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摘要：离心通风机指是原动力的能力转换为给予气体的装置，运用的很多，也是火力发电系统重要的设备。多种类型的风机设备，都采用靠产生离心力做功的原理的离心式风机作为主要组成部分，分为可制成右旋和左旋两种型式。想要风机的可靠性提高，应重视整个系统的设计问題并加强维护保养，延长风机的寿命。
关键词：离心通风机；故障诊断；失速预警；研究
一、离心通风机的背景及意义
随着现代工业设备的结构趋于复杂化，功能不断趋于完善，自动化程度越来越高，对于同一设备的不同部分之间、不同设备之间的联系十分紧密，如有任意部位出现故障都可能引起连锁反应，导致整个设备无法正常运行，所以故障诊断在工业过程中的作用十分重要。国家中长期规划将与故障诊断相关的重大产品和重大设备运行可靠性、安全性、可维护性关键技术为研究方向。
风机在国民经济各部门应用广泛，在发电厂中，风机时大型的回转设备之一，是烟风系统的动力源。风机的耗电量约占机组发电总量的1.5%-3%，其运行效果直接影响电厂的经济性，随着电厂容量的不断增加，风机的实际运行效率越来越重要。风机噪声较大，容易发生故障，严重的会导致环境污染、损害人身安全等更为严重的后果。风机作为大型回转机械系统，是较强的非线性复杂系统，引发机械故障的原因有很多，故障的表现形式多样化，故障与表现征兆之间不存在一一对应的关系，各故障之间存在复杂的耦合关系。给故障的特征提取和诊断工作造成很大的困难。故障特征的提取方法是机械故障诊断的关键技术，怎样提取不同故障下区分度更大的特征，是目前研究的重点。
除机械故障外，非稳态流动故障也是风机常见的故障，旋转失速就是引起风机故障的常见现象，大多数发生在轴流风机、前向离心风机和后向离心风机上，在叶轮机械的流量减少到某个限度的时候，叶轮流道内形成几个失速团，失速团以与叶轮相同的旋转方向绕轴旋转，其角度较低。随着电站机组容量的不断扩大，离心风机的旋转失速的边界线与最高效线比较接近，容易造成风机偏离设计工况而进入失速区。容易出现旋转失速而破坏叶轮内部流畅，产生额外的气功载荷，严重时可诱发叶片高应力点处的疲劳、断裂问题，所以应加强对旋转失速控制技术的研究。
二、风机旋转失速的机理及故障特征
旋转失速是离心引风机的一种典型故障，如得不到遏制，则可能进一步导致喘振。旋转失速会破坏叶轮内部流场的不均匀性，产生额外的气动载荷，严重时可能诱发叶片高应力点处的疲劳、断裂，使风机的效率下降，引起机壳本体和连接管道的剧烈振动，造成事故隐患。
当进入叶轮的气体流量低于额定流量时，气体进入叶轮的径向速度减少，在叶片的后缘点附近产生涡流，从而引起气流从叶片背部分离，气流在叶片背面的流动恶化，升力减小，阻力却急剧增加，最终导致失速。此时，从固定于叶轮上的相对坐标系来看，旋转脱离团以角频率ω1的角频率旋转，而从叶轮之外的绝对坐标系来看，旋转脱离团是以（ω-ω1）的角频率旋转的，方向与转子的旋转方向相同，其中ω为转子的旋转频率。因此，风机发生旋转失速故障时，转子的异常振动将同时出现ω1和（ω-ω1）两个特征频率 。由其计算公式可知，叶轮失速频率（ω-ω1）大概在0.5～0.8转速频率ω的范围内。
此外由旋转失速引起的设备振动不同于其他机械故障的振动 ，转子的不平衡和不对中可能使转子振幅较高，但在机壳和管道上并不一定感觉到明显的振动；属于气流激振一类的旋转失速却与此不同，有时在转子上测得的振幅虽然不太高，然而在机壳和管道却表现出剧烈的振动。另外旋转失速所引起的振动随负荷、压力及流量的改变而变化。
三、故障诊断过程
该离心引风机为两端支撑，设计流量为101.25m3/s，全压为4832Pa，设计转速960r/min，电机功率710kW。
1.数据采集
