不同運行工況下離心風(fēng)機異常振動響應(yīng)分析

中國電建集團透平科技有限公司 龔 泰

離心風(fēng)機在工業(yè)生產(chǎn)中有著調(diào)節(jié)氣壓的作用，是生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備[1]。離心風(fēng)機可以提高氣體壓力，保證氣體穩(wěn)定輸入[2]，所以在工業(yè)生產(chǎn)中，企業(yè)對離心風(fēng)機的穩(wěn)定運行有著高度的重視。離心風(fēng)機中葉片的振動故障是設(shè)備運行中經(jīng)常會遇到的問題[3]。將葉片振動維持在穩(wěn)定數(shù)值范圍內(nèi)，就能避免安全事故的發(fā)生。

離心風(fēng)機的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，由多種不同的零部件組成，其中葉片是離心風(fēng)機運轉(zhuǎn)的最重要的部分[4]。在離心風(fēng)機工作時，葉片經(jīng)常因為不同工況中的流量影響，產(chǎn)生異常振動，導(dǎo)致離心風(fēng)機出現(xiàn)質(zhì)量偏心誤差。這種故障若不及時發(fā)現(xiàn)，會隨著運行的時間不斷累積，葉片的異常振動振幅不斷加大，最終造成離心風(fēng)機轉(zhuǎn)動不平衡，零部件逐個脫落，有的甚至?xí)霈F(xiàn)因為液體的泄漏腐蝕機器的情況發(fā)生。由此可見，葉片的不穩(wěn)定是離心風(fēng)機異常振動和發(fā)生安全事故的最主要因素。

離心風(fēng)機的異常振動是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中最常遇到也是最難解決的一個安全隱患。當(dāng)外界運行時能夠直接觀測到離心風(fēng)機存在異常振動時，為時已晚，說明內(nèi)部損壞已不可逆轉(zhuǎn)，所以找到葉片顆粒與工況流量的規(guī)律可以很好地將葉片異常振動設(shè)定在安全范圍內(nèi)，減少生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1 離心風(fēng)機異常振動響應(yīng)分析方法設(shè)計

利用計算軟件FLUENT 對不同運行工況下離心風(fēng)機的葉片異常振動響應(yīng)進行數(shù)據(jù)模擬，并對建立的模型進行分析，找到不同運行工況下離心風(fēng)機葉片內(nèi)部顆粒與工況流量的變化規(guī)律。本文對離心風(fēng)機葉片整體進行了全方位的數(shù)據(jù)模擬，在對離心風(fēng)機葉片顆粒數(shù)據(jù)進行模擬時，原始數(shù)據(jù)顆粒位置設(shè)置在離心風(fēng)機運行輸入端平面上，這樣對所收集到的數(shù)值進行模擬后，有利于對不同運行工況下離心風(fēng)機異常振動響應(yīng)的研究更接近實際運行狀況。

建立物理模型。因為離心風(fēng)機的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，葉片所在位置十分隱蔽，若直接通過GAMBIT 對其進行模擬，則模型精確度低。所以首先利用Pro/E 軟件不同運行工況下離心風(fēng)機異常振動試驗中所用的葉片進行物理建模，再在物理模型的基礎(chǔ)上，采集葉片顆粒初步數(shù)據(jù)，再將所得數(shù)據(jù)逐一導(dǎo)入FLUENT 中的GAMBIT 模塊進行預(yù)處理；離心風(fēng)機葉片網(wǎng)格劃分。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入PRO/Engineering4.0進行三維立體建模。對建立后的模型進行網(wǎng)絡(luò)分塊處理。將模型分為5個數(shù)據(jù)區(qū)域，分別為氣體輸入端口、集流器輸入?yún)^(qū)域、葉片區(qū)域、葉片氣體流動區(qū)域、內(nèi)部蝸殼區(qū)域。針對劃分完的區(qū)域進行精密數(shù)據(jù)提取。

建立數(shù)學(xué)模型。將網(wǎng)絡(luò)劃分完所提取的精密數(shù)據(jù)導(dǎo)入進FLUENT6.3計算機軟件進行模擬分析。分析模塊采用散點式、隱藏式、三維穩(wěn)態(tài)式三種構(gòu)成。通過精密數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，模型采取RNG k-ε雙方程式模型。氣體壓力模擬耦合選取SIMPLE 方法進行計算，對壓力和速度進行校正。將模型葉片數(shù)據(jù)代入MovingReferenceFrame 模塊，設(shè)置轉(zhuǎn)速為每分鐘2800轉(zhuǎn)；葉片與離心風(fēng)機前后輪盤數(shù)據(jù)代入Moving Wall 模塊，設(shè)置其相對轉(zhuǎn)速為零。使葉片與前后輪盤維持相同的轉(zhuǎn)速，保持相對靜止。對離心風(fēng)機中葉片的異常振動進行數(shù)學(xué)模型模擬后，數(shù)值分析利用散點式模塊進行計算，計算過程中利用歐拉法對模型的氣相數(shù)據(jù)進行處理，利用拉格朗日法對葉片顆粒數(shù)據(jù)進行處理，導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行規(guī)律分析。

