离心风机基础与转子平衡技术深度解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机，鼓风机，转子平衡，动平衡，振动，平衡精度，许用不平衡量

引言

离心风机作为工业领域不可或缺的流体输送与增压设备，广泛应用于通风、冷却、物料输送、废气处理等诸多环节。其性能的稳定性、运行效率及寿命直接关系到整个生产系统的可靠性与能耗。在离心风机的诸多核心技术中，转子平衡是保证风机平稳、低振动、长周期安全运行的基石。本文将从离心风机的基础知识入手，深入解析转子平衡的原理、方法、标准及实践要点，旨在为风机技术从业者提供系统的理论指导和实践参考。

第一章 离心风机基础知识概述

1.1 基本结构与工作原理

离心风机主要由进气口、叶轮（Impeller）、机壳（Volute）、主轴、轴承座、传动部件及出口扩散器等组成。

其工作原理基于牛顿第三定律和流体力学中的欧拉方程。当电机通过传动件驱动叶轮高速旋转时，叶片流道间的气体在离心力的作用下被甩向叶轮外周，经机壳的收集和导向，从出口排出，动能部分转化为压力能。与此同时，叶轮中心部位形成低压区，外部气体在压差作用下被持续吸入，从而形成连续的气体流动。

1.2 主要性能参数

流量（Q）： 单位时间内通过风机的气体体积，单位为立方米每秒（m³/s）或立方米每小时（m³/h）。 全压（P）： 风机出口截面与进口截面气体的总压之差，代表了风机赋予气体的总能量，单位为帕斯卡（Pa）。 静压（Ps）： 全压与动压之差，是用于克服管道阻力的有效压力。 动压（Pd）： 与气体流速相关的压力分量，计算公式为：动压 = (空气密度 × 流速的平方) / 2。 功率（N）： 分为有效功率（Ne）和轴功率（Nz）。有效功率是单位时间内风机传递给气体的能量，计算公式为：有效功率 = (流量 × 全压) 。轴功率是电机输入给风机主轴的功率。两者的比值即为风机效率（η）。 转速（n）： 叶轮每分钟的旋转次数，单位为转每分钟（r/min）。

1.3 核心部件—转子

转子是风机的旋转部件总成，通常包括叶轮、主轴、平衡盘、联轴器等。它是风机做功的核心，也是不平衡质量产生振动的主要根源。转子的动力学特性直接决定了风机的运行状态。

第二章 转子不平衡的成因与危害

2.1 不平衡的定义

转子不平衡是指转子的质量中心（质心）与其旋转中心（几何中心）不重合，从而导致转子旋转时产生离心力的现象。这种离心力是周期性作用的，其频率与转子的旋转频率相同。

2.2 主要成因

设计原因： 结构不对称，如安装了键槽的轴、不对称的叶片布置（虽然离心风机叶轮多为对称设计，但某些特殊设计可能存在）。 制造原因： 材料密度不均（如铸造缺陷）、毛坯余量不均、加工误差（如不同轴、端面跳动超差）、装配误差（如叶轮与轴装配不同心）。 运行与维护原因：
磨损： 介质对叶轮叶片、轮盖、轮盘的冲刷磨损不均。 腐蚀： 介质导致叶轮表面局部腐蚀剥落。 结垢： 介质中的粉尘、油污等在叶流道上不均匀附着结垢。 松动： 连接部件松动。 变形： 受过载、高温等因素影响，转子发生永久性变形。

2.3 危害

不平衡产生的离心力与转速的平方成正比（F = m × r × ω²，其中m为不平衡质量，r为偏心距，ω为角速度）。高速风机中，即使微小的不平衡量也会产生巨大的离心力，从而引发：

剧烈振动： 这是最直接的表现，影响设备基础和工作环境。 噪音增大： 振动辐射噪声，并可能引发气动噪声。 机械损伤： 加速轴承、轴、联轴器、密封件等部件的磨损与疲劳，缩短其寿命。 性能下降： 过大的振动可能导致内部间隙变化，气密性变差，效率降低。 安全事故： 在极端情况下，可能导致转子断裂、部件飞出等严重事故。

第三章 转子平衡的原理与等级

3.1 平衡原理

平衡的物理原理是通过在转子的特定位置（校正平面）上增加或去除一定质量，从而生成一个与原始不平衡离心力大小相等、方向相反的校正离心力，使二者相互抵消，最终使转子的质心无限接近其旋转中心，将残余不平衡量控制在允许范围内。