两台风机的振动都较为剧烈，且1#风机的振动更大些。为准确查找故障原因，使用CSI2130振动分析仪对2台离心引风机的电机、风机轴承座、机壳及管道都进行了监测并采集振动数据，具体结构简图及测点布置见图1。下面以1#引风机的振动数据进行分析。
2.数据分析
各测点的振动值统计见表1。从数据来看，风机转子各测点的振值并不大，但机壳和管道的振动幅值却非常高，并伴有明显噪声，类似于空气压缩机的声音。机组的振值随风门开度变化有改变，风门开度从0%～100%的过程中，振值变化幅度不超过20%。风门开度在40%左右时，各测点的振值最小。表1数据为风门开度在60%时所采集。
表1 各测点振动值统计表 mm/s
选择测点4水平方向的数据进行频谱分析，振动频谱见图2。风机转频fr=14.76Hz及二倍转频的幅值非常明显，且二倍转频的幅值接近转频幅值的2倍，有较明显的平行不对中故障。非同步频率131.09Hz的幅值较高，计算知此频率与风机轴承SKF22232CC/W33的外圈故障频率相吻合，同时被频率成分f=14.67Hz所调制，频谱中存在非同步频率f=10.4Hz的低频振动及其高次谐波。
选择测点5（风机机壳）的数据，进行频谱分析，见图3。分析频率1 000Hz下的低频振动烈度已接近50mm/s，频谱图中几乎只有频率f=10.4Hz的幅值。选择测点6（进口管道）的数据，进行频谱分析，见图4。振动烈度已接近25mm/s，频谱图中也几乎只有频率f=10.4Hz的幅值。
3.诊断结论
从上述3个测点的频谱可知，机壳及管道振动剧烈主要是出现了频率f=10.4Hz的低频振动，该频率成分f=0.7fr。在风机旋转失速的故障特征中，应有旋转脱离团w1和（w-w1）的角频率两个成分。但快速傅立叶变换（FFT）技术对周期性的冲击信号效果并不明显，尤其是低频的冲击，很可能淹没在噪声和其它故障的振动特征中，频谱图中难以分辨。结合现场风机的机壳、管道振动剧烈，判断f=10.4Hz就是叶轮的失速频率 ，风机发生了因进气量不足导致的旋转失速故障。至于131.09Hz的轴承外圈故障频率则为旋转失速产生的异常振动降低了轴承的装配精度导致的轴承外圈松动。同时，由于风机基础刚性较差，破坏了整个机组的对中精度。
四、故障处理及验证
1.故障处理
进风口进气量不足是导致风机发生旋转失速故障的常见原因，依据这一思路，对现场风机的管网情况进行了认真检查，与风机连接的管道直径为1.7m左右，根据管网的设计经验，为保证气流顺畅，引风机的直管道距离应大于管道直径的1.5倍 ，而现场的引风机直管道的长度仅为1.5m，该管网的设计显然违背了这一原则。由于引风机直管道长度不够，不能保证相对稳定的气流供应，致使引风机的实际气体流量在风门全开的情况下仍小于设计流量，造成了旋转失速。若要彻底解决这一问题，就需要尽可能地延长该引风机进气直管道的长度，但受现场实际空间所限，很难对进气直管道的长度进行改进，。遵循增加引风机进气量的这一解决思路，仔细检查该进气管道各部，最终决定将进气管道与风机连接90°弯头处的人孔盖敞开，通过直通大气来缓解进口管道的进气量不足。
2.效果验证
实施这一简单易行的措施后，引风机机壳和管道的振动明显减弱，机壳和管道的振动烈度分别下降至13mm/s和4mm/s，风机轴承座的振动也趋于平稳，各测点的振动烈度均未超过3mm/s，引风机运转正常。
结语
离心通风机在各领域中被广泛的应用，其运行的好坏直接影响设备的运行，风机在实际运用中有很多故障问题，完善系统设计、做好定期维护工作时提高风机可靠性的关键，所以应对不同故障采用针对性的方法进行处理，有效的解决风机故障问题，保障设备的正常运行。
参考文献：
[1]许小刚.离心通风机故障诊断方法及失速预警研究[D].华北电力大学，2014.
[2]聂鹏飞，马杰.600MW机组增压风机失速分析及失速检测装置的维护[J].风机技术，2011（4）：63-65.
[3]赵国利，齐俊梅，任涛，等.状态监测技术在BCL506离心压缩机故障诊断上的应用[J].风机技术，2011（4）：79-82.
