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大型軸流風機振動分析及處理

2019-07-01

       軸流風機以其流量大、啟動力矩小、對風道系統變化適應性強的優勢逐步取代離心風機成為主流。軸流風機有動葉和靜葉2種調節方式。· 

動葉可調軸流風機通過改變做功葉片的角度來改變工況,沒有截流損失,效率高,還可以避免在小流量工況下出現不穩定現象,但其結構復雜,對調節裝置穩定性及可靠性要求較高,對制造精度要求也較高,易出現故障,所以一般只用于送風機及一次風機。

靜葉可調軸流風機通過改變流通面積和入口氣流導向的方式來改變工況,有截流損失,但其結構簡單,調節機構故障率很低,所以一般用于工作環境惡劣的引風機。

隨著軸流風機的廣泛應用,與其結構特點相對應的振動問題也逐步暴露,這些問題在離心式風機上則不存在或不常見。本文通過總結各種軸流風機異常振動故障案例,對其中一些有特點的振動及其產生的原因進行匯總分析。

一、動葉調節結構導致振動

動葉可調軸流風機通過在線調節動葉開度來改變風機運行工況,這主要依賴輪轂里的液壓調節控制機構來實現,各個葉片角度的調節涉及到一系列的調節部件,因而對各部件的安裝、配合及部件本身的變形、磨損要求較高,液壓動葉調節系統結構如圖1所示。動葉調節結構對振動的影響主要分單級葉輪的部分葉片開度不同步、兩級葉輪的葉片開度不同步及調節部件本身偏心3個方面。 


1. 單級葉輪部分葉片開度不同步 


單級葉輪部分葉片開度不同步主要是由于滑塊磨損、調節桿與曲柄配合松動、葉柄導向軸承及推力軸承轉動不暢引起的。這些部件均為液壓缸到動葉片之間的傳動配合部件,會導致部分風機葉片開度不到位,而風機葉片重量及安裝半徑均較大,部分風機葉片開度不一致會產生質量嚴重不平衡,導致風機在高轉速下出現明顯振動。


2. 兩級葉輪葉片開度不同步 


對兩級動葉可調軸流風機而言,還存在兩級葉輪葉片開度不同步的問題。其原因主要是液壓執行機構銅套磨損或者兩級推力盤問連桿磨損變形。連桿主要用于同步一、二級推力盤之間的軸向位移,連桿的磨損變形會導致兩級推力盤間位移不同步,從而導致兩級動葉開度變化不同步。液壓缸銅套的磨損、局部開裂、變形及中心軸間隙變大則會導致兩級動葉的開度調節整體不到位,從而使兩級動葉開度不一致。 由于單個葉輪的所有葉片開度均同步,所以并不會明顯影響轉子的動平衡情況,因此,其振動故障頻譜中工頻占比一般相對較小,主要是產生較大的葉片通過頻率,在松動嚴重的情況下還會出現工頻高次諧波成分。振幅一般在某個特定負荷(動葉開度)下存在較大值,且振幅出現波動,其中工頻和葉片通過頻率均出現波動變化,而在其他負荷或未帶負荷時振幅則相對較小。

 

3. 調節部件偏心

 

調節部件偏心主要指質量較大的調節部件的安裝偏心、松動,由于質量較大,當其旋轉中心與轉子中心發生偏斜時,將會產生較大的質量不平衡,而由松動導致的偏心也會產生質量不平衡。對于動葉可調軸流風機而言,主要指液壓缸的安裝偏心及松動。如果僅是液壓缸安裝偏心,而緊力足夠,則只會導致質量分布的改變,風機轉子會出現單純的質量不平衡故障,故障頻譜主要為穩定的工頻成分,每次啟機定速后振動值均比較穩定,不會隨負荷工況發生變化。如果是由于液壓缸安裝時緊力不足導致的松動,則會產生不穩定的質量不平衡,每次停機后再次啟機,由于離心力的變化,液壓缸的位置會發生改變,致使每次啟機的振動數據均不一致,振動主要以工頻為主,在轉速不變時振動則比較穩定。對于此類故障,由于單次定速后振動很穩定,容易與原始質量不平衡混淆,導致無謂的反復動平衡。


二、氣流脈動導致振動

氣流脈動是普遍存在的氣流分離與蝸流發展的產物。對于軸流風機,除去原設計及后期改造中進出口流道、擋板等通流結構設計不合理導致的流體脈動外,在運軸流風機出現流體脈動的原因如下:

 

靜葉可調軸流風機葉片開度的冗余度較大,低負荷下靜葉開度的變化容易導致風機工作點落入不穩定運行區域,產生流體脈動甚至喘振,引起強烈振動。

因焊接剛度、局部應力、腐蝕或異物進入,導致風機動葉片及導葉嚴重磨損甚至局部脫落,引起流體脈動。

因風機進口流道擋板異常、異物堵塞等原因,導致系統阻力增加,流量不足,引起流體脈動、失速甚至喘振。

現場實際測試數據顯示,上述幾種流體脈動引起的風機振動現象及特征相似,主要包括以下幾點:

