不同运行工况下离心风机异常振动响应分析

中国电建集团透平科技有限公司 龚 泰

离心风机在工业生产中有着调节气压的作用，是生产中必不可少的设备[1]。离心风机可以提高气体压力，保证气体稳定输入[2]，所以在工业生产中，企业对离心风机的稳定运行有着高度的重视。离心风机中叶片的振动故障是设备运行中经常会遇到的问题[3]。将叶片振动维持在稳定数值范围内，就能避免安全事故的发生。

离心风机的结构十分复杂，由多种不同的零部件组成，其中叶片是离心风机运转的最重要的部分[4]。在离心风机工作时，叶片经常因为不同工况中的流量影响，产生异常振动，导致离心风机出现质量偏心误差。这种故障若不及时发现，会随着运行的时间不断累积，叶片的异常振动振幅不断加大，最终造成离心风机转动不平衡，零部件逐个脱落，有的甚至会出现因为液体的泄漏腐蚀机器的情况发生。由此可见，叶片的不稳定是离心风机异常振动和发生安全事故的最主要因素。

离心风机的异常振动是现在工业生产中最常遇到也是最难解决的一个安全隐患。当外界运行时能够直接观测到离心风机存在异常振动时，为时已晚，说明内部损坏已不可逆转，所以找到叶片颗粒与工况流量的规律可以很好地将叶片异常振动设定在安全范围内，减少生产事故的发生。

1 离心风机异常振动响应分析方法设计

利用计算软件FLUENT 对不同运行工况下离心风机的叶片异常振动响应进行数据模拟，并对建立的模型进行分析，找到不同运行工况下离心风机叶片内部颗粒与工况流量的变化规律。本文对离心风机叶片整体进行了全方位的数据模拟，在对离心风机叶片颗粒数据进行模拟时，原始数据颗粒位置设置在离心风机运行输入端平面上，这样对所收集到的数值进行模拟后，有利于对不同运行工况下离心风机异常振动响应的研究更接近实际运行状况。

建立物理模型。因为离心风机的复杂结构，叶片所在位置十分隐蔽，若直接通过GAMBIT 对其进行模拟，则模型精确度低。所以首先利用Pro/E 软件不同运行工况下离心风机异常振动试验中所用的叶片进行物理建模，再在物理模型的基础上，采集叶片颗粒初步数据，再将所得数据逐一导入FLUENT 中的GAMBIT 模块进行预处理；离心风机叶片网格划分。将预处理后的数据导入PRO/Engineering4.0进行三维立体建模。对建立后的模型进行网络分块处理。将模型分为5个数据区域，分别为气体输入端口、集流器输入区域、叶片区域、叶片气体流动区域、内部蜗壳区域。针对划分完的区域进行精密数据提取。

建立数学模型。将网络划分完所提取的精密数据导入进FLUENT6.3计算机软件进行模拟分析。分析模块采用散点式、隐藏式、三维稳态式三种构成。通过精密数据建立数学模型，模型采取RNG k-ε双方程式模型。气体压力模拟耦合选取SIMPLE 方法进行计算，对压力和速度进行校正。将模型叶片数据代入MovingReferenceFrame 模块，设置转速为每分钟2800转；叶片与离心风机前后轮盘数据代入Moving Wall 模块，设置其相对转速为零。使叶片与前后轮盘维持相同的转速，保持相对静止。对离心风机中叶片的异常振动进行数学模型模拟后，数值分析利用散点式模块进行计算，计算过程中利用欧拉法对模型的气相数据进行处理，利用拉格朗日法对叶片颗粒数据进行处理，导出数据进行规律分析。

