中國(guó)電建集團(tuán)透平科技有限公司 龔 泰

離心風(fēng)機(jī)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(jī)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(duì)離心風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有著高度的重視。離心風(fēng)機(jī)中葉片的振動(dòng)故障是設(shè)備運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題[3]。將葉片振動(dòng)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(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最重要的部分[4]。在離心風(fēng)機(jī)工作時(shí)，葉片經(jīng)常因?yàn)椴煌r中的流量影響，產(chǎn)生異常振動(dòng)，導(dǎo)致離心風(fēng)機(jī)出現(xiàn)質(zhì)量偏心誤差。這種故障若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)隨著運(yùn)行的時(shí)間不斷累積，葉片的異常振動(dòng)振幅不斷加大，最終造成離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，零部件逐個(gè)脫落，有的甚至?xí)霈F(xiàn)因?yàn)橐后w的泄漏腐蝕機(jī)器的情況發(fā)生。由此可見(jiàn)，葉片的不穩(wěn)定是離心風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)和發(fā)生安全事故的最主要因素。

離心風(fēng)機(jī)的異常振動(dòng)是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中最常遇到也是最難解決的一個(gè)安全隱患。當(dāng)外界運(yùn)行時(shí)能夠直接觀測(cè)到離心風(fēng)機(jī)存在異常振動(dòng)時(shí)，為時(shí)已晚，說(shuō)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(dòng)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(jī)異常振動(dòng)響應(yīng)分析方法設(shè)計(jì)

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

建立物理模型。因?yàn)殡x心風(fēng)機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，葉片所在位置十分隱蔽，若直接通過(guò)GAMBIT 對(duì)其進(jìn)行模擬，則模型精確度低。所以首先利用Pro/E 軟件不同運(yùn)行工況下離心風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)試驗(yàn)中所用的葉片進(jìn)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(jìn)行預(yù)處理；離心風(fēng)機(jī)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(jìn)行三維立體建模。對(duì)建立后的模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分塊處理。將模型分為5個(gè)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(dòng)區(qū)域、內(nèi)部蝸殼區(qū)域。針對(duì)劃分完的區(qū)域進(jìn)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(jìn)FLUENT6.3計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬分析。分析模塊采用散點(diǎn)式、隱藏式、三維穩(wěn)態(tài)式三種構(gòu)成。通過(guò)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(jìn)行計(jì)算，對(duì)壓力和速度進(jìn)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(jī)前后輪盤數(shù)據(jù)代入Moving Wall 模塊，設(shè)置其相對(duì)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(duì)靜止。對(duì)離心風(fēng)機(jī)中葉片的異常振動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型模擬后，數(shù)值分析利用散點(diǎn)式模塊進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中利用歐拉法對(duì)模型的氣相數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用拉格朗日法對(duì)葉片顆粒數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律分析。

2 不同運(yùn)行工況下離心風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)與分析

離心風(fēng)機(jī)的異常振動(dòng)會(huì)造成故障停機(jī)，進(jìn)而會(huì)影響整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)，從而造成事故停產(chǎn)。某離心風(fēng)機(jī)更換完葉片負(fù)荷端軸承后軸向振動(dòng)增大至6.2mm/s，該離心風(fēng)機(jī)存在異常振動(dòng)的故障。對(duì)本文所設(shè)計(jì)的方法設(shè)置實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于葉片大粒徑，分別對(duì)流量為Q=1.2Q0、Q=Q0、Q=0.8Q0、Q=0.7Q0四種運(yùn)行工況條件進(jìn)行了數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn);對(duì)于小粒徑，分別對(duì)流量為Q=1.2Q0、Q=Q0、Q=0.8Q0三種運(yùn)行工況條件進(jìn)行了數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)。圖1為葉片大顆粒在不同運(yùn)行工況下離心風(fēng)機(jī)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(yùn)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(shuō)明顆粒之間相互碰撞的激烈程度越高，意味著該葉片振動(dòng)異常。通過(guò)圖1可以得出：

當(dāng)流量大于額定工況流量時(shí)，因?yàn)榱髁康脑黾樱x心風(fēng)機(jī)進(jìn)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(shí)，使得顆粒集中到氣體壓強(qiáng)小的一面，進(jìn)而導(dǎo)致粒子對(duì)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(diǎn)，形成了振動(dòng)源，最終使得葉片產(chǎn)生振動(dòng)。所以當(dāng)運(yùn)行工況相對(duì)大時(shí)，葉片表面施加壓力的顆粒濃度也有所增加，進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)更加劇烈。葉片的振動(dòng)使得離心機(jī)的前后盤進(jìn)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(shí)，對(duì)于在額定工況情況下運(yùn)行，離心風(fēng)機(jī)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(dòng)相對(duì)緩慢。工況的流量不斷減少，使得氣體進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)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(duì)葉片表面的壓力呈均勻分散的態(tài)勢(shì)，減輕了葉片的振動(dòng)振幅。同時(shí)，氣體進(jìn)入速度的減緩，減少了對(duì)離心風(fēng)機(jī)的撞擊，使得離心風(fēng)機(jī)前后盤的位移運(yùn)動(dòng)延遲，有的甚至能夠改變顆粒相互撞擊的行動(dòng)路線和撞擊位置。減少了葉片壓力使得振動(dòng)減慢。但是如果工況的流量偏離額定值太多，顆粒撞擊將會(huì)更加劇烈，增加對(duì)葉片表面的壓力，使得高濃度聚集區(qū)域面積擴(kuò)大，導(dǎo)致離心風(fēng)機(jī)的異常振動(dòng)情況更加劇烈，問(wèn)題逐漸惡化。經(jīng)過(guò)時(shí)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(jī)內(nèi)部零件被振動(dòng)脫離設(shè)備，前后盤相對(duì)位移加大，引發(fā)安全事故。

通過(guò)對(duì)不同流量比較分析可以得到：當(dāng)流量偏離額定流量時(shí)，離心風(fēng)機(jī)中葉片的顆粒聚集位置會(huì)發(fā)生改變，大流量工況下葉片壓力逐漸集中到一點(diǎn)，離心風(fēng)機(jī)前后盤的相對(duì)位移增加。如圖2是經(jīng)過(guò)本文設(shè)計(jì)方法得到的葉片小顆粒在不同運(yùn)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(yùn)行工況下葉片氣體壓力接觸面的濃度分布圖

與圖1相對(duì)比，當(dāng)流量大于額定工況流量時(shí)，相對(duì)于大顆粒，小顆粒受氣流場(chǎng)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(diǎn)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(shí)，相對(duì)于大顆粒，小顆粒受氣流影響大，由于拖曳力的減少，在整個(gè)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(diǎn)增多，因此葉片從進(jìn)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(duì)均勻，出口區(qū)域濃度最大。通過(guò)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(shí)驗(yàn)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。