軸流風(fēng)機(jī)以其流量大、啟動(dòng)力矩小、對風(fēng)道系統(tǒng)變化適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢逐步取代離心風(fēng)機(jī)成為主流。軸流風(fēng)機(jī)有動(dòng)葉和靜葉2種調(diào)節(jié)方式。
動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)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(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對調(diào)節(jié)裝置穩(wěn)定性及可靠性要求較高，對制造精度要求也較高，易出現(xiàn)故障，所以一般只用于送風(fēng)機(jī)及一次風(fēng)機(jī)。
靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)通過改變流通面積和入口氣流導(dǎo)向的方式來改變工況，有截流損失，但其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)故障率很低，所以一般用于工作環(huán)境惡劣的引風(fēng)機(jī)。
隨著軸流風(fēng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相對應(yīng)的振動(dòng)問題也逐步暴露，這些問題在離心式風(fēng)機(jī)上則不存在或不常見。本文通過總結(jié)各種軸流風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)故障案例，對其中一些有特點(diǎn)的振動(dòng)及其產(chǎn)生的原因進(jìn)行匯總分析。
一、動(dòng)葉調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致振動(dòng)
動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)通過在線調(diào)節(jié)動(dòng)葉開度來改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，這主要依賴輪轂里的液壓調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，各個(gè)葉片角度的調(diào)節(jié)涉及到一系列的調(diào)節(jié)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(dòng)葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)葉調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)對振動(dòng)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(diào)節(jié)部件本身偏心3個(gè)方面。
1—碟片；2—調(diào)節(jié)桿；3—活塞； 4—油缸；5—接收軸；6—控制頭；7—位置反饋桿；8—輸出軸；9—控制滑伐；10—輸入軸；
A—壓力油；B—回油。
圖1 軸流風(fēng)機(jī)液壓動(dòng)葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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(diào)節(jié)桿與曲柄配合松動(dòng)、葉柄導(dǎo)向軸承及推力軸承轉(zhuǎn)動(dòng)不暢引起的。這些部件均為液壓缸到動(dòng)葉片之間的傳動(dòng)配合部件，會(huì)導(dǎo)致部分風(fēng)機(jī)葉片開度不到位，而風(fēng)機(jī)葉片重量及安裝半徑均較大，部分風(fēng)機(jī)葉片開度不一致會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)明顯振動(dòng)。
單級葉輪部分葉片開度不同步引起的振動(dòng)主要特點(diǎn)如下：
振動(dòng)頻譜和普通質(zhì)量均不平衡，振動(dòng)故障頻譜中主要為工頻成分，同時(shí)部分葉片不同步會(huì)產(chǎn)生一定的氣流脈動(dòng)，使振動(dòng)頻譜中出現(xiàn)葉片通過頻率及其諧波，部分部件的磨損及松動(dòng)則會(huì)產(chǎn)生一定的非線性沖擊，使振動(dòng)頻譜中出現(xiàn)工頻高次諧波成分，這在振速頻譜中表現(xiàn)得相對明顯一些，在位移頻譜中幾乎觀察不到。
風(fēng)機(jī)振幅不穩(wěn)定，振幅變化主要發(fā)生在動(dòng)葉開度調(diào)節(jié)過程中，在動(dòng)葉開度穩(wěn)定時(shí)振幅基本保持穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)隨動(dòng)葉開度變化而逐步變化。
剛升速至工作轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)動(dòng)葉未開或開度較小時(shí)，風(fēng)機(jī)振幅一般較小。
2. 兩級葉輪葉片開度不同步
對兩級動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)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(zhí)行機(jī)構(gòu)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(huì)導(dǎo)致兩級推力盤間位移不同步，從而導(dǎo)致兩級動(dòng)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(huì)導(dǎo)致兩級動(dòng)葉的開度調(diào)節(jié)整體不到位，從而使兩級動(dòng)葉開度不一致。
