動葉可調軸流通風機動葉漂移原因分析及預防措施

李海送

江蘇大唐呂四港發電有限責任公司，江蘇 南通 226246

動葉可調軸流通風機動葉漂移原因分析及預防措施

李海送

江蘇大唐呂四港發電有限責任公司，江蘇 南通 226246

針對江蘇大唐呂四港發電有限責任公司4×660MW機組軸流風機在投產后運行期間發生多起動葉漂移，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，避免此類現象的發生。

風機；動葉漂移；失速與喘振

引言

由于動葉可調軸流通風機具有體積小、質量輕、低負荷區域效率較高、調節范圍寬廣、反應速度快等優點，近十年來，國內大型火力發電廠已普遍采用動葉可調軸流通風機。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定區。風機并不是在任何工作點都能穩定運行，當風機工作點移至不穩定區時就有可能引發風機失速及喘振等現象的發生。

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，沖角為零或很小（氣流方向與葉片葉弦的夾角α即為沖角），氣流則繞過機翼型葉片而保持流線平穩的狀態，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渦流區，即所謂“失速”現象，如圖1b所示。沖角α大于臨界值越多，失速現象就越嚴重，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生失速，并非是所有葉片都會同時發生失速，失速可能會發生在一個或幾個區域，該區域內也可能包括一個或多個葉片。由于失速區不是靜止的，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′小于葉片運轉的角速度ω；因此，在絕對運動中，脫流區以Δω=ω′－ω速度旋轉，方向與葉輪旋轉方向相同，這種現象稱為旋轉脫流或旋轉失速。風機進入到不穩定工況區運行時，葉輪內將會產生一個或數個旋轉失速區。葉片每經過一次失速區就會受到一次激振力的作用，從而會使葉片產生共振；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 旋轉脫流工況

1.2 影響沖角大小的因素

通常風機是定轉速運行的，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），風機失速的可能性將會減小甚至消失。同樣，對于動葉可調風機，當風機發生失速時，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。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，以至于在葉頂區域形成旋轉脫流；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脫流。目前，動葉可調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），在此區段運行時有時會出現風機的流量、壓頭（反映在風機驅動電機的電流）的大幅度脈動風機及系統風道都會產生強烈的振動、噪聲顯著增高等不正常工況，一般稱之為“喘振”，這一不穩定工作區稱為喘振區。實際上，喘振僅僅是不穩定工作區內可能遇到的現象，而在該區域內必然要出現的則是旋轉脫流或稱旋轉失速現象。風機喘振的主要表現為風量、出口風壓（電機電流）出現大幅度波動，劇烈振動和異常噪聲。

1.4 失速與喘振的區別及聯系

風機的失速與喘振的發生都是在p-Q性能曲線左側的不穩定區域，所以它們是密切相關的。但是失速與喘振有著本質的區別：失速發生在圖5所示p-Q性能曲線峰值K以左的整個不穩定區域；而喘振只發生在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

旋轉脫流的發生只取決于葉輪本身、葉片結構、進入葉輪的氣流情況等因素，與風道系統的容量、形狀等無關，但卻與風道系統的布置形式有關。失速發生時,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定的,風機可以繼續運行。

當風機發生喘振時，風機的流量、壓力（和功率）產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。所以喘振發生時，風機無法正常運行。

風機在喘振區工作時，流量急劇波動，其氣流產生的撞擊，使風機發生強烈的振動，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性能曲線的不穩定區域內；

（2）風道系統具有足夠大的容積，它與風機組成一個彈性的空氣動力系統；

（3）整個循環的頻率與系統的氣流振蕩頻率合拍時，產生共振。

2.江蘇大唐呂四港發電有限責任公司一期工程送、一次風機運行情況

2.1 送、一次風機主要結構參數

江蘇大唐呂四港發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，其主要參數如表1～2：

表1 送風機主要性能參數

表2 一次風機主要性能參數

2.2 送、一次風機發生動葉漂移情況

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；停風機檢查發現2片葉片不同步（發生漂移），拆除液壓裝置油管路與葉片液壓調節裝置，拆松葉輪與葉片緊固螺栓，將2片不同步的葉片調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；停風機檢查發現1片葉片發生漂移，與其它葉片不同步，調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，檢查發現1A、1B一次風機各有一葉片角度發生漂移，葉片著色探傷檢查未見異常，將葉片角度調整一致。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， 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，檢查發現有兩片葉片發生漂移，并且第二級葉輪滑塊磨損嚴重，更換#3爐3B一次風機轉子（剛從廠家返修后返回現場）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，停風機檢查發現2片葉片發生漂移，不同步的葉片調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，少數葉片調節臂與葉柄之間的鎖緊螺母緊力不夠（設計緊力矩為360Nm），在動葉調整過程中，葉片調節臂與葉柄之間出現滑移，造成個別葉片的角度與其它葉片不同步（即出現漂移現象）。

2.3.2 江蘇大唐呂四港發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，氣候屬于亞熱帶濕潤氣候區，季風環流明顯；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。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，使調整動葉所需的力矩增加，導致個別葉片發生漂移（各葉片鎖緊螺母緊力存在微小差異），甚至出現液壓缸拒動現象（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，調試過程中發現1A、1B送風機動調失靈；2011年7月23日，#2爐停爐檢修后啟動過程中，2B一次風機動調失靈）。另外，調整動葉所需的力矩增加，會大大縮短動葉調整機構的壽命（特別是一次風機，出口風壓高，且調節頻繁）。

3.預防措施

3.1 檢修方面

3.1.1 嚴格檢修、裝配工藝，緊固葉片調節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（因滑塊與滑環之間有少許間隙，手盤動葉能輕微轉動），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，就地派人進行監視，發現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 畢業于河海大學熱能與動力工程專業，工學學士學位。主要從事鍋爐運行、檢修技術管理工作。