230t/h循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)機葉片斷裂的分析與改造

摘#8195;要 本文以吉林省宇光能源股份有限公司長春高新熱電分公司6號爐一次風(fēng)機葉片斷裂事故為例，從循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)機的運行狀況、性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點、受力狀況等方面著手分析葉片產(chǎn)生斷裂的原因和力的作用機理，提出了防止此類事件再次發(fā)生的方法和手段，為循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備的運行和維護提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 一次風(fēng)機；循環(huán)流化床；鍋爐；葉片；斷裂

中圖分類號 TK 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)031-0170-01

吉林省宇光能源股份有限公司長春高新熱電廠三期機組為兩臺25MW汽輪發(fā)電機組，鍋爐為太原鍋爐廠設(shè)計制造的兩臺230t/h高溫高壓、單汽包橫置式循環(huán)流化床鍋爐。6號、7號鍋爐分別配置一臺離心式一次風(fēng)機，風(fēng)機廠家為鞍山風(fēng)機二廠，型號是QAG-9No16.5F。風(fēng)機主要特性參數(shù)見表1。

6號爐一次風(fēng)機自2010年10月份投產(chǎn)以來，一直運行平穩(wěn)，振動幅值一般都在0.03 mm以下，2011年11月5日，運行副司爐在巡檢中發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)機的振動幅值從0.05 mm一直呈上升的趨勢，最后達到0.10 mm，振動速度達6.8 mm/s。停機檢查發(fā)現(xiàn)靠自由端的葉片焊口處有約20 mm長的斷裂。隨后，又對7號爐一次風(fēng)機葉片進行檢查，發(fā)現(xiàn)，7號爐一次風(fēng)機焊縫處也有輕微裂紋，振動稍有增加，裂紋的形狀、位置和6號爐一次風(fēng)機很相似，雖然未影響生產(chǎn)，但也必須及時處理，經(jīng)停機檢查發(fā)現(xiàn)，前盤與葉片進口端處的裂紋為繼發(fā)性裂紋。因該葉片的彎曲變形，造成葉片間流道變小，甚至堵塞，引起失衡、振動加大。且葉片表面光滑，沒有被撞擊的痕跡。

1 影響風(fēng)機運行的不利因素

1）由于風(fēng)機各葉片間存在安裝誤差。安裝角不完全相同，通過風(fēng)機的氣流流場不均勻，造成風(fēng)機葉片受力不均，也造成風(fēng)機運行工況的不穩(wěn)定，這樣長時間的處于不穩(wěn)定運行狀態(tài)是導(dǎo)致葉片焊縫處疲勞變形的重要原因之一。

2）進出風(fēng)機的風(fēng)在葉片前后存在壓差。在其他條件相同的情況下，其壓差的大小決定于沖角（即進口氣流相對速度的方向與葉片安裝角之差）的大小，在臨界沖角值以內(nèi)，壓差大致與葉片的沖角成正比。在長期壓差的作用下，葉片焊縫處很容易產(chǎn)生變形斷裂。

3）轉(zhuǎn)速高、葉片寬、葉片工作應(yīng)力高。葉輪的比轉(zhuǎn)速?。╪s=28），屬于高壓頭風(fēng)，為保證流動效率、降低噪音，葉片前盤外徑D3=1#8198;860 mm，是葉片外緣直徑（D2=1#8198;650 mm）的1.13倍。前葉片流道較短，流動中的氣流分離現(xiàn)象在所難免。因此，被迫采用較寬的葉片以降低氣流速度，風(fēng)機在1#8198;450 r/mi 的高轉(zhuǎn)速下，由于葉片的加寬，導(dǎo)致葉片工作應(yīng)力相應(yīng)上升，局部受力增大。

4）葉片設(shè)計厚度值太薄。葉片的厚度為4mm，相對于較高的風(fēng)壓，處于全壓狀態(tài)時，較高的轉(zhuǎn)速造成的離心力較大，當(dāng)氣流不穩(wěn)定時，由于流固耦合使風(fēng)機與氣流兩不同介質(zhì)之間的相互作用，固體會在流體載荷作用下會產(chǎn)生變形，使葉片疲勞損壞，從而造成葉片斷裂。