[4] 阳建宏，谷世群，杨德斌.基于共振解调技术的风机旋转失速故障诊断方法[J].机械设计与制造，2008（10）：126-128.
关键词：离心通风机；故障诊断；失速预警；研究
一、离心通风机的背景及意义
随着现代工业设备的结构趋于复杂化，功能不断趋于完善，自动化程度越来越高，对于同一设备的不同部分之间、不同设备之间的联系十分紧密，如有任意部位出现故障都可能引起连锁反应，导致整个设备无法正常运行，所以故障诊断在工业过程中的作用十分重要。国家中长期规划将与故障诊断相关的重大产品和重大设备运行可靠性、安全性、可维护性关键技术为研究方向。
风机在国民经济各部门应用广泛，在发电厂中，风机时大型的回转设备之一，是烟风系统的动力源。风机的耗电量约占机组发电总量的1.5%-3%，其运行效果直接影响电厂的经济性，随着电厂容量的不断增加，风机的实际运行效率越来越重要。风机噪声较大，容易发生故障，严重的会导致环境污染、损害人身安全等更为严重的后果。风机作为大型回转机械系统，是较强的非线性复杂系统，引发机械故障的原因有很多，故障的表现形式多样化，故障与表现征兆之间不存在一一对应的关系，各故障之间存在复杂的耦合关系。给故障的特征提取和诊断工作造成很大的困难。故障特征的提取方法是机械故障诊断的关键技术，怎样提取不同故障下区分度更大的特征，是目前研究的重点。
除机械故障外，非稳态流动故障也是风机常见的故障，旋转失速就是引起风机故障的常见现象，大多数发生在轴流风机、前向离心风机和后向离心风机上，在叶轮机械的流量减少到某个限度的时候，叶轮流道内形成几个失速团，失速团以与叶轮相同的旋转方向绕轴旋转，其角度较低。随着电站机组容量的不断扩大，离心风机的旋转失速的边界线与最高效线比较接近，容易造成风机偏离设计工况而进入失速区。容易出现旋转失速而破坏叶轮内部流畅，产生额外的气功载荷，严重时可诱发叶片高应力点处的疲劳、断裂问题，所以应加强对旋转失速控制技术的研究。
二、风机旋转失速的机理及故障特征
旋转失速是离心引风机的一种典型故障，如得不到遏制，则可能进一步导致喘振。旋转失速会破坏叶轮内部流场的不均匀性，产生额外的气动载荷，严重时可能诱发叶片高应力点处的疲劳、断裂，使风机的效率下降，引起机壳本体和连接管道的剧烈振动，造成事故隐患。
当进入叶轮的气体流量低于额定流量时，气体进入叶轮的径向速度减少，在叶片的后缘点附近产生涡流，从而引起气流从叶片背部分离，气流在叶片背面的流动恶化，升力减小，阻力却急剧增加，最终导致失速。此时，从固定于叶轮上的相对坐标系来看，旋转脱离团以角频率ω1的角频率旋转，而从叶轮之外的绝对坐标系来看，旋转脱离团是以（ω-ω1）的角频率旋转的，方向与转子的旋转方向相同，其中ω为转子的旋转频率。因此，风机发生旋转失速故障时，转子的异常振动将同时出现ω1和（ω-ω1）两个特征频率 。由其计算公式可知，叶轮失速频率（ω-ω1）大概在0.5～0.8转速频率ω的范围内。
此外由旋转失速引起的设备振动不同于其他机械故障的振动 ，转子的不平衡和不对中可能使转子振幅较高，但在机壳和管道上并不一定感觉到明显的振动；属于气流激振一类的旋转失速却与此不同，有时在转子上测得的振幅虽然不太高，然而在机壳和管道却表现出剧烈的振动。另外旋转失速所引起的振动随负荷、压力及流量的改变而变化。
三、故障诊断过程
该离心引风机为两端支撑，设计流量为101.25m3/s，全压为4832Pa，设计转速960r/min，电机功率710kW。
1.数据采集
两台风机的振动都较为剧烈，且1#风机的振动更大些。为准确查找故障原因，使用CSI2130振动分析仪对2台离心引风机的电机、风机轴承座、机壳及管道都进行了监测并采集振动数据，具体结构简图及测点布置见图1。下面以1#引风机的振动数据进行分析。
2.数据分析