由于單個(gè)葉輪的所有葉片開度均同步，所以并不會(huì)明顯影響轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡情況，因此，其振動(dòng)故障頻譜中工頻占比一般相對較小，主要是產(chǎn)生較大的葉片通過頻率，在松動(dòng)嚴(yán)重的情況下還會(huì)出現(xiàn)工頻高次諧波成分。振幅一般在某個(gè)特定負(fù)荷（動(dòng)葉開度）下存在最大值，且振幅出現(xiàn)波動(dòng)，其中工頻和葉片通過頻率均出現(xiàn)波動(dòng)變化，而在其他負(fù)荷或未帶負(fù)荷時(shí)振幅則相對較小。
3. 調(diào)節(jié)部件偏心
調(diào)節(jié)部件偏心主要指質(zhì)量較大的調(diào)節(jié)部件的安裝偏心、松動(dòng)，由于質(zhì)量較大，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)子中心發(fā)生偏斜時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的質(zhì)量不平衡，而由松動(dòng)導(dǎo)致的偏心也會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。對于動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)而言，主要指液壓缸的安裝偏心及松動(dòng)。如果僅是液壓缸安裝偏心，而緊力足夠，則只會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量分布的改變，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)單純的質(zhì)量不平衡故障，故障頻譜主要為穩(wěn)定的工頻成分，每次啟機(jī)定速后振動(dòng)值均比較穩(wěn)定，不會(huì)隨負(fù)荷工況發(fā)生變化。如果是由于液壓缸安裝時(shí)緊力不足導(dǎo)致的松動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的質(zhì)量不平衡，每次停機(jī)后再次啟機(jī)，由于離心力的變化，液壓缸的位置會(huì)發(fā)生改變，致使每次啟機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)均不一致，振動(dòng)主要以工頻為主，在轉(zhuǎn)速不變時(shí)振動(dòng)則比較穩(wěn)定。對于此類故障，由于單次定速后振動(dòng)很穩(wěn)定，容易與原始質(zhì)量不平衡混淆，導(dǎo)致無謂的反復(fù)動(dòng)平衡。
二、氣流脈動(dòng)導(dǎo)致振動(dòng)
氣流脈動(dòng)是普遍存在的氣流分離與蝸流發(fā)展的產(chǎn)物。對于軸流風(fēng)機(jī)，除去原設(shè)計(jì)及后期改造中進(jìn)出口流道、擋板等通流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的流體脈動(dòng)外，在運(yùn)軸流風(fēng)機(jī)出現(xiàn)流體脈動(dòng)的原因如下：
靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)葉片開度的冗余度較大，低負(fù)荷下靜葉開度的變化容易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)落入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，產(chǎn)生流體脈動(dòng)甚至喘振，引起強(qiáng)烈振動(dòng)。
因焊接剛度、局部應(yīng)力、腐蝕或異物進(jìn)入，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片及導(dǎo)葉嚴(yán)重磨損甚至局部脫落，引起流體脈動(dòng)。
因風(fēng)機(jī)進(jìn)口流道擋板異常、異物堵塞等原因，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加，流量不足，引起流體脈動(dòng)、失速甚至喘振。
現(xiàn)場實(shí)際測試數(shù)據(jù)顯示，上述幾種流體脈動(dòng)引起的風(fēng)機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象及特征相似，主要包括以下幾點(diǎn)：
氣流脈動(dòng)多引起風(fēng)機(jī)機(jī)殼、進(jìn)出口管道及機(jī)殼基礎(chǔ)振動(dòng)，對軸承及轉(zhuǎn)子機(jī)械振動(dòng)的影響較小，起振頻率主要為與轉(zhuǎn)子主頻無關(guān)的低頻成分。
當(dāng)動(dòng)葉或靜葉磨損、破裂產(chǎn)生氣流脈動(dòng)時(shí)，其氣流脈動(dòng)會(huì)與機(jī)械振動(dòng)相耦合，此時(shí)氣流脈動(dòng)故障頻率中會(huì)出現(xiàn)較大的葉片通過頻率及其諧波，且軸承及轉(zhuǎn)子也會(huì)出現(xiàn)故障頻率。
氣流脈動(dòng)除引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)變化外，還會(huì)引起風(fēng)機(jī)電流、流量不穩(wěn)，甚至大幅波動(dòng)，導(dǎo)致并聯(lián)運(yùn)行的2臺風(fēng)機(jī)在同等風(fēng)量下電流差異較大，現(xiàn)場有明顯氣流噪音。
