生產車間降溫設備_風機轉子-氣封碰摩故障研究機械百科大洋電機 6

　　核心提示：轉子動靜碰摩是高速旋轉機械的典型故障之一。以處理一新安裝風機碰摩故障為研究背景，建立數學模型，分別從理論和測試手段描述了動靜碰摩的發生原因及其發展機理，并對識別、判斷碰摩振動及采取相應措施作了一些有益的探討。 

　　關 鍵 字：風機 轉子 氣封 碰摩 故障研究 

　　為了提高高速旋轉機械的效率，往往把其密封和軸承間隙調得較小，以減少氣體和潤滑油泄漏。但小間隙除了會引起流體動力激振之外，還會發生轉子與靜止部件的摩擦。例如，軸的撓曲、轉子不平衡、轉子與定子熱膨張不一致、氣體動為作用、密封力作用以及轉子對中不良等原因引起的振動均可導致摩擦損傷，嚴重的可以造成損傷事故。

　　轉子與靜止件發生徑向摩擦存在兩種情況，一是轉子在渦動過程中與靜止件發生局部或周期性的碰摩。轉子與靜生件發生瞬問接觸，轉子剛度增大；被靜止件反彈后脫離接觸，轉子剛度減小，井且發生橫向自由振動。因此，轉子剛度在接觸與非接觸兩者之間變化，轉子橫向自由振動與強迫的旋轉運動、渦流運動疊加在一起，產生一些特有的、復雜的振動響應頻率。二是轉子與靜止件的摩擦接觸弧度較大時，會發生連續的全周接觸摩擦。當旋轉機械發生強烈振動時，軸頸于軸瓦發生大面積干摩擦，由于摩擦力很大，轉子處干完全失穩狀態。

　　一、碰摩案例

　　某新安裝的風機，型號為SJK2500-410/94，進氣容積流量為2250m3/min，排氣壓力410kPa，有四級葉輪，分為兩段，段間安裝有中冷器，轉速為4 394r/min。風機啟動后，迸風閥全開進行無負荷試車，發現進氣端軸振動逐漸增大，雖無太大的波動，但是隨著時間的推移，振動上升到100μm，且高壓端軸振也尾隨低壓端逐漸增大，整個過程中風機蝸殼振動并不大，各振動傳感器均工作正常。鑒于振動已超標且仍沒有趨于穩定的跡象，隨即決定停車處理。首先檢查進氣端軸承，核實間隙，巴氏合金瓦沒有異常，頂隙和側隙均在允許范圍內。

　　風相狀態監測系統的振動測點布置如圖1所示，采樣頻率2kHz，為探尋振動故障的具體原因，對采集到的低壓端車曲辰動數據做相關處理，得到垂直方向時域波形圖（圖2）、頻譜圖（圖3）、全息譜圖（圖4、圖5）和軸心軌跡圖（圖6）。

　　從圖2~6可以看出該振動具有明顯的碰摩特征。時域波形存在削頂現象，頻譜圖上除轉子工頻外，還有豐富的高次諧波成分，全息譜中出現多個頻率（1~8倍頻）的橢圓，軸心合成軌跡存在尖角，從歷史數據曲線還可發現軸振動隨Ⅰ段出氣溫度的升高而增大，由以上特征可判斷振動故障是由碰摩引起的。

　　開缸檢查后，發現轉子和氣封發生全周碰摩，一級葉輪下氣封受熱出現嚴重收口，轉子上有明顯劃痕。后對該氣封進行刮研，重新調整了間隙，再次啟車，并嚴格控制調整進風閥的速度，放緩負荷增加幅度，各振動值穩定在合格范圍內，風機運轉正常。

　　二、碰摩模型

　　針對上述的碰摩情況，為從理論上進一步分析，建立了Jeffcott轉子一氣封碰摩的數學模型（見圖7）和運動微分方程。 

 



?Jeffcot轉子與一氣封相碰摩。由此產生一作用在轉子上的徑向力N和切向力Ff，可分別表示為

N=ks(r-r0) (1)

Ff=μN (2)

式中：ks??氣封剛度；

μ??摩擦系數；

r??轉子振動位移；

r0??轉子和氣封間的徑向間隙，且r=x+jy。

得到無量綱形式的方程



　　　　方程(3)的解描述了碰摩時轉子的振動。

　　三、工作轉速下動靜碰摩特點

　　1．易在新投運機組或大修后發生 

　　本次故障事例中的風機就是安裝后第一次啟動，如果安裝中動靜間隙控制不當，在某一外界因素擾動下就容易發生摩擦振動。

     1 前言

　　中央空調是大廈里的耗電大戶，正常供暖或供冷季節每年的電費中空調耗電占60％左右，因此中央空調的節能改造顯得尤為重要。由于中央空調系統按最大負荷設計，并且留10-20％設計余量，而實際上絕大部分時間空調是不會運行在滿負荷狀態下，存在較大的冗余，所以節能的潛力很大,廠房降溫水簾。另外冷凍水泵和冷卻水泵不能隨負載變化作出相應調節運行速度和合理數量，只能靠門和旁通來調節系統的流量與壓差，因此不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現象，從而致使大量電能浪費（冷凍水泵額外負載增多間接造成冷水機組負荷變大）和造成中央空調最末端達不到合理效果的情況。

