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◉ 你好，我是佟掌柜，欢迎来到掌柜读书《旋转机械故障诊断实用技术》。到目前为止，咱们已经学习了不平衡、不对中、转子弯曲、动静件摩擦、热配套过盈不足、支撑部件松动等 6 类故障。以上这 6 类都是机械故障，今天我们要学习的旋转失速和喘振是气动类故障，也是高速离心压缩机所特有的振动故障。 这类故障是由于流体流动分离造成的，设备本身一般都没有明显的结构缺陷，所以不需要停工检修，通过调节流量就可以使振动降低到允许值。但是这种故障的危害很大，如果旋转失速发展成喘振，不仅会引起机组的效率下降，还有可能对机器本身，甚至整个管网系统造成严重危害，应该说，喘振是离心压缩机等流体机械运行最恶劣、最危险的工况之一。对这种危害性极大，却又不需要停机就能处理的故障，最能显示出状态监测与故障诊断工作的作用。 1. 旋转失速的产生机理 在做设计的时候，离心压缩机的叶轮结构、尺寸，都是按照额定流量设计的。 如果压缩机在正常流量下工作，那么，气体进入叶轮的方向β1，和叶片进口安装角βs是一致的，所以气体可以非常平稳地进入叶轮，这种情况下，气流入口的径向流速是C1。  但是，当进入叶轮的气体流量小于额定流量的时候，气体进入叶轮的径向速度就会减小为C1'，气体进入叶轮的相对速度的方向角相应地减少到β1'，这样就导致了这个β1'跟叶片进口安装角βs不一致了。这时候，气体就会冲击叶片的工作面（凸面），进而在叶片的凹面附近形成气流旋涡，旋涡逐渐增多，使流道的有效通流面积减小。 这是旋转失速的第一步，进口流量变小，气体冲击叶片的凸面，导致凹面附近形成气流旋涡，通流面积变小。 由于制造、安装维护或者运行工况等方面的原因，进入压缩机的气流在各个流道中的分配并不均匀，气流旋涡的多少也有差别。 如果某一个流道中的气流旋涡较多（比如图 9 - 1 b 里面的流道 2 ），那么，通过这个流道的气量就要减小， 多余的气量怎么办呢？它们就会流入到邻近的流道（图 9 - 1 b 里面的流道 1 和流道 3 ）。 这个时候，会发生两种情况：折向前面流道（流道 1 ）的气体，会冲击在叶片的凹面上，会把原来凹面上的气流旋涡冲掉一部分，这个流道里面的气流会趋于畅通；而折向后面流道（流道 3 ）的气流，会冲击在叶片的凸面上，会使叶面凹面附近的气流产生更多的旋涡，进一步堵塞了流道的有效通流面积，迫使流道中的气流又折向邻近的流道，开启新一轮的循环。 这就是旋转失速的第二步，一个流道中的气流折返出来，使得前一个流道更顺畅，后一个流道更堵塞。 如此轮番发展，这种由旋涡组成的气流堵塞团（也叫失速团或者失速区）会沿着叶轮旋转的相反方向轮流在各个流道内出现。因为失速区在反方向传播的速度要小于叶轮旋转的速度，所以，从叶轮之外的绝对参考系来看，失速区还是沿着叶轮旋转方向转动，这就是旋转失速的产生机理。 2. 旋转失速的振动机理 旋转失速之所以会产生振动，核心在于叶轮内产生的压力波动带来的激励力，这个激励力的大小跟气体的相对分子质量有关。气体的相对分子质量越大，激励力也越大，对机器的运行影响也越大。 从固定在叶轮上的相对坐标系来看，旋转脱离团以角频率ωs在机器流道之间传播，压力波动激励转子的振动频率是ωs，振动频率小于转子的角频率ω。从叶轮之外的绝对坐标系来看，旋转脱离团是以（ω - ωs）的频率旋转的，它的方向跟转子的旋转方向相同，所以，流体机械发生旋转失速的时候，转子的异常振动同时有ωs和（ω - ωs）两个次谐波特征频率。 机组发生旋转失速的时候，可能是在某一级叶轮上有一个气体脱离团，也可能是在某一级叶轮上存在几个脱离团；脱离团可能在某一级叶轮上发生，也可能同时在几级叶轮上同时发生。一般情况下，机器发生旋转失速故障的时候，会有两个或两个以上的气体脱离团。 在实际生产中，机器发生旋转失速的角频率ωs可以按照公式（9 - 1 ）进行计算： 这里面的ω 是转子角频率，N是气体脱离团的数量，Q0p是实际工作流量，Q0是设计流量。 理论上来讲，流体机械的旋转失速故障总是存在的，但是它并不一定能够激励转子使机组发生强烈振动，只有当旋转失速的频率跟机组的某一个固有频率耦合的时候，机器才有可能发生共振，出现危险振动。 3. 旋转失速的故障特征 从前面的产生机理和振动机理，我们可以分析出旋转失速具备这样几条故障特征： （1）由于失速区内部气流的减速流动依次在叶轮的各个流道出现，它以叶轮旋转的反方向做环状移动，所以破坏了叶轮内部压力的轴对称性。