風機葉片斷裂分析

左傳鴻

【摘 要】論文從風機運行工況、葉片的結構設計以及葉片受力、氣流等方面產生斷裂的原因進行了分析，并提出相應的解決方案。結果表明，葉片的斷裂模式為振動疲勞。另外一次風機是火力發電廠鍋爐風煙系統的主要輔機設備，它的安全運行可靠性影響到火力發電廠安全生產的經濟性。

【Abstract】This paper analyzes the causes of the fracture from the operating conditions， the structure design of the blades and the force and air flow， and puts forward the corresponding solutions. The results show that the fracture mode of the blade is vibration fatigue， and the large axial fan is the main auxiliary machine of the thermal power plant. Its safety and reliability are directly related to the safe and economical operation of the power plant.

【關鍵詞】風機葉片；斷裂；安全生產

【Keywords】fan blade； fracture； safety production

【中圖分類號】TH43 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0185-02

1 引言

某發電廠No1、No2鍋爐均為連續蒸發量為1030t/h的超高壓一次中間再熱控制循環燃煤鍋爐，發電機組單機容量為300MW。為此，就一次風機葉片斷裂原因進行分析，以在日常工作中實現風機的長期安全經濟運行。

2 葉片斷裂的基本分析情況

第一，經檢查葉片斷裂處裂紋，在葉片進氣側與葉輪中盤焊縫（靠近焊縫邊緣上），裂紋起始擴展方向與葉片和中盤的焊縫方向不是平行的，而是以一定弧度（逐漸大于20°）向葉片內延伸，呈半橢圓形狀，向葉片內延伸長度220mm[1]。第二，葉片進氣側與側盤產生裂紋，使葉片產生彎曲，在離心力作用下，造成葉片通流堵塞，造成失衡振動。第三，斷裂的葉片經過材質檢測沒有發現缺陷，外觀平整光滑，無雜物碰擊痕跡。第四，斷裂處的葉片經校正后重新施焊，焊接完成后，焊縫檢測完好，沒有明顯的塑性變形跡象。第五，從葉片斷裂處觀看：根部焊接處表面有不明顯裂紋，但表面平整光滑，長約25～35mm，屬葉片非工作面的承彎拉力側造成的。1/3部分色深、光滑，相反靠近葉片工作面的2/3斷面色淺淡，呈均勻點粒狀。第六，風機平時運行中，軸承振動一直保持在0.03mm以下。振動突然增到0.09mm，葉片斷裂沒有任何前兆提示，更為突出的是No1風機葉片裂紋已達220mm，但風機振動值并無明顯變化。第七， 葉片進口端兩側（與中盤與側盤焊縫處）有大尺寸的三角形工藝缺口結構存在。

以上情況是我們進行診斷和研究工作的基礎依據。

3 葉片靜強度與靜力工況

3.1 葉片強度核算結果

由于缺少葉片的詳細尺寸，我們可進行對比性的參照研究。如一臺風機ns=35、D2=1716mm、n=1480r/min、工作溫度t=70℃、葉片厚度δ=6mm、材料為蘇聯ct3（相當于我國Q235和20號鋼）。

3.2 焊接及熱處理

葉輪葉片與中間輪盤（側盤）的焊接坡口采用單面坡口，填充飽滿不咬邊，熔合焊透即可。而我廠一次風機葉片厚度δ=6mm，葉片材質為普通低合金鋼，風機葉片較長（即（D2- D1）/2的數值較大），葉片焊縫的工作條件更趨安全。事實上，在葉片斷裂的過程中，該焊縫經受住了嚴酷條件的考驗而安然無恙。

葉片焊接過程中，在金屬母材與熔化金屬之間，存在著高溫度梯度（1200～720℃）和短距離熱傳遞（6～8mm）。冷卻速度差異甚大，金相組織變化多樣的低強度區域。這種強度低于焊縫和母材的晶粒粗大區域，是最易發生斷裂失效的薄弱點和突破口，我們應當看到這是一種正常的自然規律。

我們發現：從葉片裂紋的擴展方向來看，是立即以實測角度21.78°轉向葉片母材本身擴展。如果我們通過焊前預熱，控制電流和焊序，進行氣體保護和保溫熱處理，使熱影響區的強度恢復或保持到葉片母材的水平，最后也是無濟于事，避免不了葉片斷裂。

我們的著重點應是去尋找那些足以造成葉片斷裂的原因和斷裂機理。

4 葉片靜應力斷裂的可能性

葉片設計中靜強度的裕度很大（400/97.5=4.1），屈服強度設計相當保守。

三角形工藝缺口是產生高度應力集中的最大不利因素。由于靜應力過高導致的葉片斷裂，一般是即時發生而并非延時發生的，即所需時間甚短。No1鍋爐一次風機運行11個月葉片才斷裂，而No2鍋爐一次風機運行17個月以上葉片并未斷裂。