　　本文針對某酒店改造項目的自身特點，利用變頻器和PLC的控制系統對原項目的中央空調系統進行節能改造，使其更加合理利用能量，對于減少能耗、提高效率具有重要意義。

　　2　項目介紹

　　廣東某酒店改造項目節能改造點如下:

　　1．東樓/西樓的中央空調之冷凍水泵控制，改造原因：人工通過調整管阻調整供應冷量，雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費。

　　2．東樓/西樓中央空調之冷卻水泵控制，改造原因：人工通過調整管阻調整冷卻水流量（熱交換量），雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費,水簾廠家。

　　3．東樓/西樓的中央空調之冷卻塔風機控制，改造原因：一是頻繁啟動，沖擊電流大，接觸器和電機壽命受影響；二是風量不能根據送回水溫度自動調整而造成能量浪費。

　　4．風機盤管冷量交換控制，主要分布點為東樓5號會議廳、天波府和大堂及西樓的保齡球館、宴會廳、西餐廳、一樓大堂、天堂吧、潮洲城、二樓大堂、東大堂和會議室等地方，改造原因：目前熱交換和新風供給不能根據人流的多寡作快速調整，并且溫控不精確（采樣點在回風口，冬天供暖，熱氣上升，人員活動區溫度較設定溫度低；反之，夏天供冷氣，冷氣下降，人員活動區溫度較設定溫度低。

　　5．東樓/西樓的供水系統，改造原因：目前采用人工大幅容調，由于供水電機功率較大（分別為55KW和30KW），大幅容調除了造成大的功率冗余和能量浪費，同時將會造成供水不穩定、水錘和啟動電流沖擊，嚴重影響管件壽命和供水水質。

　　3　控制方案及實現方法

　　酒店中央空調結構分為供暖和供冷兩部分，其中供冷包含冷卻塔，冷水機組，冷凍水泵，冷卻水泵和末端，供暖部分包含熱水泵和加熱器。該中央空調的系統結構如圖1 所示：

圖1 中央空調的系統結構圖

　　該中央空調的西樓配置圖和東樓配置圖分別如圖2和圖3所示：

圖2 西樓配置圖

圖3 東樓配置圖

　　（1）冷凍機組

　　一般冷凍機組控制系統設計方式：在冷水機組的供/回水總管上分別設一個溫度傳感器（T），在冷凍回水管上設一個流量計（F），同時將此三種信號輸入到控制器，經運算可得出大樓的冷負荷Q=F*△T，根據冷機組的效率曲線，經過計算比較，取各種組合中的能耗最小者，并根據設備累計運行時間，進而自動選擇冷機的最佳組合。使系統的總能耗保持在最小值，以達到最佳節能的效果。

　　雖然大容調會產生大的功率冗余大的能量浪費，但從冷水機組的運行特性考慮，在沒有生產廠家配合處理的情況下不適宜進行變頻改造，故本方案暫不考慮。

　�。�2）冷凍泵組/冷卻泵組

　　控制方式：依據所送水/回水溫差、流量和供回水壓差，計算決定啟動機組臺數和變頻運行泵的運行頻率，自動調整到最佳熱交換量狀態；

　　由于水泵采用的是Y—△起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的3～4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命將受到影響；起動時的機械沖及和停泵時水錘現象，容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞而增加維修工作量和備品、備件費用，另外，僅因啟動需要將不得不使整棟大樓的配電容量增大若干倍、投入成本增加若干倍。變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件，軸承、閥門、管道的使用壽命。

　　在無旁通閥作用的情況下，變頻器能根據冷凍水泵和冷卻水泵負載變化相應調整冷凍水泵電機和冷卻水泵電機的轉速，滿足中央空調系統正常工作而達到節能目的。水泵電機轉速下降，電機從電網吸收的電能就會大大減少。