当失速区内达不到要求的压力的时候，就会引起叶轮出口和管道内的压力脉动，发生机器和管道的振动。 （2）叶轮失速在0.5 - 0.8 倍转速频率范围内，扩压器失速在 0.1 - 0.25倍转速频率范围内。旋转失速产生的振动基本频率，在振动频率上，既不同于低频喘振，又不同于较高频率的不稳定进口涡流。 （3）当压缩机进入旋转失速范围以后，虽然存在压力脉动，但是机器的流量基本上是稳定的，不会发生较大幅度的变动，这一点跟喘振的故障现象有根本性的不同。 （4）旋转失速引起的振动在强度上比喘振要小，但比稳定进口涡流要大得多。 （5）此外，旋转失速引起的机器振动跟其他机械故障引起的振动不同：转子不平衡、不对中等故障，有可能使转子的振幅很高，但是在机壳和管道上并不一定能够感觉到明显的振动；但是旋转失速不一样，有时候在转子上测得的振幅虽然不太高，但是机壳和管道（尤其是排气管道）表现出剧烈的振动。 4. 喘振的产生机理 当旋转失速进一步发展，就可能产生一种很严重的故障，叫做喘振。 离心式压缩机有这么个特性，对于一个确定的转速，总会有一个流量值，会使压缩机的效率达到最高点。当流量大于或者小于这个值的时候，效率都会下降。一般情况下，都会拿效率最高的这个流量点作为设计工况点。  图 9 - 2 是压缩机的性能曲线，左边受到喘振工况的限制，右边受到堵塞工况的限制，也就是压缩机最小流量和最大流量，这两者之间的区域，是压缩机的稳定工况区域。稳定工况区域的大小，是衡量压缩机性能的重要指标。 压缩机运行过程中，如果流量不断减小，小于流量最小值，就会在压缩机的流道中出现严重的旋转脱离。如果气量进一步减小，压缩机叶轮的整个流道都被气流旋涡所占据，这个时候，压缩机的出口压力会突然下降。但是，压缩机出口所连接的较大容量的管网系统的压力并没有马上下降，这时候就会出现管网里面的气体往压缩机里面倒流的现象。 当管网里面的压力下降到低于压缩机出口排气压力的时候，气体就会停止倒流，压缩机又恢复向管网排气。但是，因为进气量还是不足，所以压缩机在出口管网恢复到原来的压力之后，又会在流道里出现旋涡区。出口压力又会小于管网压力，又会倒流，然后周而复始。 在这个过程中，机组和管道内的流量会发生周期性的变化，机器的进出口压力会大幅度脉动。由于气体在压缩机进出口处吞吐倒流，会伴随有巨大的周期性气流吼声和剧烈的机器振动。 这些波动在仪表操作盘的压力、流量、振动信号的显示和记录中可以清楚地反映出来，在操作现场也可以立即觉察得到。 5. 喘振的故障特征 压缩机发生喘振的时候主要有以下 3 个特征： (1) 压缩机接近或进入喘振工况的时候，缸体和轴承都会发生强烈的振动，振幅要比正常运行的时候大大増加，喘振的频率一般都比较低，通常在1 ~30Hz 之间； (2) 压缩机在稳定工况下运行的时候，出口压力和进口流量变化不大，所测得的数据在平均值附近波动，幅度很小。但是，当接近或进入喘振工况的时候，出口压力和进口流量的变化都很大，会发生周期性大幅度的脉动，有时甚至会出现气体从压缩机进口倒流的现象。 (3) 压缩机在稳定运转的时候，噪声都比较小，而且是连续性的。但是，当接近喘振工况的时候，由于整个系统产生气流周期性的振荡，所以，在气流管道中，气流发出的噪声也时高时低，产生周期性变化；当进入喘振工况时，噪声剧増，甚至有爆声出现。 ◉ 好了，我们今天学习了旋转失速和喘振，这两类故障，或者说是一类故障的两个发展阶段，知道了它们产生的机理和振动机理，以及故障特征。 压缩机进口流量低于额定流量的时候，在叶轮的内部会产生气流旋涡。由于气流在各个流道内分布不均匀，所以会折返到相邻流道，于是就出现了气流堵塞团沿着叶轮旋转方向的反方向转动的现象。但是由于失速区的传播速度小于叶轮的旋转速度，所以从绝对参考系来看，失速区还是沿着叶轮旋转方向运动。这也是故障频率会成对出现的机理。旋转失速产生的压力波动成为激励转子发生异常振动的激励力，气体的相对分子质量越大，激励力就越大。 旋转失速发展到一定程度之后就会形成喘振。由于流量不足，叶轮的整个流道都被气流旋涡所占据，所以出口压力突然下降，但是管网压力还在，所以会出现管网里面的气体向压缩机倒流的现象。当管网里面的压力下降到一定程度的时候，压缩机的压力又恢复了，又开始向管网排气。但终归还是流量不足，出口压力很快又会小于管网压力，如此周而复始，就成了喘振。 |
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