作者：李志文

高級工程師；工作方向為設備故障診斷，現負責公司設備狀態監測及故障診斷工作。

在生產過程中，真空泵（水環式）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，提升產品競爭力，岳陽林紙于近幾年開始著力于真空系統改造，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出來。如果透平真空風機出現故障，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的異常問題，以保證生產的穩定運行。

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，經過回流器中導流葉片的收集整理，均勻進入下一級葉輪。經過多級葉輪做功后，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，由獨立的潤滑系統進行供油。潤滑系統設置了聯鎖保護，當出現突發意外情況時，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，葉片發生斷裂，嚴重時葉片會出現掉落情況。此時葉輪的動平衡被嚴重破壞，機組會產生劇烈的振動，導致聯鎖跳停。

轉子彎曲：當風機轉子出現撓度，產生彎曲變形時，也會產生動不平衡故障，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軸器的動不平衡問題。如聯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，其優點是運行穩定，可靠性高。由于滑動軸承是靠油膜來支撐轉子，如果出現潤滑不良、外力干擾等因素導致油膜被破壞，將使軸與軸瓦發生磨損。當此故障發生時，機組會發生明顯異常，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聯軸器不對中

透平真空風機一般使用膜片式聯軸?，其優點是剛性好，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，不會對葉輪造成沖擊。

當風機工況發生改變，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，如此循環往復。

從上述分析來看，當風機工況發生改變時，相當于固定有一個氣團在風機葉輪里發生旋轉。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生機理。

旋轉失速在葉輪內產生的壓力波動是激勵轉子發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，產生振動頻率為ω-ωS的類似動不平衡振動。因此，當機械發生旋轉失速故障時，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旋轉失速故障的一個重要依據。

從上述對旋轉失速故障機理的分析來看，當設備發生旋轉失速的故障時，會產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，并持續保持在此振動水平。透平機正常運行過程中，其穩定性很高，振動很少會出現大幅波動。而此時透平機振動出現大幅上升，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了問題。問題出現后，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展趨勢，制定相應的應對方案。

通過對透平機振動數據的采集及分析，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，透平機應該發生了“旋轉失速”故障。

由于透平機負責給網部以及壓榨部提供真空，根據旋轉失速產生的機理，因此有可能是紙機在運行過程中，網、壓部真空系統出現堵塞，造成透平機進氣不暢，從而引發葉輪的旋轉失速，造成透平機振動的突然上升。

現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、壓部進行了仔細地清洗，以消除網、壓部的堵塞。根據對故障的診斷，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。

開機后復測數據，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，既保證了生產的連續性，又避免了設備的意外損壞。

因透平機旋轉失速所引發的振動異常，雖然其隱蔽性強，現場不易判斷原因，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，保證生產的穩定運行。

來源：《中華紙業》2021年第8期

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