動葉可調(diào)軸流通風機動葉漂移原因分析及預防措施

李海送

江蘇大唐呂四港發(fā)電有限責任公司，江蘇 南通 226246

動葉可調(diào)軸流通風機動葉漂移原因分析及預防措施

李海送

江蘇大唐呂四港發(fā)電有限責任公司，江蘇 南通 226246

針對江蘇大唐呂四港發(fā)電有限責任公司4×660MW機組軸流風機在投產(chǎn)后運行期間發(fā)生多起動葉漂移，造成風機失速問題，對失速與喘振的原理以及動葉漂移的成因進行了分析，并提出了相應的預防措施，避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

風機；動葉漂移；失速與喘振

引言

由于動葉可調(diào)軸流通風機具有體積小、質(zhì)量輕、低負荷區(qū)域效率較高、調(diào)節(jié)范圍寬廣、反應速度快等優(yōu)點，近十年來，國內(nèi)大型火力發(fā)電廠已普遍采用動葉可調(diào)軸流通風機。因為軸流通風機具有駝峰形性能曲線這一特點，理論上決定了風機存在不穩(wěn)定區(qū)。風機并不是在任何工作點都能穩(wěn)定運行，當風機工作點移至不穩(wěn)定區(qū)時就有可能引發(fā)風機失速及喘振等現(xiàn)象的發(fā)生。

1.軸流通風機失速與喘振的關系

1.1 失速

目前，一般軸流通風機通常采用高效的扭曲機翼型葉片，當氣流沿葉片進口端流入時，氣流就沿著葉片兩端分成上下兩股，處于正常工況時，沖角為零或很?。饬鞣较蚺c葉片葉弦的夾角α即為沖角），氣流則繞過機翼型葉片而保持流線平穩(wěn)的狀態(tài)，如圖1a所示。當氣流與葉片進口形成正沖角時，即α>0，且此正沖角超過某一臨界值時，葉片背面流動工況則開始惡化，邊界層受到破壞，在葉片背面尾端出現(xiàn)渦流區(qū)，即所謂“失速”現(xiàn)象，如圖1b所示。沖角α大于臨界值越多，失速現(xiàn)象就越嚴重，流體的流動阻力也就越大，嚴重時還會使葉道阻塞，同時風機風壓也會隨之迅速降低。

圖1 氣流沖角的變化及失速的形成

風機的葉片在制造及安裝過程中，由于各種客觀因素的存在，使葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角，因此當運行工況變化而使流動方向發(fā)生偏離時，在各個葉片進口的沖角就不可能完全相同。當某一葉片進口處的沖角α達到臨界值時，就可能首先在該葉片上發(fā)生失速，并非是所有葉片都會同時發(fā)生失速，失速可能會發(fā)生在一個或幾個區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)也可能包括一個或多個葉片。由于失速區(qū)不是靜止的，它會從一個葉片向另一個葉片或一組葉片擴散，如圖2所示。假定產(chǎn)生的流動阻塞首先從葉道23開始，其部分氣流只能分別流進葉道12和34,使葉道12的氣流沖角減小,葉道34的沖角增大,以至于葉道34也發(fā)生阻塞,并逐個向葉道45、56……傳播,如圖2所示。試驗表明：脫流的傳播速度ω′小于葉片運轉(zhuǎn)的角速度ω；因此，在絕對運動中，脫流區(qū)以Δω=ω′－ω速度旋轉(zhuǎn)，方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)脫流或旋轉(zhuǎn)失速。風機進入到不穩(wěn)定工況區(qū)運行時，葉輪內(nèi)將會產(chǎn)生一個或數(shù)個旋轉(zhuǎn)失速區(qū)。葉片每經(jīng)過一次失速區(qū)就會受到一次激振力的作用，從而會使葉片產(chǎn)生共振；此時，葉片的動應力增加，嚴重時還會導致風機葉片斷裂，造成設備重大損毀事故。

圖2 旋轉(zhuǎn)脫流工況

1.2 影響沖角大小的因素

通常風機是定轉(zhuǎn)速運行的，即葉片周向線速度可以看作是一定值，這樣影響葉片沖角大小的因素就是氣流速度與葉片的安裝角。

圖3 進氣速度及葉片角度對沖角的影響

由圖3可看出，當葉片安裝角β（圖3中虛線代表的角度）一定時，如果氣流速度c越小，則沖角α（圖3中虛線與相對速度w的夾角）就越大，產(chǎn)生失速的可能性也就越大。

