鼓风机导叶开度调节机构的缺陷及改进

蒋宇红

（上海华谊(集团)公司)

0 概述

6000 t/a丙烯酸氧化反应工业试验装置中，选用了杭州杭氧透平机械有限公司制造的ITYC43型离心式鼓风机机组，其主要技术参数如表1所示。

鼓风机导叶开度调节机构参数如表2所示。

表1 ITYC43型鼓风机参数

表2 导叶开度调节机构参数

鼓风机组的用途是将空气输送至氧化反应器。在氧化反应器中，空气与丙烯在高温和催化剂的作用下，生成丙烯酸。进入氧化反应器的空气和丙烯，其摩尔比是严格控制的。如果摩尔比失调，将可能导致丙烯进入爆炸极限范围，甚至产生严重的后果。因此，精确地控制进氧化反应器的空气量是至关重要的。

在试车时，鼓风机组的导叶刚开启和将关闭时，导叶开度调节机构出现严重的滞后现象，特别是叶片旋转到 0°～20°或 90°～70°时，导叶开度在这两个区域出现 “死区”。在该 “死区”，DCS仪表显示的开度与机组导叶实际的开度相差甚大，并出现了空气量猛增或猛减的突变。这样就不能准确控制空气流量，给正常操作带来极大困难，并将直接威胁装置的安全生产。

本文对导叶开度调节机构在导叶旋转区域出现“死区”和调节滞后问题进行了分析，并提出了改造方案，以确保试验装置如期安全开车。

1 导叶开度调节机构的运动与受力分析

1.1 导叶开度调节机构的基本结构

鼓风机导叶是根据气流预旋原理设计的，当叶轮进口前气流顺或逆叶轮旋转方向旋转时，可相应地使压力减小或增大，从而使工况范围扩大，以适应一定范围内变工况的需要。当导叶处于全关时，可实现空载起动，以减小鼓风机起动阻力矩。导叶开度调节机构可对导叶的开度进行调整，以达到调节风量的目的。该导叶开度调节机构由长执行机构（活塞杆组件）、柱销、转柄、转环、球铰链和导向叶片等部件组成，导叶装置结构如图1所示。

图1 导叶装置结构

该导叶装置装有11片可同步转动的导向叶片，每个导向叶片的小轴由轴承套支承，通过球铰链与转环相连接。长执行机构通过转柄带动转环转动，从而使所有的导向叶片同步旋转，达到调节气量的目的。球铰链连接导叶的结构如图2所示。

图2 球铰链连接导叶结构

在理论上，导叶开度α与长执行机构位移L应符合表3中的数值关系。

将表3中α与L的对应数值关系转化为曲线（见图3）就可以看出，导叶开度α与长执行机构位移L呈线性关系，即没有突变，只有这样才能保证导叶开度调节的连续性。

表3 导叶开度α与长执行机构位移L的关系

图3 导叶开度与长执行机构位移的对应关系

由表3数据可以计算出导叶开度变化量（Δα）与长执行机构位移变化量(ΔL)的对应关系，见表4。

从表4可以看出，当DCS发出指令导叶从全关位置开启时，长执行机构开始位移，即当位移量达到6.27 mm时，导叶应该从0°旋转到10°。同理，长执行机构继续位移，当位移量再增加8.27 mm时，导叶应该从10°旋转到20°。但实际上，在DCS发出指令后，导叶的旋转角度并未达到指令的要求，相应地转到10°和20°位置，而是出现了严重的滞后现象。DCS仪表显示的导叶开度与机组导叶实际的开度相差甚大，其原因主要是长执行机构的运动出现了问题。

表4 导叶开度变化量与长执行机构位移变化量的对应关系

1.2 长执行机构理想运动轨迹

DCS输出信号后，长执行机构开始工作，即活塞在缸体内运动，同时带动活塞杆运动，活塞杆带动转柄转动。图4是长执行机构中活塞、活塞杆的行程示意图。

图4 活塞和活塞杆的行程

活塞杆、柱销、转柄的运动和几何关系如图5所示。由图5可见，转柄的左右极限位置为oa、oc，转柄轴线与垂直线间的夹角α为转柄的摆动角，在极限位置摆动角最大。取三个特殊点：点a、点b、点c。活塞杆的运动轨迹变化为aa′→bb′→cc′，其最大行程是 ac=a′c′=100 mm。 当活塞杆运动从aa′→bb′→cc′时，转柄作摆动，其位置变化从oa→ob→oc，最大摆动幅度是2α=100°；同时，柱销中心点位置变化从点a→点b→点c，柱销位移，柱销的水平方向移动距离是ac=2Rsinα，式中R为转动中心O到柱销极限位置中心距离。

上述运动轨迹与几何变化都是理想状态，即在活塞杆的往复直线运动中，各零部件运动副间的摩擦忽略不计，同时，活塞杆有足够的刚度，不产生弯曲变形。

图5 活塞杆、柱销、转柄的运动和几何关系

1.3 长执行机构实际运动与受力分析

（1）导叶开度由全关慢慢开启时，活塞杆推力P由零增加到某一数值，推力P通过活塞杆传递给柱销后，作用在柱销上的力P被分解为两个力Pn、Pr，如图6所示。其中

图6 柱销受力图

切向力Pr作用在柱销中心所在的圆周的切线方向，通过柱销推动转柄转动。Pr作用所产生的力矩Pr×R为有效力矩，只有当Pr×R大于阻力矩M0时，才能使转柄转动。θ为压力角，随着转柄的转动，压力角θ是不断变化的。