2 不同运行工况下离心风机异常振动响应实验与分析

离心风机的异常振动会造成故障停机，进而会影响整个运行系统，从而造成事故停产。某离心风机更换完叶片负荷端轴承后轴向振动增大至6.2mm/s，该离心风机存在异常振动的故障。对本文所设计的方法设置实验进行验证。对于叶片大粒径，分别对流量为Q=1.2Q0、Q=Q0、Q=0.8Q0、Q=0.7Q0四种运行工况条件进行了数据模拟实验;对于小粒径，分别对流量为Q=1.2Q0、Q=Q0、Q=0.8Q0三种运行工况条件进行了数据模拟实验。图1为叶片大颗粒在不同运行工况下离心风机内叶片气体压力接触面的颗粒浓度分布情况。

图1 大颗粒不同运行工况下叶片气体压力接触面的浓度分布图

叶片气体压力接触面颗粒高浓度区域面积越大，说明颗粒之间相互碰撞的激烈程度越高，意味着该叶片振动异常。通过图1可以得出：

当流量大于额定工况流量时，因为流量的增加，离心风机进气速度加快，导致粒子之间的相互碰撞的剧烈程度加大。在粒子相互碰撞时，使得颗粒集中到气体压强小的一面，进而导致粒子对叶片的表面压力延迟，逐渐使得颗粒由叶片边缘向中部聚集，压力被集中于一点，形成了振动源，最终使得叶片产生振动。所以当运行工况相对大时，叶片表面施加压力的颗粒浓度也有所增加，进而导致振动更加剧烈。叶片的振动使得离心机的前后盘进行不同程度地位移。在集流器与气体输入端产生缝隙导致气体流散。

当流量小于额定流量时，对于在额定工况情况下运行，离心风机的气体压力面的颗粒浓度有所减少。叶片的颗粒聚集面积较小，叶片振动相对缓慢。工况的流量不断减少，使得气体进入离心风机的速度减缓，叶片上颗粒间的相互撞击程度减少，聚集面积减少，使得对叶片表面的压力呈均匀分散的态势，减轻了叶片的振动振幅。同时，气体进入速度的减缓，减少了对离心风机的撞击，使得离心风机前后盘的位移运动延迟，有的甚至能够改变颗粒相互撞击的行动路线和撞击位置。减少了叶片压力使得振动减慢。但是如果工况的流量偏离额定值太多，颗粒撞击将会更加剧烈，增加对叶片表面的压力，使得高浓度聚集区域面积扩大，导致离心风机的异常振动情况更加剧烈，问题逐渐恶化。经过时间的积累，在叶片周围形成粒子漩涡，致使叶片振幅不断增加，离心风机内部零件被振动脱离设备，前后盘相对位移加大，引发安全事故。

通过对不同流量比较分析可以得到：当流量偏离额定流量时，离心风机中叶片的颗粒聚集位置会发生改变，大流量工况下叶片压力逐渐集中到一点，离心风机前后盘的相对位移增加。如图2是经过本文设计方法得到的叶片小颗粒在不同运行工况下在叶片气体压力接触面的浓度分布图。

图2 小颗粒不同运行工况下叶片气体压力接触面的浓度分布图

与图1相对比，当流量大于额定工况流量时，相对于大颗粒，小颗粒受气流场的拖曳力影响更大，小粒子的碰撞速度提高更大，从而使得颗粒在轮盘上的碰撞提前发生，叶片上的二次碰撞相应减少，总的碰撞次数也随之减少，且碰撞点更集中分布在叶片出口区，因此叶片压力面出口区域浓度更大，整体浓度大的部位分布范围变小。当流量小于额定工况流量时，相对于大颗粒，小颗粒受气流影响大，由于拖曳力的减少，在整个叶片表面内碰撞速度下降，叶片上二次碰撞增多，小粒径颗粒在叶片出口区碰撞点增多，因此叶片从进口到出口的碰撞更均匀。正如图2中看到的叶片压力面浓度分布相对均匀，出口区域浓度最大。通过比较分析可以看出，颗粒受流量变化规律差不多，但小颗粒受流量变化的影响更大些。

综上，由于实验涉及的工况存在局限性，因此在今后的研究中要加深该分析方法的普适性。