旋轉(zhuǎn)失速與喘振是高速離心壓縮機的一種振動故障。這種故障是由于流體流動分離造成的，設備本身一般沒有明顯的結(jié)構缺陷，因而不需要停工檢修，通過調(diào)節(jié)流量即可使振動減至允許值。
當旋轉(zhuǎn)脫離進一步發(fā)展為喘振時，不僅會引起機組效率下降，而且還會對機器造成嚴重危害。喘振會導致機器內(nèi)部密封件、軸承等損壞，嚴重的甚至會導致轉(zhuǎn)子彎曲、聯(lián)軸器損壞。喘振是離心壓縮機等流體機械運行、最危險的工況之一，對機器危害很大。對這種危害性極大但又不需要停機即可處理的故障，最能顯示出狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作的作用與效益。
一、旋轉(zhuǎn)失速的機理與特征 1 旋轉(zhuǎn)失速 旋轉(zhuǎn)失速的機理首先由H.W.Emmons 在1995年提出。旋轉(zhuǎn)失速的形成過程大致如下。離心壓縮機的葉輪結(jié)構、尺寸都是按額定流量設計的，當壓縮機在正常流量下工作時，氣體進入葉輪的方向β1 與葉片進口安裝角βS 一致，氣體可以平穩(wěn)地進人葉輪，如圖1(a)所示，此時，氣流相對速度為ω1，入口徑向流速為C1。當進入葉輪的氣體流量小于額定流量時，氣體進入葉輪的徑向速度減少為C1′ 氣體進入葉輪的相對速度的方向角相應的減少到β1′，因而與葉片進口安裝角βS 不相一致。此時氣體將沖擊葉片的工作面（凸面），在葉片的凹面附近形成氣流旋渦，旋渦逐漸增多使流道有效流通面積減小。 由于制造、安裝維護或運行工況等方面的原因，進入壓縮機的氣流在各個流道中的分配并不均勻，氣流旋渦的多少也有差別。如果某道中（圖1(b) 中的流道2）氣流旋渦較多，則通過這個流道的氣量就要減少，多余的氣量將轉(zhuǎn)向鄰近流道（流道1和3）。在折向前面的流道（流道1）時，因為進入的氣體沖在葉片的凹面上，原來凹面上的氣流旋渦有一部分被沖掉，這個流道里的氣流會趨于暢通。而折向后面流道（流道3）的氣流則沖在葉片的凸面上，使得葉片凹面處的氣流產(chǎn)生更多的旋渦，堵塞了流道的有效流通面積，迫使流道中的氣流又折向鄰近的流道。如此輪番發(fā)展，由旋渦組成的氣流堵塞團（稱為失速團或失速區(qū)）將沿著葉輪旋轉(zhuǎn)的相反方向輪流在各個流道內(nèi)出現(xiàn)。因為失速區(qū)在反方向傳播速度小于葉輪的旋轉(zhuǎn)速度，所以，從葉輪之外的參考系來看，失速區(qū)還是沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動，這就是旋轉(zhuǎn)失速的機理。盡管實際氣流情況比較復雜，但H.W.Emmons 提出的旋轉(zhuǎn)失速機理還是為后人的研究工作提供了依據(jù)。
2 旋轉(zhuǎn)失速頻率 旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度或失速頻率是大家比較關心的問題，因為它在診斷壓縮機的振動是否是由旋轉(zhuǎn)失速所引起的具有重要意義。對此，國內(nèi)外的科研機構除了進行大量的理論研究外，還在試驗室進行了大量的實際測試。B.F.J.Cossar 等人在軸流壓縮機上做了大量測試，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)是先在葉片的尾部出現(xiàn)，然后向前移動，大約相對轉(zhuǎn)動20°才到達葉片的前緣。
事實上，失速區(qū)的形成是一個相當復雜的流體動力過程。失速頻率還與葉片進口氣流是否存在畸變、入口氣流方向角β1 與葉片入口安裝角βS 之間的差值（稱為沖角）大小，以及壓縮機的級數(shù)等因素有密切關系。B.F.J.Cossar 在試驗中利用在壓縮機進口處安裝低孔率金屬絲網(wǎng)的方法，測得失速頻率為轉(zhuǎn)速頻率的1/2，與理論研究計算的失速頻率為轉(zhuǎn)速頻率的1/3有一定差異。
N.A.Cumpsty 的試驗模型指出，旋轉(zhuǎn)失速頻率在轉(zhuǎn)速頻率的1/5～1/2的范圍內(nèi)，隨壓縮機級數(shù)的增加，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度逐漸接近于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的40％。
日本振動專家白木萬博介紹，根據(jù)機器種類不同，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)傳播速度為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的0.2～0.5。意大利NUOVO PIGNOVE 公司的壓縮機組在我國石化行業(yè)應用較多，該公司對于按他們圖紙制造的在大化肥尿素裝置使用CO2 壓縮機，提出旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度可以按下面的經(jīng)驗公式計算：
式中，Q0p 為發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時的實際流量，Q0 為壓縮機設計工況流量，u 為轉(zhuǎn)子的周向速度。
