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一、引言
靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、耐磨性好、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于引風(fēng)機(jī)和脫硫增壓風(fēng)機(jī)中，但靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)是采用擋板開度的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，即改變管路阻力曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，但往往造成很大的能量損失。隨著國家對節(jié)能減排要求的提高，各火電廠紛紛在尋找解決辦法，而在靜調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)上加裝變頻裝置便是辦法之一。
加裝變頻調(diào)速裝置后，風(fēng)機(jī)在不同的情況下，通過電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率不斷變化，使風(fēng)機(jī)在0到最高轉(zhuǎn)速(TB點(diǎn)工況)范圍內(nèi)進(jìn)行工作，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率從而達(dá)到節(jié)能效果。風(fēng)機(jī)工作頻率的不斷改變將可能造成與轉(zhuǎn)子部件固有頻率重合出現(xiàn)共振破壞的結(jié)果。另外，變頻器諧波也將引起輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，故風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化將對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沖擊載荷及交變應(yīng)力的作用。
實(shí)際情況是：電廠的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)在加裝了變頻調(diào)速裝置后，也陸續(xù)出現(xiàn)了一些問題。例如，傳動(dòng)軸出現(xiàn)裂紋或斷裂、聯(lián)軸器膜片和螺栓斷裂、葉輪輪轂及葉片出現(xiàn)裂紋等，給火電廠的安全運(yùn)行造成了很大的困擾。本文針對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，逐步分析產(chǎn)生損傷的原因，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，提出安全可行的改進(jìn)方法。
二、對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子部分的影響
風(fēng)機(jī)加裝調(diào)速裝置后，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（運(yùn)轉(zhuǎn)頻率）隨工況的變化而不斷變化，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程：
當(dāng)：T電機(jī)力矩>T負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，風(fēng)機(jī)加速運(yùn)行：在加速過程中，變頻器的輸出頻率上升時(shí)，其定子旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速也隨之上升，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速因?yàn)橥蟿?dòng)系統(tǒng)的慣性而不能跟上，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)差。
當(dāng)：T電機(jī)力矩
當(dāng)：T電機(jī)力矩=T負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，風(fēng)機(jī)定速運(yùn)行：
由公式(1)可以看出，風(fēng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩、加減速時(shí)間以及系統(tǒng)慣量有關(guān)，由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比。由T載轉(zhuǎn)矩2 9550P／N可知，風(fēng)機(jī)作為變負(fù)載終端，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩T負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速N的平方成正比。
由以上分析可知，在變轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子不斷承受著很大交變載荷（力矩）的沖擊，其交變應(yīng)力大于定轉(zhuǎn)速工頻運(yùn)行，極易造成轉(zhuǎn)子的疲勞損壞。
1、葉輪
我廠生產(chǎn)的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)葉輪葉片采用寬而短的等強(qiáng)度葉片，其固有頻率八倍于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速甚至更高，對速度調(diào)節(jié)的適應(yīng)性好，大多數(shù)都能安全運(yùn)行，但也有少數(shù)在加裝變頻調(diào)速裝置后葉輪出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象（如圖2）。
從圖2中可看出葉輪出現(xiàn)的裂紋在葉片根部，即葉片與輪轂焊接處，此處為整個(gè)葉輪強(qiáng)度最薄弱處。風(fēng)機(jī)在加裝變頻調(diào)速裝置后，葉輪在不斷變化的交變載荷的作用下，焊接部位應(yīng)力集中，使得金屬結(jié)構(gòu)的表面形成裂紋。另外從葉輪結(jié)構(gòu)上分析，一般葉輪最大應(yīng)力在進(jìn)口葉片與輪轂焊接處，葉輪外緣應(yīng)力相對較小，但該處的變形拘束力較大，它們在不斷變化的交變應(yīng)力作用下，疲勞裂紋就會在該處萌生。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，由于振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力，是造成裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的原因，但裂紋的萌生和擴(kuò)展是有一定過程的。因風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，葉輪受到不斷變化的交變應(yīng)力的作用，在這種應(yīng)力與氣動(dòng)力和葉輪的振動(dòng)共同作用下加速了葉輪裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。
