廠透平機有三個進氣口，因此可以形成三個不同的真空，以滿足紙機對不同真空度的需求。
透平真空風機的效率可以達到75%，較傳統(tǒng)的真空泵效率提高了近40%。一臺透平真空風機能替代8～10臺真空泵，能很好地達到節(jié)能降耗的目的。
1 透平真空風機結構及故障種類
1.1透平真空風機結構
多級透平真空風機由定子和轉子兩部分組成。如圖2。定子包括機箱、隔板、軸承箱等零部件。轉子包括主軸、葉輪、平衡盤等零部件。整個轉子經(jīng)過高精度動靜平衡校正，平衡精度為G2.5級，確保轉子安全平穩(wěn)地運行。
風機采用滑動軸承（也簡稱軸瓦）結構，由獨立的潤滑系統(tǒng)進行供油。潤滑系統(tǒng)設置了聯(lián)鎖保護，當出現(xiàn)突發(fā)意外情況時，也能保證機組不會因為缺油而損壞，確保機組安全停機。
1.2透平真空風機故障種類
透平真空風機屬于高速旋轉設備，再結合設備結構分析，其常見的故障種類有動不平衡、軸瓦磨損、聯(lián)軸器不對中、旋轉失速等。
1.2.1動不平衡
透平真空風機屬高速旋轉設備，其轉速高達6,000r/min，有的甚至會超過10,000r/min，所以易發(fā)生動不平衡故障，常見的動不平衡故障有以下幾種：
葉片結垢：透平真空風機通過抽吸空氣產(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平衡破壞，造成動不平衡問題。同時，透平風機長期運行過程中，葉片上也易結水垢，造成動不平衡問題。
葉片斷裂：透平真空風機在運行過程中，葉片發(fā)生斷裂，嚴重時葉片會出現(xiàn)掉落情況。此時葉輪的動平衡被嚴重破壞，機組會產(chǎn)生劇烈的振動，導致聯(lián)鎖跳停。
轉子彎曲：當風機轉子出現(xiàn)撓度，產(chǎn)生彎曲變形時，也會產(chǎn)生動不平衡故障，導致機組的異常振動，振動的大小跟彎曲變形的程度有關。彎曲越嚴重，振動越大。
聯(lián)軸器動不平衡：由于透平真空風機屬于高速旋轉設備，在此工況下也需要考慮聯(lián)軸器的動不平衡問題。如聯(lián)軸器上機前未做高速動平衡校訂，則也有可能引起動不平衡問題。
1.2.2軸瓦磨損
透平真空風機通常采用滑動軸承來支撐轉子，其優(yōu)點是運行穩(wěn)定，可靠性高。由于滑動軸承是靠油膜來支撐轉子，如果出現(xiàn)潤滑不良、外力干擾等因素導致油膜被破壞，將使軸與軸瓦發(fā)生磨損。當此故障發(fā)生時，機組會發(fā)生明顯異常，如軸瓦溫度升高、機組振動異常等問題。當軸瓦磨損時，需及時處理，以避免對機組造成更大的損害。
1.2.3聯(lián)軸器不對中
透平真空風機一般使用膜片式聯(lián)軸?，其優(yōu)點是剛性好，傳遞扭矩大，但同時對找正的要求也非常高。通常對透平真空風機應使用激光對中儀進行找正，其找正精度應控制在0.1mm以內。如果對中不良，設備在高速旋轉中將放大不對中的故障，引起機組振動上升，嚴重的話將危害機組的穩(wěn)定運行。
1.2.4旋轉失速
對透平真空風機而言，旋轉失速通常是工藝生產(chǎn)條件的變化所引起機組的異常振動。該故障隱蔽性強，不易判斷。只有準確診斷故障原因，采取有針對性的措施，才能有效消除故障。此類故障也是本文說明的重點。
2 旋轉失速故障機理
離心風機的葉輪是按風機的額定流量設計的，當風機在正常工況下運行時，氣體沿葉輪的切線方向進入葉輪，如圖3（a）所示，β1為氣體進入葉輪的角度，C1為進氣流速。此時，進氣平穩(wěn)，不會對葉輪造成沖擊。
當風機工況發(fā)生改變，進氣流量減少時，此時由于進氣量減少，進氣流速降低，導致氣體無法按設計工況沿葉輪切線方向進入葉輪。進氣角度的改變，將使氣體對葉輪造成額外的沖擊，如圖3（a）所示，β1'為工況改變后的進氣角度，C1'為工況改變后的進氣流速。
當氣體與葉輪發(fā)生沖擊時，有一部分氣體會在沖擊力的作用下形成氣團，氣團會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，導致后續(xù)進來的氣體被迫流向兩側的流道——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，所以不會形成新氣團，造成堵塞；流向流道3的氣體會再次與葉輪的凸面發(fā)生沖擊，形成新的氣團，造成流道3的堵塞。進入流道3的氣體又會被迫流向兩側流道，如此循環(huán)往復。