各测点的振动值统计见表1。从数据来看，风机转子各测点的振值并不大，但机壳和管道的振动幅值却非常高，并伴有明显噪声，类似于空气压缩机的声音。机组的振值随风门开度变化有改变，风门开度从0%～100%的过程中，振值变化幅度不超过20%。风门开度在40%左右时，各测点的振值最小。表1数据为风门开度在60%时所采集。
表1 各测点振动值统计表 mm/s
选择测点4水平方向的数据进行频谱分析，振动频谱见图2。风机转频fr=14.76Hz及二倍转频的幅值非常明显，且二倍转频的幅值接近转频幅值的2倍，有较明显的平行不对中故障。非同步频率131.09Hz的幅值较高，计算知此频率与风机轴承SKF22232CC/W33的外圈故障频率相吻合，同时被频率成分f=14.67Hz所调制，频谱中存在非同步频率f=10.4Hz的低频振动及其高次谐波。
选择测点5（风机机壳）的数据，进行频谱分析，见图3。分析频率1 000Hz下的低频振动烈度已接近50mm/s，频谱图中几乎只有频率f=10.4Hz的幅值。选择测点6（进口管道）的数据，进行频谱分析，见图4。振动烈度已接近25mm/s，频谱图中也几乎只有频率f=10.4Hz的幅值。
3.诊断结论
从上述3个测点的频谱可知，机壳及管道振动剧烈主要是出现了频率f=10.4Hz的低频振动，该频率成分f=0.7fr。在风机旋转失速的故障特征中，应有旋转脱离团w1和（w-w1）的角频率两个成分。但快速傅立叶变换（FFT）技术对周期性的冲击信号效果并不明显，尤其是低频的冲击，很可能淹没在噪声和其它故障的振动特征中，频谱图中难以分辨。结合现场风机的机壳、管道振动剧烈，判断f=10.4Hz就是叶轮的失速频率 ，风机发生了因进气量不足导致的旋转失速故障。至于131.09Hz的轴承外圈故障频率则为旋转失速产生的异常振动降低了轴承的装配精度导致的轴承外圈松动。同时，由于风机基础刚性较差，破坏了整个机组的对中精度。
四、故障处理及验证
1.故障处理
进风口进气量不足是导致风机发生旋转失速故障的常见原因，依据这一思路，对现场风机的管网情况进行了认真检查，与风机连接的管道直径为1.7m左右，根据管网的设计经验，为保证气流顺畅，引风机的直管道距离应大于管道直径的1.5倍 ，而现场的引风机直管道的长度仅为1.5m，该管网的设计显然违背了这一原则。由于引风机直管道长度不够，不能保证相对稳定的气流供应，致使引风机的实际气体流量在风门全开的情况下仍小于设计流量，造成了旋转失速。若要彻底解决这一问题，就需要尽可能地延长该引风机进气直管道的长度，但受现场实际空间所限，很难对进气直管道的长度进行改进，。遵循增加引风机进气量的这一解决思路，仔细检查该进气管道各部，最终决定将进气管道与风机连接90°弯头处的人孔盖敞开，通过直通大气来缓解进口管道的进气量不足。
2.效果验证
实施这一简单易行的措施后，引风机机壳和管道的振动明显减弱，机壳和管道的振动烈度分别下降至13mm/s和4mm/s，风机轴承座的振动也趋于平稳，各测点的振动烈度均未超过3mm/s，引风机运转正常。
结语
离心通风机在各领域中被广泛的应用，其运行的好坏直接影响设备的运行，风机在实际运用中有很多故障问题，完善系统设计、做好定期维护工作时提高风机可靠性的关键，所以应对不同故障采用针对性的方法进行处理，有效的解决风机故障问题，保障设备的正常运行。
参考文献：
[1]许小刚.离心通风机故障诊断方法及失速预警研究[D].华北电力大学，2014.
[2]聂鹏飞，马杰.600MW机组增压风机失速分析及失速检测装置的维护[J].风机技术，2011（4）：63-65.
[3]赵国利，齐俊梅，任涛，等.状态监测技术在BCL506离心压缩机故障诊断上的应用[J].风机技术，2011（4）：79-82.
[4] 阳建宏，谷世群，杨德斌.基于共振解调技术的风机旋转失速故障诊断方法[J].机械设计与制造，2008（10）：126-128.