动叶可调轴流通风机动叶漂移原因分析及预防措施

李海送

江苏大唐吕四港发电有限责任公司，江苏 南通 226246

动叶可调轴流通风机动叶漂移原因分析及预防措施

李海送

江苏大唐吕四港发电有限责任公司，江苏 南通 226246

针对江苏大唐吕四港发电有限责任公司4×660MW机组轴流风机在投产后运行期间发生多起动叶漂移，造成风机失速问题，对失速与喘振的原理以及动叶漂移的成因进行了分析，并提出了相应的预防措施，避免此类现象的发生。

风机；动叶漂移；失速与喘振

引言

由于动叶可调轴流通风机具有体积小、质量轻、低负荷区域效率较高、调节范围宽广、反应速度快等优点，近十年来，国内大型火力发电厂已普遍采用动叶可调轴流通风机。因为轴流通风机具有驼峰形性能曲线这一特点，理论上决定了风机存在不稳定区。风机并不是在任何工作点都能稳定运行，当风机工作点移至不稳定区时就有可能引发风机失速及喘振等现象的发生。

1.轴流通风机失速与喘振的关系

1.1 失速

目前，一般轴流通风机通常采用高效的扭曲机翼型叶片，当气流沿叶片进口端流入时，气流就沿着叶片两端分成上下两股，处于正常工况时，冲角为零或很小（气流方向与叶片叶弦的夹角α即为冲角），气流则绕过机翼型叶片而保持流线平稳的状态，如图1a所示。当气流与叶片进口形成正冲角时，即α>0，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况则开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，即所谓“失速”现象，如图1b所示。冲角α大于临界值越多，失速现象就越严重，流体的流动阻力也就越大，严重时还会使叶道阻塞，同时风机风压也会随之迅速降低。

图1 气流冲角的变化及失速的形成

风机的叶片在制造及安装过程中，由于各种客观因素的存在，使叶片不可能有完全相同的形状和安装角，因此当运行工况变化而使流动方向发生偏离时，在各个叶片进口的冲角就不可能完全相同。当某一叶片进口处的冲角α达到临界值时，就可能首先在该叶片上发生失速，并非是所有叶片都会同时发生失速，失速可能会发生在一个或几个区域，该区域内也可能包括一个或多个叶片。由于失速区不是静止的，它会从一个叶片向另一个叶片或一组叶片扩散，如图2所示。假定产生的流动阻塞首先从叶道23开始，其部分气流只能分别流进叶道12和34,使叶道12的气流冲角减小,叶道34的冲角增大,以至于叶道34也发生阻塞,并逐个向叶道45、56……传播,如图2所示。试验表明：脱流的传播速度ω′小于叶片运转的角速度ω；因此，在绝对运动中，脱流区以Δω=ω′－ω速度旋转，方向与叶轮旋转方向相同，这种现象称为旋转脱流或旋转失速。风机进入到不稳定工况区运行时，叶轮内将会产生一个或数个旋转失速区。叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而会使叶片产生共振；此时，叶片的动应力增加，严重时还会导致风机叶片断裂，造成设备重大损毁事故。

图2 旋转脱流工况

1.2 影响冲角大小的因素

通常风机是定转速运行的，即叶片周向线速度可以看作是一定值，这样影响叶片冲角大小的因素就是气流速度与叶片的安装角。

图3 进气速度及叶片角度对冲角的影响

由图3可看出，当叶片安装角β（图3中虚线代表的角度）一定时，如果气流速度c越小，则冲角α（图3中虚线与相对速度w的夹角）就越大，产生失速的可能性也就越大。

当气流速度c一定时，如果叶片安装角β减小，则冲角α也减小；当气流速度c很小时，只要叶片安装角β很小，气流冲角α也很小。因此，当风机刚刚启动或低负荷运行时（前提是管道的进、出口风门此时应处于全开状态），风机失速的可能性将会减小甚至消失。同样，对于动叶可调风机，当风机发生失速时，关小失速风机的动叶角度，可以减小气流的冲角，从而使风机逐步摆脱失速状态。当然，还可以明显地看出，对于叶片高度方向而言，线速度u是沿叶片高度方向逐渐增大的，在气流速度c一定的情况下，冲角α会随着叶片高度方向逐渐增大，以至于在叶顶区域形成旋转脱流；因此，随着叶片高度的方向逐渐减小，叶片安装角β可以避免因叶高引起的旋转脱流。目前，动叶可调轴流风机常用的扭曲叶片就是基于这个道理（见图4）。

图4 叶顶与叶根的速度三角形

1.3 喘振

一般轴流通风机性能曲线的左半部，都存在一个马鞍形的区域（这是风机的固有特性，但轴流通风机相对比较敏感），在此区段运行时有时会出现风机的流量、压头（反映在风机驱动电机的电流）的大幅度脉动风机及系统风道都会产生强烈的振动、噪声显著增高等不正常工况，一般称之为“喘振”，这一不稳定工作区称为喘振区。实际上，喘振仅仅是不稳定工作区内可能遇到的现象，而在该区域内必然要出现的则是旋转脱流或称旋转失速现象。风机喘振的主要表现为风量、出口风压（电机电流）出现大幅度波动，剧烈振动和异常噪声。

1.4 失速与喘振的区别及联系

风机的失速与喘振的发生都是在p-Q性能曲线左侧的不稳定区域，所以它们是密切相关的。但是失速与喘振有着本质的区别：失速发生在图5所示p-Q性能曲线峰值K以左的整个不稳定区域；而喘振只发生在p-Q性能曲线向右上方的倾斜部分，其压力降低是失速造成的，可以说失速是喘振发生的根本诱因。