　　-------N1為改變后的轉速，N0為電機原轉速，P0為原電機轉速下的電機軸功率消耗，Q0為原電機轉速下所產生的水泵流量。

　　由上式可以看出流量Q與轉速N一次方成正比，功耗P與轉速N三次方成正比。假設原流量為100個單位，耗能也為100個單位，如果轉速降低10個單位，由△Q＝Q0〔1-（N1/N0）〕＝100*〔1—（90／100）〕＝10可得出流量改變了10個單位，△P＝P0[1－（Nl／N0）^3]＝100×(1—(90／100)^3)＝27．1，可以得出，功率將減少27．1個單位，即流量減少10%能耗減少了27．1％。

　　當用蝶閥的開度來控制冷凍、冷卻水流量大小時，蝶閥阻管與功率P變化（如圖4a所示）由曲線1到曲線2，流量減小，但功率卻沒有減小多少。若通過調整轉速（如圖4b所示），H-Q曲線由曲線1到曲線2，蝶閥開度100%時，蝶閥阻力為零，管道阻不變，功率省很多。

 圖4 （a） 阻管與功率P變化曲線圖(b)不同轉速對應的阻管與功率P變化曲線圖

　　系統改造方式如下：

　　西樓和東樓冷凍冷卻泵控制圖分別如圖5和圖6所示：

圖5 東樓冷凍冷卻泵控制原理圖

圖6 西樓冷凍冷卻泵控制原理圖

　�。�3）冷卻塔風機

　　控制方式：控制送水/回水溫差為恒值為目標，調整冷卻塔風機風量；外界氣溫的變化或者使用場合熱交換量的變化，大部分時間并不要求冷卻塔風機和全速運轉，由于

　　n=60f(1-s)/p;-----p：電機極數

　　根據流體力學知：風壓H 正比于轉速n?;所消耗的功率P等于風量Q與風壓H之積（即輸出功率P正比于轉速n?），即Q=K1n;H=K2n2;P=Q*H=K1K2n3

　　風量減小20?，即轉速降低20?，節省功率ΔP=K[n3-(0.8n)3]=0.438 K1K2n

　　風量減小50?，即轉速降低50?，節省功率ΔP=K[n3-(0.5n)3]=0.875 K1K2n

　　可見，大部分情況冷卻塔風機處于做無用功狀態，并且浪費的能量較大。因而，在保證系統正常散熱風量的前提下調速，即使扣除實際上由于轉速下降可能引起的電機和風機效率降低這一因素，采用變頻器調速，風機的節能效果還是非常顯著的。

　　改造方式如圖7所示：

圖7 冷卻塔風機系統改造圖

　　控制結果：大幅降低能耗；無啟動電流沖擊。

　�。�4）風機盤管冷/熱量交換控制

　　在中央空調系統中，各種用房冷暖設備除新風機組和空調機組外，還大量使用風機盤管。它只有盤管、三速風機、電動調節閥，感溫組件、控制器等組成。一般三速風機開關，感溫組件、控制器等制成一個整件設備，目前，市場上有兩種，一種是盤管控制器為DDC控制，并具備與主機通訊功能。這種控制器可通過計算原則中心控制，西樓使用這種方式。另一種是不具備通訊功能的盤管控制器，可以按照水系統的連接情況的將風機盤管分為若干組，每組的支路入口處安裝流量計、供回水壓差變送器及供回水溫度傳感器。從而可計算出風機盤管水閥的開度，并給電動調節閥一個指令，從而將電動閥調節至相應的開啟度，使盤管中流過所需要的水流量，東樓使用這種方式。為解決面臨的問題，可以通過對采樣到的回風溫度及其二氧化碳焓量控制調整加熱盤管及表冷盤管二通電動調節閥開度和送風風量（風機轉速），實現對送風溫度（設定點可調整）的控制。方式如圖8所示：

圖8 風機盤管冷/熱量交換控制改造圖

　　另外，要提供一個舒適的環境，除控制室溫外，還需對室外溫/濕度進行監測，通過室環境溫/濕度檢測，實時調整空調機和新風機的新風量，進行過渡季節的全新風和空調季節的小新風控制。根據監測環境的CO2濃度自動調節空調機的新/回風混合比，提供長期舒適的活動環境，同時可達到節能效果。

　�。�5）供水

　　以設定供水壓力為目標，根據實際用水量，利用VFD-F的自動加減泵功能和調頻功能，合理利用能量，維持供水壓力的恒定，同時能實現無沖擊啟動和避免水錘效應。

　　其改造圖如圖9所示：

圖9 供水系統改造圖

　　3 結語

　　本文基于客戶設備的實際特點，利用變頻技術和PLC的強大的邏輯控制功能及通訊功能，為客戶提供了一套完整的控制系統改造方案，使中央空調系統能更合理利用能量，避免了能量的不必要浪費。運行實踐表明，系統性能穩定，安全可靠，性價比高，值得業界同行借鑒和推廣。