2 不同運行工況下離心風(fēng)機異常振動響應(yīng)實驗與分析

離心風(fēng)機的異常振動會造成故障停機，進而會影響整個運行系統(tǒng)，從而造成事故停產(chǎn)。某離心風(fēng)機更換完葉片負(fù)荷端軸承后軸向振動增大至6.2mm/s，該離心風(fēng)機存在異常振動的故障。對本文所設(shè)計的方法設(shè)置實驗進行驗證。對于葉片大粒徑，分別對流量為Q=1.2Q0、Q=Q0、Q=0.8Q0、Q=0.7Q0四種運行工況條件進行了數(shù)據(jù)模擬實驗;對于小粒徑，分別對流量為Q=1.2Q0、Q=Q0、Q=0.8Q0三種運行工況條件進行了數(shù)據(jù)模擬實驗。圖1為葉片大顆粒在不同運行工況下離心風(fēng)機內(nèi)葉片氣體壓力接觸面的顆粒濃度分布情況。

圖1 大顆粒不同運行工況下葉片氣體壓力接觸面的濃度分布圖

葉片氣體壓力接觸面顆粒高濃度區(qū)域面積越大，說明顆粒之間相互碰撞的激烈程度越高，意味著該葉片振動異常。通過圖1可以得出：

當(dāng)流量大于額定工況流量時，因為流量的增加，離心風(fēng)機進氣速度加快，導(dǎo)致粒子之間的相互碰撞的劇烈程度加大。在粒子相互碰撞時，使得顆粒集中到氣體壓強小的一面，進而導(dǎo)致粒子對葉片的表面壓力延遲，逐漸使得顆粒由葉片邊緣向中部聚集，壓力被集中于一點，形成了振動源，最終使得葉片產(chǎn)生振動。所以當(dāng)運行工況相對大時，葉片表面施加壓力的顆粒濃度也有所增加，進而導(dǎo)致振動更加劇烈。葉片的振動使得離心機的前后盤進行不同程度地位移。在集流器與氣體輸入端產(chǎn)生縫隙導(dǎo)致氣體流散。

當(dāng)流量小于額定流量時，對于在額定工況情況下運行，離心風(fēng)機的氣體壓力面的顆粒濃度有所減少。葉片的顆粒聚集面積較小，葉片振動相對緩慢。工況的流量不斷減少，使得氣體進入離心風(fēng)機的速度減緩，葉片上顆粒間的相互撞擊程度減少，聚集面積減少，使得對葉片表面的壓力呈均勻分散的態(tài)勢，減輕了葉片的振動振幅。同時，氣體進入速度的減緩，減少了對離心風(fēng)機的撞擊，使得離心風(fēng)機前后盤的位移運動延遲，有的甚至能夠改變顆粒相互撞擊的行動路線和撞擊位置。減少了葉片壓力使得振動減慢。但是如果工況的流量偏離額定值太多，顆粒撞擊將會更加劇烈，增加對葉片表面的壓力，使得高濃度聚集區(qū)域面積擴大，導(dǎo)致離心風(fēng)機的異常振動情況更加劇烈，問題逐漸惡化。經(jīng)過時間的積累，在葉片周圍形成粒子漩渦，致使葉片振幅不斷增加，離心風(fēng)機內(nèi)部零件被振動脫離設(shè)備，前后盤相對位移加大，引發(fā)安全事故。

通過對不同流量比較分析可以得到：當(dāng)流量偏離額定流量時，離心風(fēng)機中葉片的顆粒聚集位置會發(fā)生改變，大流量工況下葉片壓力逐漸集中到一點，離心風(fēng)機前后盤的相對位移增加。如圖2是經(jīng)過本文設(shè)計方法得到的葉片小顆粒在不同運行工況下在葉片氣體壓力接觸面的濃度分布圖。

圖2 小顆粒不同運行工況下葉片氣體壓力接觸面的濃度分布圖

與圖1相對比，當(dāng)流量大于額定工況流量時，相對于大顆粒，小顆粒受氣流場的拖曳力影響更大，小粒子的碰撞速度提高更大，從而使得顆粒在輪盤上的碰撞提前發(fā)生，葉片上的二次碰撞相應(yīng)減少，總的碰撞次數(shù)也隨之減少，且碰撞點更集中分布在葉片出口區(qū)，因此葉片壓力面出口區(qū)域濃度更大，整體濃度大的部位分布范圍變小。當(dāng)流量小于額定工況流量時，相對于大顆粒，小顆粒受氣流影響大，由于拖曳力的減少，在整個葉片表面內(nèi)碰撞速度下降，葉片上二次碰撞增多，小粒徑顆粒在葉片出口區(qū)碰撞點增多，因此葉片從進口到出口的碰撞更均勻。正如圖2中看到的葉片壓力面濃度分布相對均勻，出口區(qū)域濃度最大。通過比較分析可以看出，顆粒受流量變化規(guī)律差不多，但小顆粒受流量變化的影響更大些。

綜上，由于實驗涉及的工況存在局限性，因此在今后的研究中要加深該分析方法的普適性。