氣流脈動多引起風機機殼、進出口管道及機殼基礎振動,對軸承及轉子機械振動的影響較小,起振頻率主要為與轉子主頻無關的低頻成分。

當動葉或靜葉磨損、破裂產生氣流脈動時,其氣流脈動會與機械振動相耦合,此時氣流脈動故障頻率中會出現較大的葉片通過頻率及其諧波,且軸承及轉子也會出現故障頻率。

氣流脈動除引起風機振動變化外,還會引起風機電流、流量不穩,甚至大幅波動,導致并聯運行的2臺風機在同等風量下電流差異較大,現場有明顯氣流噪音。


三、支撐動剛度弱及局部共振導致振動

大容量軸流風機相比于離心風機,其自重、外形尺寸均較大,支撐連接構件也較多,因設計剛度薄弱、連接松動、局部共振所帶來的振動問題也更多、更加難以判別。

 

1. 設計支撐動剛度較弱

 

大容量軸流風機重量、外形尺寸增加較多,而支撐材料往往比較薄弱。風機多采用3水泥座支撐方式,即進氣箱支腿、下機殼支腿、擴散筒支腿分別支撐在3個水泥座上,每個水泥基座高度較高,橫截面積不足,橫向剛度較差,易引起較大的風機橫向振動,尤其在風機負荷較高時,風機轉子傳遞到基座上的作用力增大,振幅則更大。

 

在沒有異常激振源的情況下,設計支撐結構剛度弱導致的振動主要以工頻為主。支撐結構的基礎、支腿、殼體振幅較接近,且由上到下均勻減小,但支撐結構整體振動較大,主要表現在水平方向,而垂直及軸向振動一般較小。一般通過動平衡或者加固支撐基礎,可降低轉子激振力,從而降低風機振動水平。

 

2. 連接松動

 

軸流風機殼體下部通過支腿與水泥基座連接,左右通過一圈螺栓與進氣箱、擴散筒連接,上、下半筒之間通過兩排螺栓連接,軸承座固定在下半殼體上。由于軸流風機殼體連接部位較多,在長期運行中易出現緊力不足、連接松動的情況,而且部分軸流風機連接松動引起的振動會非常大,尤其是殼體共振頻率與工作轉速較為接近時,連接松動往往導致殼體固有頻譜偏移,產生共振,振動被進一步放大。如風機殼體與左右風道殼體連接螺栓出現局部松動時,殼體振幅可以放大1倍多,而殼體松動產生共振時,甚至可以出現1個數量級的振動差別,部分大容量機組的軸流風機下支撐采用彈簧基礎,長時間運行后,出現基礎沉降不均,也會導致支撐動剛度明顯不足,產生明顯振動。

 

風機連接松動引起支撐動剛度弱產生的振動,一般采用現場緊固排除。此類振動以工頻為主,隨負荷變化有一定波動,松動接觸面差異振動明顯,一般應首先緊固各連接面螺栓,有滑動支腿的則緊固、墊實支腿,然后測試各接觸面振動的差異,并對比其緊固前后的振動情況,以排查是否存在連接松動問題。

 

3. 局部共振

 

由于軸流風機的結構特點,其在轉速頻率及葉片通過頻率附近的固有頻率較大,很容易產生局部共振。如風機各支腿、上下殼體、支撐板、葉片等均有1到幾個固有頻率,有些葉片通過頻率與風機常見的故障頻率非常接近,很容易引起局部共振。

 

對于此類振動問題,現場很難大幅改變各結構固有頻率,一般是在緊固各連接面,排除因連接松動導致的共振后,通過減小激振力來降低振動水平。如采用動平衡降低工頻激振力,或對葉片開度一致性、葉片不均勻磨損情況等進行檢查處理,減小葉片通過頻率的激振力。


四、振動故障處理建議


1. 在處理大容量軸流風機異常振動時,除常規的故障頻率分析外,還應分析振動的變化特點,如振動隨時間、負荷、開度、環境溫度等的變化情況,升降速、剛定速及帶負荷下的振動情況,現場連接部件差異振動、松緊螺栓振動的測試情況。

2. 次動平衡振動規律差異較大時,應去掉前期所加平衡塊,測試2次啟機后振動的重合性,找出其本身振動變化的原因。

動葉可調軸流風機液壓調節結構故障的原因很多,在發現振動與葉片開度關聯較大,且出現明顯葉片通過頻率或工頻諧波時,應重點排查液壓調節結構松動、磨損等缺陷。


軸流風機.png



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