三、支撐動(dòng)剛度弱及局部共振導(dǎo)致振動(dòng)
大容量軸流風(fēng)機(jī)相比于離心風(fēng)機(jī)，其自重、外形尺寸均較大，支撐連接構(gòu)件也較多，因設(shè)計(jì)剛度薄弱、連接松動(dòng)、局部共振所帶來的振動(dòng)問題也更多、更加難以判別。
1. 設(shè)計(jì)支撐動(dòng)剛度較弱
大容量軸流風(fēng)機(jī)重量、外形尺寸增加較多，而支撐材料往往比較薄弱。風(fēng)機(jī)多采用3水泥座支撐方式，即進(jìn)氣箱支腿、下機(jī)殼支腿、擴(kuò)散筒支腿分別支撐在3個(gè)水泥座上，每個(gè)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(fēng)機(jī)橫向振動(dòng)，尤其在風(fēng)機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)剛度弱導(dǎo)致的振動(dòng)主要以工頻為主。支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)、支腿、殼體振幅較接近，且由上到下均勻減小，但支撐結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)較大，主要表現(xiàn)在水平方向，而垂直及軸向振動(dòng)一般較小。一般通過動(dòng)平衡或者加固支撐基礎(chǔ)，可降低轉(zhuǎn)子激振力，從而降低風(fēng)機(jī)振動(dòng)水平。
2. 連接松動(dòng)
軸流風(fēng)機(jī)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(jìn)氣箱、擴(kuò)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(fēng)機(jī)殼體連接部位較多，在長期運(yùn)行中易出現(xiàn)緊力不足、連接松動(dòng)的情況，而且部分軸流風(fēng)機(jī)連接松動(dòng)引起的振動(dòng)會(huì)非常大，尤其是殼體共振頻率與工作轉(zhuǎn)速較為接近時(shí)，連接松動(dòng)往往導(dǎo)致殼體固有頻譜偏移，產(chǎn)生共振，振動(dòng)被進(jìn)一步放大。如風(fēng)機(jī)殼體與左右風(fēng)道殼體連接螺栓出現(xiàn)局部松動(dòng)時(shí)，殼體振幅可以放大1倍多，而殼體松動(dòng)產(chǎn)生共振時(shí)，甚至可以出現(xiàn)1個(gè)數(shù)量級的振動(dòng)差別，部分大容量機(jī)組的軸流風(fēng)機(jī)下支撐采用彈簧基礎(chǔ)，長時(shí)間運(yùn)行后，出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降不均，也會(huì)導(dǎo)致支撐動(dòng)剛度明顯不足，產(chǎn)生明顯振動(dòng)。
風(fēng)機(jī)連接松動(dòng)引起支撐動(dòng)剛度弱產(chǎn)生的振動(dòng)，一般采用現(xiàn)場緊固排除。此類振動(dòng)以工頻為主，隨負(fù)荷變化有一定波動(dòng)，松動(dòng)接觸面差異振動(dòng)明顯，一般應(yīng)首先緊固各連接面螺栓，有滑動(dòng)支腿的則緊固、墊實(shí)支腿，然后測試各接觸面振動(dòng)的差異，并對比其緊固前后的振動(dòng)情況，以排查是否存在連接松動(dòng)問題。
3. 局部共振
由于軸流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在轉(zhuǎn)速頻率及葉片通過頻率附近的固有頻率較大，很容易產(chǎn)生局部共振。如風(fēng)機(jī)各支腿、上下殼體、支撐板、葉片等均有1到幾個(gè)固有頻率，有些葉片通過頻率與風(fēng)機(jī)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(dòng)問題，現(xiàn)場很難大幅改變各結(jié)構(gòu)固有頻率，一般是在緊固各連接面，排除因連接松動(dòng)導(dǎo)致的共振后，通過減小激振力來降低振動(dòng)水平。如采用動(dòng)平衡降低工頻激振力，或?qū)θ~片開度一致性、葉片不均勻磨損情況等進(jìn)行檢查處理，減小葉片通過頻率的激振力。
四、振動(dòng)故障處理建議
在處理大容量軸流風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)時(shí)，除常規(guī)的故障頻率分析外，還應(yīng)分析振動(dòng)的變化特點(diǎn)，如振動(dòng)隨時(shí)間、負(fù)荷、開度、環(huán)境溫度等的變化情況，升降速、剛定速及帶負(fù)荷下的振動(dòng)情況，現(xiàn)場連接部件差異振動(dòng)、松緊螺栓振動(dòng)的測試情況。
2次動(dòng)平衡振動(dòng)規(guī)律差異較大時(shí)，應(yīng)去掉前期所加平衡塊，測試2次啟機(jī)后振動(dòng)的重合性，找出其本身振動(dòng)變化的原因。
動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)液壓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)故障的原因很多，在發(fā)現(xiàn)振動(dòng)與葉片開度關(guān)聯(lián)較大，且出現(xiàn)明顯葉片通過頻率或工頻諧波時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)排查液壓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)松動(dòng)、磨損等缺陷。
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