當氣流速度c一定時，如果葉片安裝角β減小，則沖角α也減小；當氣流速度c很小時，只要葉片安裝角β很小，氣流沖角α也很小。因此，當風機剛剛啟動或低負荷運行時（前提是管道的進、出口風門此時應處于全開狀態(tài)），風機失速的可能性將會減小甚至消失。同樣，對于動葉可調(diào)風機，當風機發(fā)生失速時，關小失速風機的動葉角度，可以減小氣流的沖角，從而使風機逐步擺脫失速狀態(tài)。當然，還可以明顯地看出，對于葉片高度方向而言，線速度u是沿葉片高度方向逐漸增大的，在氣流速度c一定的情況下，沖角α會隨著葉片高度方向逐漸增大，以至于在葉頂區(qū)域形成旋轉(zhuǎn)脫流；因此，隨著葉片高度的方向逐漸減小，葉片安裝角β可以避免因葉高引起的旋轉(zhuǎn)脫流。目前，動葉可調(diào)軸流風機常用的扭曲葉片就是基于這個道理（見圖4）。

圖4 葉頂與葉根的速度三角形

1.3 喘振

一般軸流通風機性能曲線的左半部，都存在一個馬鞍形的區(qū)域（這是風機的固有特性，但軸流通風機相對比較敏感），在此區(qū)段運行時有時會出現(xiàn)風機的流量、壓頭（反映在風機驅(qū)動電機的電流）的大幅度脈動風機及系統(tǒng)風道都會產(chǎn)生強烈的振動、噪聲顯著增高等不正常工況，一般稱之為“喘振”，這一不穩(wěn)定工作區(qū)稱為喘振區(qū)。實際上，喘振僅僅是不穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)可能遇到的現(xiàn)象，而在該區(qū)域內(nèi)必然要出現(xiàn)的則是旋轉(zhuǎn)脫流或稱旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。風機喘振的主要表現(xiàn)為風量、出口風壓（電機電流）出現(xiàn)大幅度波動，劇烈振動和異常噪聲。

1.4 失速與喘振的區(qū)別及聯(lián)系

風機的失速與喘振的發(fā)生都是在p-Q性能曲線左側(cè)的不穩(wěn)定區(qū)域，所以它們是密切相關的。但是失速與喘振有著本質(zhì)的區(qū)別：失速發(fā)生在圖5所示p-Q性能曲線峰值K以左的整個不穩(wěn)定區(qū)域；而喘振只發(fā)生在p-Q性能曲線向右上方的傾斜部分，其壓力降低是失速造成的，可以說失速是喘振發(fā)生的根本誘因。

圖5 風機的p-Q性能曲線與風道特性曲線

旋轉(zhuǎn)脫流的發(fā)生只取決于葉輪本身、葉片結(jié)構(gòu)、進入葉輪的氣流情況等因素，與風道系統(tǒng)的容量、形狀等無關，但卻與風道系統(tǒng)的布置形式有關。失速發(fā)生時,盡管葉輪附近的工況有波動,但風機的流量、壓力和功率是基本穩(wěn)定的,風機可以繼續(xù)運行。

當風機發(fā)生喘振時，風機的流量、壓力（和功率）產(chǎn)生脈動或大幅度的脈動，同時伴有非常明顯的噪聲，喘振時的振動有時是很劇烈的，能損壞風機與管道系統(tǒng)。所以喘振發(fā)生時，風機無法正常運行。

風機在喘振區(qū)工作時，流量急劇波動，其氣流產(chǎn)生的撞擊，使風機發(fā)生強烈的振動，噪聲增大，而且風壓不斷變化，風機的容量與壓頭越大，則喘振的危害性越大，故風機產(chǎn)生喘振應具備下述條件：

（1）機的工作點落在具有駝峰形p-Q性能曲線的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)；

（2）風道系統(tǒng)具有足夠大的容積，它與風機組成一個彈性的空氣動力系統(tǒng)；

（3）整個循環(huán)的頻率與系統(tǒng)的氣流振蕩頻率合拍時，產(chǎn)生共振。

2.江蘇大唐呂四港發(fā)電有限責任公司一期工程送、一次風機運行情況

2.1 送、一次風機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

江蘇大唐呂四港發(fā)電有限責任公司一期工程送、一次風機由上海鼓風機廠有限公司設計制造，其主要參數(shù)如表1～2：

表1 送風機主要性能參數(shù)

表2 一次風機主要性能參數(shù)

2.2 送、一次風機發(fā)生動葉漂移情況

2.2.1 #1爐1B送風機

2010年05 月11日18時至12日08時，降負荷至350MW，#1爐1B送風機振動大，電流擺動；停風機檢查發(fā)現(xiàn)2片葉片不同步（發(fā)生漂移），拆除液壓裝置油管路與葉片液壓調(diào)節(jié)裝置，拆松葉輪與葉片緊固螺栓，將2片不同步的葉片調(diào)整到與其他葉片安裝角度一致后，對稱用緊固葉柄螺栓（擰緊力矩為360Nm）。開機運行后振動正常。

