高压电机内风扇断裂原因分析及改进

刘小春

摘 要 大型空冷高压电机有着结构简单制造维修方便等优点，广泛的运用于工业生产中。大型空冷高压电机内部冷却风扇是保证电机稳定持续运行的重要部件。文章通过对沈阳电机股份有限公司制造的YTM710-6G高压电机内风扇频繁断裂的原因分析，从设计、焊接、试验、运行等角度进行加以了改进。从而有效的杜绝了同型号电机内风扇断裂故障的发生，取得了良好运行效果和经济效益。

关键词 高压电机；内风扇；断裂

中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0163-02

野马寨发电有限公司磨煤机电机系沈阳电机股份有限公司制造。电机型号为YTM710-6G，额定功率1400 kW，额定电压6 kV，转速990 r/min。电机和磨煤机减速箱采用弹性柱销齿式联轴器联结。电机冷却方式为IC611，空—空冷却。该电机端部安装一个离心式同轴风扇，电机旋转时由该风扇形成电机内部空气循环系统，交换定子线圈和铁芯产生的热量。内部空气循环通过和电机空冷器进行热交换达到对电机冷却的作用。由于该风扇安装在电机负荷侧，与电机端部线圈的距离只有15 cm，中间安装有玻璃钢导风板，运行中内风扇断裂或脱落，极易引起内风扇与电机端部线圈的摩擦，导致电机烧毁。自2008年7月至2011年1月，期间共计发生内风扇断裂导致风扇脱落、电机端部绝缘受损、电机烧毁等异常事件共计7次，直接经济损失合计48万余元，且不同程度的影响机组接带负荷。

在内风扇断裂问题未得到根治前，磨煤机内风扇的隐患一直严重威胁着机组的安全稳定运行。

1 内风扇断裂的原因分析

2010年针对磨煤机内风扇频繁断裂问题，野马寨发电有限公司成立了攻关小组，联系沈阳电机股份有限公司和湘潭电机股份有限公司等厂家专家到现场分析风扇的断裂原因，对断裂风扇的焊接质量和金属结构进行了金相检查。通过对内风扇断裂原因的深入分析，从内风扇材质选用，风扇固有频率测试、风扇焊接工艺、风扇动静平衡和电动机现场运行工况进行分析，找出内风扇断裂的一些因素。

1）材质结构。电机原内风扇采用Q235钢板，风扇环板6 mm厚、伞形罩板4 mm厚、风扇叶片4 mm厚，风扇的质量54.5 kg，内风扇的转动惯量由5.62 kg·m2。由于Q235钢板属于普通碳素结构钢，塑性和韧性较差。用这种材料制成的焊接结构，受动力载荷作用时接头容易出现裂缝。另外由于电机风扇的叶片采用了梯形叶片在运转中，空气和叶片产生应力会集中在风扇的焊口部位，容易导致风扇开焊。见图1。

图1 磨煤机电机内 图2 焊接不良导致的

风扇断裂部位 开焊部位

2）焊接工艺。对于Q235钢板的焊接，原内风扇厂家采用的是普通的手工电弧焊进行焊接，焊条采用J507焊条。焊接质量不良，部分风扇的焊口处存在未焊满和夹杂的情况。从部分开裂的风扇来看，裂纹都是集中在风扇的焊接接头处，所以焊接质量不良是内风扇断裂的重要原因。见图2。

3）风扇固有频率。通过锤击击振法在湘潭电机集团修造分厂对原内风扇进行了固有频率的测试，测得原内风扇最低固有频率为103.6 Hz，接近转速电磁频率（50 Hz）及其倍频（100 Hz）容易发生共振，风扇发生共振后很容易导致金属结构件的疲劳，从而引起风扇断裂。

4）现场运行条件。从现场断裂的内风扇的电机运行状况来分析，电机风扇发生断裂之前电机各部的振动有变大的情况，特别是电机的轴向振动烈度存在明显超标的情况，部分电机的振动烈度达到了10 mm/s，电机轴向力过大容易引起风扇的紧固螺栓磨损和断裂，导致风扇在运行中产生轴向摆动引起风扇焊接结构断裂或者风扇脱落。

2 内风扇的改进措施

2.1 风扇材质选择及结构设计

1）风扇材料的修改：原来风扇使用Q235的钢板，改造后的风扇使用16Mn钢板。

2）风扇叶片的结构由原来的梯形叶片结构，变更为刀式结构，改进后的叶片设计减少了空气力作用于叶片伞形罩板焊接口的应力。

3）风扇尺寸修改：将风扇环板由6 mm加厚至10 mm，伞形罩板由4 mm增厚至6 mm，风扇叶片厚度由4 mm增厚至

6 mm，风扇的质量由54.5 kg增加至79 kg，内风扇的转动惯量由5.62kg·m2增加至8.65 kg·m2。新设计风扇增加了风扇结构件的板材厚度，主要是考虑提高风扇的整体刚度、增加风扇的转动惯量和固有频率、减少转动应力。