2 葉片運行工況及強度分析

1）葉片設(shè)計參數(shù)與實際工作參數(shù)的對比分析風(fēng)機按最大連續(xù)出力運行時，DCS盤顯示檔板開度約為60%－65%。設(shè)計風(fēng)量為48.17 m3/s，實際風(fēng)量為35 m3/s，為額定風(fēng)量的72.66%。其設(shè)計值均可以滿足達到最大連續(xù)出力時的工作值，表明葉片因不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致風(fēng)機進入旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的可能性很小。

2）葉片應(yīng)力數(shù)學(xué)計算：

由文獻[3]得到旋轉(zhuǎn)葉片的運動方程為：

-[Mc]{δ}+Σ∫v[B]T{δ}dv＝{Qc}+{Qp} （1）

式中：[Mc]——葉片總質(zhì)量矩陣；

#8195;#8195;#8195;{δ}——節(jié)點位移；

#8195;#8195;#8195;{Qc}——葉片的離心力載荷向量；

#8195;#8195;#8195;{Qp}——葉片表面上的氣流力向量。

設(shè)K{δ}＝Σ∫v[B]T{δ}dv，式（1）可改寫為：

（[K]－[Mc]）{δ}＝{Qc}+{Qp} （2）

[K]＝[K0]+[K]

式中：[K]——葉片總剛度矩陣。

其中，[K0]描述了總剛度矩陣的線性部分，即認為構(gòu)件受力時位移很小，剛度矩陣與{δ}無關(guān)，而[K]則描述了總剛度矩陣中與{δ}的非線性部分，因?qū)嶋H構(gòu)件受力時，位移會對總剛度矩陣產(chǎn)生影響，理論上，總剛度矩陣總是非線性的。

由于[K]取決于{δ}，代入式（2）后顯然不能簡單地用線性方程組求解，但該一次風(fēng)機葉片為15MnV材質(zhì)，為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，[K]可忽略不計。因此[K]只取決于[K0]，可簡單的線性求解得出最大應(yīng)力值為95.8 Mpa。由試驗得出葉片最大應(yīng)力點出現(xiàn)在葉片內(nèi)輪轂的根部，根部葉片的厚度應(yīng)為4.15 mm。

3）對葉片焊接質(zhì)量進行分析：由于斷裂出現(xiàn)在焊縫邊緣，因此完全可以排除因焊接質(zhì)量造成的葉片斷裂。

3 結(jié)論及改進措施

綜合以上分析，可以得出以下結(jié)論，并根據(jù)實際情況加以改造。

1）因葉片設(shè)計葉片厚度僅為4 mm。因此，葉片設(shè)計厚度太薄是造成6號爐一次風(fēng)機葉片焊口處斷裂的最主要原因。

葉片的高周期低交變應(yīng)力疲勞在葉片斷裂中也起到了一定的作用。

2）改進措施：①將風(fēng)機葉片進行返廠處理，在葉片根部增設(shè)加強筋，以提高風(fēng)機葉片的強度，防止葉片再次出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；②對于新增設(shè)備，要認真做好設(shè)備的驗收工作，對設(shè)備各項參數(shù)進行校核，以防設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)不可預(yù)料的故障，影響生產(chǎn)；③督促運行人員加強對各臺爐一次風(fēng)機的巡檢工作，加大巡檢力度，發(fā)現(xiàn)振動增大，立即停止設(shè)備及時進行處理，以免造成停爐事故，給企業(yè)帶來不必要的損失。

參考文獻

[1]郭興貴，劉峰，李俠.2023T/H鍋爐一次風(fēng)機葉片斷裂的分析與研究[J].華北電力技術(shù)，2005.

[2]材料力學(xué)[M].北京大學(xué)出版社，2009.

[3]李明達.有限單元法在燃氣渦輪發(fā)動機零件設(shè)計中的應(yīng)用(第一版)[M].北京國防出版社，1987.

作者簡介

任艷嬌（1977—），女，助理工程師，研究方向：火力發(fā)電廠的生產(chǎn)

經(jīng)營。