2.2.2 #1爐1A送風機

2010年05 月12日18時至13日08時，降負荷至350MW，#1爐A送風機振動大，電流擺動；停風機檢查發(fā)現(xiàn)1片葉片發(fā)生漂移，與其它葉片不同步，調(diào)整到與其他葉片安裝角度一致，開機運行后振動正常。

2.2.3 #1爐1A、1B一次風機

運行期間，#1爐1A、1B一次風機軸承振動大，并伴有異音；2010年7月24日至29日，#1機組停機檢修期間，檢查發(fā)現(xiàn)1A、1B一次風機各有一葉片角度發(fā)生漂移，葉片著色探傷檢查未見異常，將葉片角度調(diào)整一致。開機運行后振動正常。

2.2.4 #1爐1B一次風機

#1爐1B一次風機振動運行中振動一直偏大，并有緩慢上升趨勢，振動值在8mm/s以內(nèi)， 2月14日00時左右，#1爐1B一次風機Y向振動增大到10mm/s 以上，振動持續(xù)8-10mm/s擺動，最大值到14.8mm/s，2月14日04:21分，1B一次風機停運，檢查發(fā)現(xiàn)有兩片葉片發(fā)生漂移，并且第二級葉輪滑塊磨損嚴重，更換#3爐3B一次風機轉(zhuǎn)子（剛從廠家返修后返回現(xiàn)場）后啟動正常。

2.2.5 #2爐2A送風機

2011年7 月23日，#2爐停爐檢修后啟動過程中，2A送風機軸承振動異常，電流擺動，并伴有異音，停風機檢查發(fā)現(xiàn)2片葉片發(fā)生漂移，不同步的葉片調(diào)整到與其他葉片安裝角度一致后，運行正常。

2.3 原因分析

2.3.1 葉輪裝配過程中，少數(shù)葉片調(diào)節(jié)臂與葉柄之間的鎖緊螺母緊力不夠（設計緊力矩為360Nm），在動葉調(diào)整過程中，葉片調(diào)節(jié)臂與葉柄之間出現(xiàn)滑移，造成個別葉片的角度與其它葉片不同步（即出現(xiàn)漂移現(xiàn)象）。

2.3.2 江蘇大唐呂四港發(fā)電有限責任公司建設用地為圍灘造地，從陸地大堤往海里延伸3.47公里，氣候?qū)儆趤啛釒駶櫄夂騾^(qū)，季風環(huán)流明顯；夏季受東南海洋季風影響，天氣炎熱多雨，濕度較高，平均相對濕度81%，屬高鹽霧區(qū)。在機組停運期間，風機動葉和靜葉長時間保持不動，鹽分及灰份易在動葉片根部沉積、凝結(jié)，使調(diào)整動葉所需的力矩增加，導致個別葉片發(fā)生漂移（各葉片鎖緊螺母緊力存在微小差異），甚至出現(xiàn)液壓缸拒動現(xiàn)象（動葉卡死，液壓缸動力不夠；2011年05月04日至06月25日#1機組中修后期，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)1A、1B送風機動調(diào)失靈；2011年7月23日，#2爐停爐檢修后啟動過程中，2B一次風機動調(diào)失靈）。另外，調(diào)整動葉所需的力矩增加，會大大縮短動葉調(diào)整機構(gòu)的壽命（特別是一次風機，出口風壓高，且調(diào)節(jié)頻繁）。

3.預防措施

3.1 檢修方面

3.1.1 嚴格檢修、裝配工藝，緊固葉片調(diào)節(jié)臂與葉柄之間的鎖緊螺栓時，要使用力矩扳手，保證各葉片鎖緊螺母緊力一致。

3.1.2 機組檢修或備用期間，對動葉片進行認真檢查；用手盤動葉片，如絲毫不動（因滑塊與滑環(huán)之間有少許間隙，手盤動葉能輕微轉(zhuǎn)動），則要對動葉片根部與輪轂接合處進行檢查、清理，必要時將葉片全部拆下來清理，并加7014潤滑脂，然后將葉片復。

3.2 運行方面

3.2.1 停爐期間，送風機、一次風機油泵無檢修工作時，保持運行。

3.2.2 機組檢修或備用期間，送風機、一次風機動葉每兩天進行一次全行程傳動，就地派人進行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)機械指示不動或指令反饋異常時，及時通知檢修處理，傳動結(jié)果在機組長日志中進行記錄。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.068

李海送（1970—）男 畢業(yè)于河海大學熱能與動力工程專業(yè)，工學學士學位。主要從事鍋爐運行、檢修技術(shù)管理工作。