2.2 焊接工艺及质量保证

1）对于16Mn钢板的焊接采用埋弧焊，焊丝选用H10Mn2SiA低碳结构钢镀铜埋弧焊丝。

2）焊接前对焊接板件进行预热处理，预热温度为100度。

3）焊接完成后为了降低焊接残余应力，减小焊缝中的氢含量，改善焊缝的金属组织和性能，在焊后应对焊缝进行热处理。热处理温度为：600-640℃，恒温时间为2小时，降温速度为125℃/h 。

4）焊接完毕后需要对焊口进行外观检查及金相探伤检查，确保焊缝焊接质量。焊缝周围板材无裂纹。

2.3 风扇相关试验

1）内风扇的动平衡：原风扇先做风扇静平衡，风扇套在电机转子上后再做转子动平衡，并在风扇上加配重。新设计的风扇先做转子未套风扇的动平衡，在点击转子端部加配重，然后在套上新制内风扇做转子动平衡，在风扇上加配重。通过新的动平衡试验消除了因转子不平衡作用在风扇上的作用力。

2）对内风扇的最低固有频率测试为125.2 Hz，避开了转速电磁频率（50 Hz）及其倍频（100 Hz）不会发生共振，风扇开裂几率大大降低。

2.4 现场安装及运行工况

1）风扇的安装配合改进：新制内风扇的设计配合为过盈0.05 mm，风扇螺母紧固措施更改为防松止动垫圈加锁紧螺母。endprint

2）新风扇安装在电机转轴上后端面的轴向偏摆控制在3 mm之内。

3）电机空载运行时负载端的轴向振动烈度控制在2.8 mm/s之内，带机械部分运转时的负载端得轴向振动烈度控制在4.5 mm/s之内（水平和垂直的振动烈度均控制在合格范围内）。

2.5 维护和检查

1）做好电动机的定期巡视检查工作，保证电机的运行工况机械部分运转时的负载端的轴向振动烈度控制在4.5 mm/s之内（水平和垂直的振动烈度均控制在合格范围内）。

2）利用机组停运检修的机会及时吊开电动机冷却器，检查内风扇是否存在明显的裂纹。

3）电机解体大修中要对内风扇焊接部位进行金属探伤

检查。

3 效果检查

2010年5月下旬新设计的内风扇在送至湘潭电机股份有限公司修理的野马寨发电有限公司2号炉B磨煤机电机上进行了整机的动平衡、最低固有频率测试和空载试运转。新风扇的运转情况良好，电机空载运行时负载端的轴向振动烈度为1.5 mm/s，其他部位的水平和垂直的振动烈度均控制在合格范围内。该电机运至现场后装复至1号炉B侧磨煤机处运转，负载运行时的负载端的轴向振动烈度控制在了3.2 mm/s之内，低于控制目标值运行。

2010年6月至7月间又订购了5套改进的风扇对野马寨发电有限公司其他的5台磨煤机电机内风扇逐步进行了更换，完成了该公司全部6台磨煤机电机内风扇改造。期间加强了对改造风扇的磨煤机电机的运行检修维护处理工作，确保其运行中的振动烈度在可控的范围之内。2010年12月、2011年2月、2011年5月该公司已先后完成了3、1、2号机组的A级检修任务，在对已改造风扇的磨煤机电机解体大修中，对新制的内风扇进行了仔细的检查和焊接面的金相探伤检查工作，均未发现有风扇断裂和开焊情况的发生。从近两年的运行情况看来本次针对磨煤机内风扇的技术改进取得了较好的效果。

4 结束语

改进后的内风扇刚度和固有频率都得到了明显的提高，并避开了转速电磁频率及倍频，不会发生共振，风扇的动强度和寿命都得到了提升。但是引起内风扇断裂的原因并不是单纯的风扇结构质量问题，机械旋转设备一定要认真监测好各部位的振动值，保证设备运行转在健康状况下。并且，要定期对内风扇检查，对风扇的运行状况做到心中有数，确保电机安全稳定运行，从根本上杜绝磨煤机电机内风扇断裂引起的电机烧毁事件的发生，为企业安全生产的稳定奠定基础。

参考文献

[1]程福秀，林金铭.现代电机设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]魏永田，孟大伟，温嘉斌.电机内热交换[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]JB/T 7128-2007 YTM、YHP、YMPS系列磨煤机用三相异步电动机技术条件[S].中华人民共和国国家发展和改革委员.endprint