從上述分析來看，當風機工況發(fā)生改變時，相當于固定有一個氣團在風機葉輪里發(fā)生旋轉。從葉輪外來看，氣團的旋轉方向與葉輪是一樣的，只不過氣團的旋轉速度小于葉輪的轉速而已，這就是風機葉輪旋轉失速的產(chǎn)生機理。
旋轉失速在葉輪內產(chǎn)生的壓力波動是激勵轉子發(fā)生異常振動的激振力，該激振力會引起轉子的異常振動頻率，記為ωS。同時，旋轉失速氣團又以頻率ω-ωS隨葉輪一起旋轉，產(chǎn)生振動頻率為ω-ωS的類似動不平衡振動。因此，當機械發(fā)生旋轉失速故障時，轉子的異常振動頻率同時會有ωS和（ω-ωS）兩種振動頻率。不難看出，這兩個異常振動的頻率之和恰好等于轉子的轉頻ω，這是判斷轉子是否出現(xiàn)旋轉失速故障的一個重要依據(jù)。
從上述對旋轉失速故障機理的分析來看，當設備發(fā)生旋轉失速的故障時，會產(chǎn)生明顯的低于轉子轉頻的低頻振動。而且由于旋轉失速故障是工藝條件變化所引起的，因此當發(fā)生旋轉失速時，只需改變工藝條件，增大葉輪的進氣量即可消除故障，無需對設備進行檢修。
以下將通過具體案例對旋轉失速故障的判斷及處理進行說明。
我廠某車間一臺透平真空風機（以下簡稱透平機）在正常運行過程中，振動值由0.4mm/s突然升至2.0mm/s，并持續(xù)保持在此振動水平。透平機正常運行過程中，其穩(wěn)定性很高，振動很少會出現(xiàn)大幅波動。而此時透平機振動出現(xiàn)大幅上升，振動值較正常水平上升了四倍，說明透平機的運行一定出現(xiàn)了問題。問題出現(xiàn)后，車間急需知道透平機振動異常的原因，以判定故障可能的發(fā)展趨勢，制定相應的應對方案。
通過對透平機振動數(shù)據(jù)的采集及分析，透平機存在明顯的低于轉頻的振動，且幅值突出，這應該是透平機振動突然上升的主要原因。其振動頻譜圖如圖4。
圖中f0為透平機轉頻（96.98Hz），f1和f2為異常低頻振動頻率，為造成透平機振動上升的主要原因，其中f1為43.75Hz，f2為53.13Hz。通過計算得知f1+f2=96.88Hz，兩者之和與透平機轉頻（96.98Hz）非常接近，綜合分析，透平機應該發(fā)生了“旋轉失速”故障。
由于透平機負責給網(wǎng)部以及壓榨部提供真空，根據(jù)旋轉失速產(chǎn)生的機理，因此有可能是紙機在運行過程中，網(wǎng)、壓部真空系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞，造成透平機進氣不暢，從而引發(fā)葉輪的旋轉失速，造成透平機振動的突然上升。
現(xiàn)透平機振動雖較正常值有大幅上升，達到2.0mm/s，但離4mm/s的報警值仍然有一定差距。根據(jù)對故障的診斷結論，透平機振動上升應是工藝原因引起的振動異常，因此，短期內不會對設備運行造成明顯影響。車間根據(jù)診斷結論，決定觀察運行，暫不進行處理。
一周后，車間計劃停機，對網(wǎng)、壓部進行了仔細地清洗，以消除網(wǎng)、壓部的堵塞。根據(jù)對故障的診斷，透平機振動異常是工藝條件所引起的“旋轉失速”，而非設備本身問題，所以未對設備進行檢修。
開機后復測數(shù)據(jù)，透平機振動降到正常水平，低頻振動能量消失，設備運行恢復正常。
3 結束語
“旋轉失速”是透平?的專屬故障。此次透平機故障的準確診斷，對透平機的運行提供了很好的參考建議，既保證了生產(chǎn)的連續(xù)性，又避免了設備的意外損壞。
因透平機旋轉失速所引發(fā)的振動異常，雖然其隱蔽性強，現(xiàn)場不易判斷原因，但只要準確診斷了故障原因，則易采取針對性措施，快速消除隱患，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。
來源：《中華紙業(yè)》2021年第8期
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