據(jù)此公式計算出的旋轉(zhuǎn)失速區(qū)傳播速度約為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的0.3～0.45。另外，輪轂比（即葉輪流道的內(nèi)徑與外徑之比）對失速區(qū)的傳播速度有很大影響。大輪轂比葉輪會出現(xiàn)整個半徑方向失速，即失速區(qū)從葉片根部到葉片頂部的整個范圍內(nèi)都出現(xiàn)，稱為全半徑失速（圖2(a)）；小輪轂比葉輪一般只在半徑方向上的部分失速，即失速區(qū)只占據(jù)流道長度的一部分（圖2(b)）。就失速狀態(tài)來說，全半徑失速比部分半徑失速要嚴重，即葉柵內(nèi)的流體會引起較強的壓力脈動。
3 旋轉(zhuǎn)失速的振動機理 旋轉(zhuǎn)失速在葉輪內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動是激勵轉(zhuǎn)子發(fā)生異常振動的激勵力，激勵力的大小與氣體的分子量有關，如果氣體的分子量較大，激勵力也較大，對機器的運行影響也就比較大。
從固定于葉輪上的相對坐標系來看，旋轉(zhuǎn)脫離團以角頻率ωs 在機器流道間傳播，由于壓力波動激勵轉(zhuǎn)子的振動頻率為ωs，其振動頻率小于轉(zhuǎn)子的角頻率ω。而從葉輪之外的坐標系來看，旋轉(zhuǎn)脫離團是以 (ω～ωs) 的頻率旋轉(zhuǎn)的，其方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同。因此，流體機械發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，轉(zhuǎn)子的異常振動同時有ωs 和 (ω～ωs) 兩個次諧波特征頻率。
機組發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，可能是在某一級葉輪上有一個氣體脫離團，也可能是在某級葉輪上存在幾個脫離團；脫離團可能在某一級葉輪上發(fā)生，也可能同時在幾級葉輪上同時發(fā)生。一般機器發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障時常有兩個或兩個以上氣體脫離團。實際生產(chǎn)中，機器發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的角頻率ωs 參考上式，可按下式計算：
式中，ω 為轉(zhuǎn)子角頻率，N 為氣體脫離團數(shù)量，Q0p 為實際工作流量，Q0 為設計流量。
流體機械的旋轉(zhuǎn)失速故障一般來說總是存在的，但它并不一定能激勵轉(zhuǎn)子使機組發(fā)生強烈振動，只有當旋轉(zhuǎn)失速的頻率與機組的某一固有頻率耦合時，機器才有可能發(fā)生共振，出現(xiàn)危險振動。
二、喘振的機理與故障特征 1 喘振 喘振是離心式和軸流式壓縮機運行中的常見故障之一，是旋轉(zhuǎn)失速的進一步發(fā)展。
如圖3所示，離心式壓縮機具有這樣的特性，對于一個確定的轉(zhuǎn)速，總對應一個流量值，壓縮機效率達到點。當流量大于或小于此值時，效率都將下降。一般常以此流量的工況點為設計工況點。
壓縮機的性能曲線左邊受到喘振工況 (Qmin) 的限制，右邊受到堵塞工況 (Qmax) 的限制，在這二者之間的區(qū)域，稱為壓縮機的穩(wěn)定工況區(qū)域。穩(wěn)定工況區(qū)域的大小，是衡量壓縮機性能的重要指標。
當壓縮機在運行過程中，若因外部原因使流量不斷減小達到Qmin 值時，就會在壓縮機流道中出現(xiàn)嚴重的旋轉(zhuǎn)脫離，若氣量進一步減小時，壓縮機葉輪的整個流道被氣流旋渦區(qū)所占據(jù)，這時壓縮機的出口壓力將突然下降。但是，壓縮機出口所連接的較大容量的管網(wǎng)系統(tǒng)中壓力并不馬上下降，此時會出現(xiàn)管網(wǎng)中氣體向壓縮機倒流的現(xiàn)象。當管網(wǎng)中壓力下降到低于壓縮機出口排氣壓力時，氣體倒流會停止，壓縮機又恢復向管網(wǎng)排氣。然而，因為進氣量的不足，壓縮機在出口管網(wǎng)恢復到原來的壓力以后，又會在流道內(nèi)出現(xiàn)旋渦區(qū)。如此周而復始，機組和管道內(nèi)的流量會發(fā)生周期性變化，機器進出口壓力會大幅度脈動。由于氣體在壓縮機進出口處吞吐倒流，會伴隨有巨大周期性的氣流吼聲和劇烈的機器振動，這些波動在儀表操作盤的壓力、流量、振動信號顯示等記錄中可以清楚地反映出來，在操作現(xiàn)場也可以立即覺察得到。
由喘振引起的機器振動頻率、振幅與管網(wǎng)容積大小密切相關，管網(wǎng)容積越大，喘振頻率越低，振幅越大。一些機器的排氣管網(wǎng)容量非常大，此時喘振頻率甚至小于1Hz。
2 喘振的故障特征 壓縮機發(fā)生喘振的主要特征如下：
壓縮機接近或進入喘振工況時，缸體和軸承都會發(fā)生強烈的振動，其振幅要比正常運行時大大增加，喘振頻率一般都比較低，通常為1～30Hz。
壓縮機在穩(wěn)定工況下運行時，其出口壓力和進口流量變化不大，所測得的數(shù)據(jù)在平均值附近波動，幅度很小。當接近或進入喘振工況時，出口壓力和進口流量的變化都很大，會發(fā)生周期性大幅度的脈動，有時甚至會出現(xiàn)氣體從壓縮機進口倒流的現(xiàn)象。
壓縮機在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，其噪聲較小且是連續(xù)性的。當接近喘振工況時，由于整個系統(tǒng)產(chǎn)生氣流周期性的振蕩，因而在氣流管道中，氣流發(fā)出的噪聲也時高時低，產(chǎn)生周期性變化。當進入喘振工況時，噪聲增劇，甚至有爆聲出現(xiàn)。
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