葉片為（材料為15MnV）具有一定延展性能的塑性材料。在靜拉力的作用下，其延伸率為δ5=18%。在靜力破壞下，必定在斷口處存在明顯的宏觀塑性變形特征。而我廠現場實際情況恰好與此相反。

5 斷裂分類和特征剖析

5.1 脆性斷裂

從裂紋斷面看，沒有明顯的變形和彎曲，一般當斷面收縮率在5%以下時即可判斷脆斷。從葉片校正后的焊縫間隙吻合情況和葉片斷裂前沒有絲毫異常來看，斷裂的類型顯然屬于延性斷裂。

5.2 交變應力疲勞

實踐表明：脆斷均屬于疲勞破壞或低于屈服極限。從葉片斷裂的裂紋和形狀走向（半橢圓形）看，斷前無明顯塑性變形，明顯存在內部缺陷部位的應力集中引發斷裂，特征綜合表明為交變應力疲勞斷裂。endprint

5.3 高周期疲勞

高周期疲勞是破壞循環次數的高低，疲勞破壞應力和應變時呈現周期性變化。依據風機轉速1490rpm和交變載荷在運行11個月計算可知，交變循環周期遠大于高、低兩周期的界限值，由此判斷為高周期疲勞，而高周期疲勞的基本特征為低應力破壞，吻合了上述判斷。

5.4 低周期疲勞

低周期疲勞與高周期疲勞不同在于，低周期疲勞系反復材料塑性應變的高應力疲勞破壞，交變應力的頻率極低，不可能在發電廠風機運行中出現，另外低周期疲勞的循環次數一般低于103～104。

總之，高周期低交變應力下會造成葉片疲勞斷裂。

6 風機內氣流脈動

第一，風機內氣流脈動屬客觀存在。①No1鍋爐一次風機試運中，曾測得31.5Hz的氣流頻率。②同次試驗中曾出現No2一次風機因錯誤操作發生明顯的風機喘振現象。風機入口消音器前出現氣流尖叫聲。機殼和地面震顫，主軸封處大進氣、大出氣，密封鋁片變形損壞的現象，歷時約1分鐘。③前彎葉片與后彎葉片離心式風機相比較，前彎葉片風機的壓力曲線在低負荷運行時，低流量區域內會存在馬鞍形不穩定區。風機在高阻力、低流量區域內或低負荷擋板開度小，都會發生風機旋轉失速，這是不可避免的現象。第二，經多次的試驗研究證明：氣流在不同運行方式下產生脈動氣流會引起葉輪交變應力幅值，這與風機入口擋板開度值呈相反變化。因此在設備運行中調整擋板開度會減少葉輪交變應力。一般情況下，擋板開度30%～40%及以下是最有害的開度值。第三，造成葉片或其他機構斷裂的脈動應力值很小，往往與工作靜應力相比，占比例值極低，減小脈動應力可以保證安全運行時間更長。

7 增大風機入口擋板門運行開度的若干建議方法

控制風機入口調節擋板，使之運行時開度在45%以上，則可以大幅度提高運行可靠性。第一，增大風機比轉速ns。更換新風機則投資大，工期很長，可行性差，不太現實，可通過風機的局部改進提高ns，在一定程度上改善了風機匹配的合理性，也在一定程度上降低節流損失和運行電流，提高了風機運行的氣流穩定性。第二，采用轉速調節。低轉速運行時，壓力比流量下降更快，因而使風機比轉速增加匹配改善。擋板門全開后截流損失減少，風機效率提高，電耗減少。

采用液力耦合器，但液力耦合器傳動效率太低，滑差損失大，基礎變化大，風機找正時工作量更大些，需用新的水源。最好加裝變頻裝置，變頻裝置既能提高風機效率，又能節電降耗，機械部分無須改造。但變頻裝置技術可靠性需要很好地了解和掌握，需用函數發生器來控制變速——定速的轉換調節過程。缺點是投資很高，維護工作由專人進行，低負荷時電動機發熱，影響電動機壽命，還有可能存在避免扭轉振動問題。

8 結語

我廠No1鍋爐一次風機葉片斷裂的根本原因是高周期低交變應力疲勞。在風機設計選型中，負荷量過大，鍋爐在低負荷下，風機容易產生喘振，長期處于不穩定狀態。針對葉片斷裂而言，無前者則葉片肯定不會斷裂，無后者則葉片可能不會斷裂，前者居主，后者居次。

【參考文獻】

【1】成大先.機械設計手冊（第三版）[M].北京：化學工業出版社，1993.endprint