3.2 平衡等级与许用不平衡量

平衡精度由平衡品质等级G来表示，国际标准IS 1940-1对此有明确规定。G值表示转子质心处的偏心速度（单位：毫米/秒），计算公式为：
G = e × ω / 1000
其中：

e 为许用偏心距（单位：微米μm），即许用残余不平衡量Uper（单位：克·毫米 g·mm）除以转子质量M（单位：千克 kg）(e = Uper / M)。 ω 为转子工作的最高角速度（单位：弧度/秒 rad/s）。

常见离心风机的平衡品质等级通常要求达到G6.3级或G2.5级。对于高精度、高速风机，要求可能更高（如G1.0）。G值越小，平衡精度要求越高。

许用不平衡量（Uper） 是衡量一个具体转子平衡好坏的直接指标。其确定步骤如下：

确定平衡品质等级G： 根据风机类型和用途查标准或设计规范。 计算转子额定角速度ω： ω = (2 × π × n) / 60 （n为额定转速，r/min）。 计算许用偏心距eper： eper = (G × 1000) / ω （单位：μm）。 计算许用残余不平衡量Uper： Uper = eper × M （单位：g·mm）。其中M为转子质量（kg）。

重要提示： 对于双面平衡的转子，计算出的总许用不平衡量Uper需要分配到两个校正平面上。分配原则与两个支承点的位置和校正平面的位置有关，通常按比例分配，以确保每个支承点产生的振动都在允许范围内。

第四章 转子平衡的方法与实践

转子平衡分为静平衡和动平衡。

4.1 静平衡（单面平衡）

适用对象： 盘状转子，其直径D与宽度L之比（D/L）大于等于6，且工作转速较低。 方法： 将转子放在水平导轨式平衡架上，其质心会自然转向最低点。此时在最高点（轻点）添加配重，或在最低点（重点）去除材料，直至转子能在任意位置保持静止（随遇平衡）。 局限性： 只能消除力不平衡（静态不平衡），无法消除力偶不平衡。

4.2 动平衡（双面平衡）

适用对象： 绝大多数离心风机转子，尤其是D/L < 6的鼓筒状转子或工作转速较高的转子。动平衡可以同时消除力不平衡和力偶不平衡。 方法： 必须在动平衡机或现场平衡仪上进行。转子在自身轴承或平衡机支承上被驱动至工作转速附近旋转。传感器测量两个支承点处的振动（振幅和相位）。平衡仪器通过解算，精确指出在两个预先选定的校正平面（通常是叶轮的两侧轮盖）上需要添加或去除的质量大小和相位角。 校正方式：
去重： 使用钻床、铣床、磨床等在“重点”去除材料。此法永久可靠，最常用。 加重： 使用平衡块、平衡螺丝、焊料等在“轻点”添加质量。需确保连接牢固，防止在高速下飞出。

4.3 现场动平衡

对于大型风机或不便拆卸的转子，可在设备自身的轴承座上使用便携式现场动平衡仪进行平衡。该方法避免了拆装对转子平衡状态可能造成的影响，效率高，应用越来越广泛。其基本原理与动平衡机相同，通过测量原始振动，试加配重，再次测量，最终计算出所需的校正质量和角度。

第五章 平衡操作的流程与注意事项

清洁检查： 平衡前，彻底清洁转子，检查有无松动、损坏或严重腐蚀结垢。应先处理这些缺陷再进行平衡。 平衡准备： 选择平衡方法（静/动、机上/现场），选择合适的校正平面和平衡转速。 初始测量： 启动设备，测量初始振动的大小和相位。 试重运行： 在一个校正平面上添加一个已知质量的试重，再次运行测量。 计算校正： 仪器或根据公式计算出应加（应减）的质量和位置。 验证： 完成校正后，再次运行测量，验证残余振动是否已达到标准要求的范围内。若未达标，需进行复校。 最终确认： 平衡完成后，所有紧固件应锁紧，焊点应牢固。做好记录，包括初始值、校正量、最终结果等。

注意事项：

安全第一！确保旋转区域无人且防护罩已安装到位。 平衡工作应由受过培训的专业人员操作。 理解“三线制”原则，即平衡后的转子只能在原平衡机上、原安装条件下达到最佳状态。更换轴承、联轴器等部件后，可能需重新校验平衡。 对于柔性转子（工作转速超过其一阶临界转速的70%），需采用多转速或多平面平衡法，这与刚性转子的平衡有所不同。

结语

转子平衡并非一项简单的“加重减重”操作，而是一项融合了机械原理、振动理论、测量技术和丰富实践经验的系统性技术。对风机技术人员而言，深刻理解不平衡的机理，熟练掌握平衡的标准、方法和流程，是确保设备安全、稳定、高效运行的关键能力。持之以恒地做好转子的平衡管理与状态监测，能有效降低设备故障率，延长其使用寿命，为企业创造巨大的经济效益和安全保障。

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