在起始位置oa，当Pr×R不足以克服阻力矩M0时，长执行机构未使转柄发生转动，但推力P在不断地增大。由于活塞杆不具有足够的刚度，随着推力P的增加，活塞杆丧失其原有直线平衡状态，发生变形，成为不稳定的挠曲线状态，即活塞杆直线状态变为微弯状态。这时在Pn作用下，柱销和活塞杆端部沿着转柄内滑槽向上滑移，其垂直方向的位移为Δy，如图7所示。

图7 活塞杆微变形

这一位移量Δy可通过活塞杆的挠曲线方程进行求解 （本文从略）。

（2）随着活塞杆推力P的增加，转柄从起始位置oa开始转动，摆动角α从极限位置50°逐渐变小，到达点b时，摆动角为0°。此过程中cosθ不断变大，即作用于转柄上的力Pr也不断变大。Pr愈大，则有效力矩愈大，即可克服转环、导叶机构所产生的阻力矩M0，使转柄转动；同时sinθ不断变小，即作用于柱销、使之上移的力Pn不断变小，相应地活塞杆 （右端）也逐渐减小了上移的幅度。随着过程的进行，活塞杆和柱销缓缓地下滑，长执行机构的运动越过了 “死区”——导叶开度的0°～20°区域。之后，活塞杆弯曲变形越来越小，即活塞杆逐渐趋于水平方向运动。当活塞杆推动转柄抵达点b时，活塞杆与转柄垂直，活塞杆处于直线平衡状态，压力角θ为零，有效力矩最大，长执行机构处于左右运行的平衡（中间）位置。

（3）过了点b后，在接近另一个 “死区”——导叶开度的70°～90°区域时，随着角度θ的不断增大，sinθ不断变大，即作用于柱销、使之下移的力Pn不断变大，同时力Pr不断减小。当Pn足以克服柱销与转柄间的摩擦力时，柱销开始沿转柄内滑槽向下滑移，同时也产生了位移Δy的问题。其运动过程和受力情况与上述点a→点b的情况相似，不再详述。

由点c回到点a的状况与由点a至点c的状况类似，即在导叶开度的 90°～70°和 20°～0°区域容易产生 “死区”。此时柱销与转柄内滑槽接触面由A面改为B面，其运动过程和受力情况分别类似于从点a向点b移动、从点b向点c移动的阶段。

2 存在问题及改进方法

2.1 存在问题

综上所述，导叶开度调节出现滞后的主要原因是长执行机构推动转柄旋转的活塞杆水平推力与转柄形成θ角,水平推动力被分解了。压力角θ愈大，Pr就愈小，有效力矩也就愈小。活塞杆随着作用力的增加产生微量的弯曲变形，不能始终保持直线运动，而是作上移下滑的弯曲运动。特别是在0°～20°和90°～70°区域导叶开度调节出现滞后，也就是DCS中控室发出调整导叶开度的指令后，不能迅速执行要求的进气量，所调节的导叶旋转角度未能同步。这是导叶开度调节机构设计上的严重缺陷。在设计制造过程中，对长执行机构活塞杆的刚度及运动、静力、动力特性没仔细校核，没有就刚度不够如何进行弥补、改进或优化作深入分析和研究。

2.2 改进方法

针对导叶开度调节机构存在的问题，提出了如下几种改进方法。

方法一：保持原有结构，增大活塞杆直径，使其横截面惯性矩增加，确保活塞杆有足够的刚度，从而使活塞杆始终处于直线状态而不弯曲。

方法二：保持原有结构，在转柄一侧水平方向设置固定滑槽块，使活塞杆只能沿着滑槽作直线运动，限制其上、下移动的空间。

方法三：采用齿轮和齿条传动结构，由长执行机构带动齿条作水平运动，齿条带动齿轮运动，从而使转环旋转，调节导叶开度。

方法四：保持原有结构，同时采用铰链结构连接长执行机构和转柄。

上述方法都能解决长执行机构存在的缺陷，且各有特点。现将这些方法作一比较，如表5所示。

在现场实际生产条件下，选择方法二和方法三进行改进，其实际使用效果方法二优于方法三。方法二的执行机构对导叶控制精度高，误差在1%以下，满足调控要求，且调控时能保持连续性。经多年运行表明，方法二的改造方案是成功的，解决了气量微调困扰的问题。

3 对长执行机构中零部件改进建议

（1）材料的选择要合理。长执行机构中各零件包括活塞杆、柱销、转柄等材料一般选择35号钢或45号钢，表面进行热处理或镀铬，以提高其耐磨性，并保证长执行机构的尺寸精度。

表5 导叶开度调节机构几种改进方法的比较

（2）提高柱销与转柄的连接尺寸精度。零件的几何尺寸要准确，才能使柱销和转柄在运行时保持良好的连续性，不产生间断。

（3）提高摩擦面光洁度。提高活塞杆、柱销、转柄摩擦面的光洁度，减小摩擦阻力，消除阻尼现象，使长执行机构的连接摩擦部位处于灵活状态。

（4）增加转柄和活塞杆的长度。增加转柄的长度，即增加转柄的转动半径；增加活塞杆长度，即增加气缸的行程。这样有利于优化长执行机构的运动、静力和动力性能，提高调节精度，使控制更细化、更精确，有利于生产负荷变化时的调整，也有利于解决进气量微调困难的问题。

4 结束语

目前对鼓风机导叶开度调节机构还需进一步优化和完善，使之更趋向合理、科学。要切上自控，使导叶开度调节更细化，使操作更方便和准确，以确保安全生产。要使DCS仪表显示的导叶开度与现场机组导叶的实际开度同步，提高调节精度，把进气量控制得更准确，这是对导叶开度调节机构改进的最终目标。

参考资料

[1] 南京工学院，西安交通大学.理论力学 [M].北京：人民教育出版社，1979.

[2] 陈心爽，袁光良.材料力学 [M].上海：同济大学出版社，1996.