图5 风机的p-Q性能曲线与风道特性曲线

旋转脱流的发生只取决于叶轮本身、叶片结构、进入叶轮的气流情况等因素，与风道系统的容量、形状等无关，但却与风道系统的布置形式有关。失速发生时,尽管叶轮附近的工况有波动,但风机的流量、压力和功率是基本稳定的,风机可以继续运行。

当风机发生喘振时，风机的流量、压力（和功率）产生脉动或大幅度的脉动，同时伴有非常明显的噪声，喘振时的振动有时是很剧烈的，能损坏风机与管道系统。所以喘振发生时，风机无法正常运行。

风机在喘振区工作时，流量急剧波动，其气流产生的撞击，使风机发生强烈的振动，噪声增大，而且风压不断变化，风机的容量与压头越大，则喘振的危害性越大，故风机产生喘振应具备下述条件：

（1）机的工作点落在具有驼峰形p-Q性能曲线的不稳定区域内；

（2）风道系统具有足够大的容积，它与风机组成一个弹性的空气动力系统；

（3）整个循环的频率与系统的气流振荡频率合拍时，产生共振。

2.江苏大唐吕四港发电有限责任公司一期工程送、一次风机运行情况

2.1 送、一次风机主要结构参数

江苏大唐吕四港发电有限责任公司一期工程送、一次风机由上海鼓风机厂有限公司设计制造，其主要参数如表1～2：

表1 送风机主要性能参数

表2 一次风机主要性能参数

2.2 送、一次风机发生动叶漂移情况

2.2.1 #1炉1B送风机

2010年05 月11日18时至12日08时，降负荷至350MW，#1炉1B送风机振动大，电流摆动；停风机检查发现2片叶片不同步（发生漂移），拆除液压装置油管路与叶片液压调节装置，拆松叶轮与叶片紧固螺栓，将2片不同步的叶片调整到与其他叶片安装角度一致后，对称用紧固叶柄螺栓（拧紧力矩为360Nm）。开机运行后振动正常。

2.2.2 #1炉1A送风机

2010年05 月12日18时至13日08时，降负荷至350MW，#1炉A送风机振动大，电流摆动；停风机检查发现1片叶片发生漂移，与其它叶片不同步，调整到与其他叶片安装角度一致，开机运行后振动正常。

2.2.3 #1炉1A、1B一次风机

运行期间，#1炉1A、1B一次风机轴承振动大，并伴有异音；2010年7月24日至29日，#1机组停机检修期间，检查发现1A、1B一次风机各有一叶片角度发生漂移，叶片着色探伤检查未见异常，将叶片角度调整一致。开机运行后振动正常。

2.2.4 #1炉1B一次风机

#1炉1B一次风机振动运行中振动一直偏大，并有缓慢上升趋势，振动值在8mm/s以内， 2月14日00时左右，#1炉1B一次风机Y向振动增大到10mm/s 以上，振动持续8-10mm/s摆动，最大值到14.8mm/s，2月14日04:21分，1B一次风机停运，检查发现有两片叶片发生漂移，并且第二级叶轮滑块磨损严重，更换#3炉3B一次风机转子（刚从厂家返修后返回现场）后启动正常。

2.2.5 #2炉2A送风机

2011年7 月23日，#2炉停炉检修后启动过程中，2A送风机轴承振动异常，电流摆动，并伴有异音，停风机检查发现2片叶片发生漂移，不同步的叶片调整到与其他叶片安装角度一致后，运行正常。

2.3 原因分析

2.3.1 叶轮装配过程中，少数叶片调节臂与叶柄之间的锁紧螺母紧力不够（设计紧力矩为360Nm），在动叶调整过程中，叶片调节臂与叶柄之间出现滑移，造成个别叶片的角度与其它叶片不同步（即出现漂移现象）。

2.3.2 江苏大唐吕四港发电有限责任公司建设用地为围滩造地，从陆地大堤往海里延伸3.47公里，气候属于亚热带湿润气候区，季风环流明显；夏季受东南海洋季风影响，天气炎热多雨，湿度较高，平均相对湿度81%，属高盐雾区。在机组停运期间，风机动叶和静叶长时间保持不动，盐分及灰份易在动叶片根部沉积、凝结，使调整动叶所需的力矩增加，导致个别叶片发生漂移（各叶片锁紧螺母紧力存在微小差异），甚至出现液压缸拒动现象（动叶卡死，液压缸动力不够；2011年05月04日至06月25日#1机组中修后期，调试过程中发现1A、1B送风机动调失灵；2011年7月23日，#2炉停炉检修后启动过程中，2B一次风机动调失灵）。另外，调整动叶所需的力矩增加，会大大缩短动叶调整机构的寿命（特别是一次风机，出口风压高，且调节频繁）。

3.预防措施

3.1 检修方面

3.1.1 严格检修、装配工艺，紧固叶片调节臂与叶柄之间的锁紧螺栓时，要使用力矩扳手，保证各叶片锁紧螺母紧力一致。

3.1.2 机组检修或备用期间，对动叶片进行认真检查；用手盘动叶片，如丝毫不动（因滑块与滑环之间有少许间隙，手盘动叶能轻微转动），则要对动叶片根部与轮毂接合处进行检查、清理，必要时将叶片全部拆下来清理，并加7014润滑脂，然后将叶片复。

3.2 运行方面

3.2.1 停炉期间，送风机、一次风机油泵无检修工作时，保持运行。

3.2.2 机组检修或备用期间，送风机、一次风机动叶每两天进行一次全行程传动，就地派人进行监视，发现机械指示不动或指令反馈异常时，及时通知检修处理，传动结果在机组长日志中进行记录。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.068

李海送（1970—）男 毕业于河海大学热能与动力工程专业，工学学士学位。主要从事锅炉运行、检修技术管理工作。