2. 旋转机械基础

旋转机械是工业生产的“心脏”，其共同特征是存在一个或多个高速旋转的转子，通过转子与流体、电磁场或机械部件之间的相互作用实现能量转换或介质输送。要开展状态监测与故障诊断，首先必须理解不同机型的结构差异、工作原理以及由此决定的典型故障模式。本节围绕汽轮机、压缩机、风机、泵和电机五类常见设备展开，建立“结构—原理—故障”的对应认知框架。

一、五类旋转机械的结构与工作原理

汽轮机属于原动机，其核心是固定在轴上的多级动叶片与固定在汽缸上的静叶片交替排列。高温高压蒸汽依次通过各级喷嘴和动叶，将热能转化为机械能，驱动转子旋转。转子通常由高压转子、低压转子通过联轴器连接，并配有推力轴承承受轴向力。汽轮机的特点是转速高、级数多、热态工况复杂。

压缩机用于提升气体压力，分为离心式、轴流式和往复式。离心式压缩机通过高速旋转的叶轮对气体做功，气体在扩压器中减速增压；轴流式则依靠动叶和静叶的交替作用逐级增压。压缩机转子常处于临界转速附近运行，且易受气流激振影响。

风机与离心压缩机原理相近，但压比低、流量大，常见有离心风机、轴流风机和罗茨风机。风机叶轮直径大、悬臂或双支撑结构普遍，对不平衡和气流脉动较为敏感。

泵用于输送液体，离心泵是最常见类型。液体从叶轮中心吸入，经叶片加速后进入蜗壳扩压排出。泵的故障常与汽蚀、密封泄漏和轴承磨损相关。

电机实现电能与机械能转换，定子产生旋转磁场，转子在电磁力作用下旋转。电机结构包括定子、转子、气隙、轴承和冷却系统，其振动特征与电磁力、气隙偏心密切相关。

二、典型故障模式与机理

不同机型的故障模式既有共性也有个性。共性故障主要来自转子系统：不平衡表现为1倍频振动突出，常由结垢、磨损或部件脱落引起；不对中表现为2倍频及轴向振动增大，多发生在联轴器两侧；松动产生多倍频和分数倍频成分；碰摩则出现宽频带冲击和亚同步振动。

个性故障与工作原理紧密相关。汽轮机易发生汽流激振和热弯曲，前者与蒸汽在叶顶间隙中的周向流动有关，后者源于上下缸温差导致转子暂时弯曲。压缩机最典型的故障是喘振，当流量低于喘振线时，气流出现周期性倒流，伴随剧烈低频振动和噪声。泵的汽蚀发生在吸入压力低于液体饱和蒸气压时，气泡在高压区溃灭，产生高频冲击和材料剥蚀。电机的气隙偏心和转子断条则通过电磁力变化引起特定频率的振动和电流特征。

三、故障模式对照清单

四、案例与误区复盘

典型特征频率参考：
不平衡        → 1×转频
不对中        → 2×转频、轴向振动
松动          → 多倍频、0.5×转频
汽蚀          → 高频宽带冲击
喘振          → 0.2~0.5×转频低频脉动
气隙偏心      → 2×电源频率及其边带
转子断条      → 转频边带围绕电源频率

掌握五类旋转机械的结构、原理与故障对应关系，是后续振动分析、信号处理和故障诊断方法学习的基础。只有把设备“看透”，才能在监测数据中快速定位异常根源。