2、傳扭中間軸
由圖1可知，傳扭中間軸為空心管結(jié)構(gòu)，其是通過法蘭與空心管焊接而成，其應(yīng)力集中也是在法蘭與空心管的焊接處。從圖3中可見中間軸斷裂也是從焊縫處開始，成45。方向剪切斷裂。傳扭中間軸在不斷變化的交變載荷的作用下，經(jīng)過較長周期的運(yùn)行后，焊縫處的內(nèi)部缺陷和表面缺陷等因素形成裂紋，隨后逐步擴(kuò)展，滲透到金屬本體，導(dǎo)致零件的有效截面積逐漸縮小，應(yīng)力不斷增大，當(dāng)應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度極限時(shí)，即發(fā)生剪切斷裂。
3、聯(lián)軸器
膜片聯(lián)軸器由兩個(gè)半聯(lián)軸節(jié)、螺栓和膜片組裝而成，它具有良好的補(bǔ)償軸向、徑向和角位移的能力。風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行中，由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的頻繁變化，無形中增加了對螺栓附加的剪切應(yīng)力。同時(shí)，在實(shí)際的變頻運(yùn)行過程中，電機(jī)的軸向竄動(dòng)量也明顯增大，聯(lián)軸器的軸向竄動(dòng)量也增大，增加螺栓軸向受力。在運(yùn)行過程中膜片聯(lián)軸器分別受到扭矩與軸線偏斜引起的彎矩、螺栓與膜片質(zhì)量不均引起的離心力和膜片軸向位移引起的彈性推力等力的作用。扭矩使螺栓產(chǎn)生剪切應(yīng)力傳遞給膜片，彎矩使螺栓產(chǎn)生拉伸和壓縮應(yīng)力，運(yùn)行時(shí)的離心力會產(chǎn)生巨大的剪切應(yīng)力，使膜片受力不均，而軸每轉(zhuǎn)一周應(yīng)力循環(huán)就會交變一次，則離心力使螺栓產(chǎn)生剪應(yīng)力，且隨轉(zhuǎn)速而變化。實(shí)踐表明，膜片聯(lián)軸器的主要失效方式是膜片和螺栓在交變循環(huán)和復(fù)合應(yīng)力作用下的疲勞斷裂（見圖4）。
三、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)處理
(1)對風(fēng)機(jī)的葉輪進(jìn)行加強(qiáng)和優(yōu)化，葉片焊接方式按照高標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和檢查，并對葉輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛性及輻板加固處理，以提高葉輪整體的剛度和強(qiáng)度。
(2)對風(fēng)機(jī)的傳扭中間軸的扭振頻率、強(qiáng)度等進(jìn)行提高和加強(qiáng)，以滿足變頻要求。
(3)選擇聯(lián)軸器時(shí)，提高其疲勞安全系數(shù)。
(4)校核轉(zhuǎn)動(dòng)部件自然頻率，嚴(yán)格控制并提高其固有頻率，最大限度地防止轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)頻率重疊，防止共振。
(5)風(fēng)機(jī)殼體的中間支撐段采用加強(qiáng)型支腿，前導(dǎo)葉葉片增加厚度進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，支撐軸承座的法蘭加裝加強(qiáng)筋板，整體提高定子部分的強(qiáng)度及剛度。
四、在變頻改造和運(yùn)行中應(yīng)注意的事項(xiàng)
(1)靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)經(jīng)改造由定轉(zhuǎn)速成為變頻工況，其軸系和葉輪強(qiáng)度應(yīng)先交給風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行校核確認(rèn)風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度裕量是否能滿足要求。新設(shè)計(jì)的靜調(diào)風(fēng)機(jī)若為變頻運(yùn)行，則在設(shè)計(jì)前就應(yīng)提出要求。
(2)原靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的振動(dòng)測點(diǎn)多分布在葉輪外殼裝配中段的中分面位置，在定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)該測點(diǎn)能較準(zhǔn)確地反映軸系振動(dòng)，但是在變速時(shí)，由于前導(dǎo)葉處氣流激振，易在原測點(diǎn)處產(chǎn)生假共振現(xiàn)象，為解決此問題應(yīng)將振動(dòng)測點(diǎn)盡量靠近后導(dǎo)葉裝配的原法蘭。若風(fēng)機(jī)出現(xiàn)共振，則應(yīng)采取措施避開在該轉(zhuǎn)速運(yùn)行（如提高轉(zhuǎn)速，使用導(dǎo)葉輔助運(yùn)行等）。
(3)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管段的布置要合理。風(fēng)機(jī)在調(diào)速的過程中是無級調(diào)速，理論上氣流的頻率和葉輪葉片的頻率重合不可避免，但是如果管段布置合理，氣流的擾動(dòng)小，脈動(dòng)幅值足夠小而不會對葉輪葉片造成大的疲勞損壞。
(4)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行的過程中，對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)，避免急劇的啟動(dòng)和制動(dòng)（可設(shè)置較長的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間）。
(5)若變頻器具備輸出波形功能，應(yīng)經(jīng)常檢查變頻器電壓、電流輸出波形是否失真，確保變頻器正常運(yùn)行。
(6)在每次檢修過程中，建議檢查膜片聯(lián)軸器的螺栓是否有塑性變形、傳扭中間軸的法蘭盤與軸管焊接處是否有裂紋、葉片根部與輪轂的焊接附近是否有裂紋。
五、結(jié)論
我廠按上述方法，對多家火電廠的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)加裝變頻調(diào)速裝置后進(jìn)行了轉(zhuǎn)子部分改造，并對其進(jìn)行了長期密切觀察，至今未再出現(xiàn)上述風(fēng)機(jī)損傷的問題，因此，此優(yōu)化方案是可行的。
[此貼子已經(jīng)被作者于2020/4/3 18:01:02編輯過]
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我們知道，如電腦CPU大小的軸流風(fēng)扇是可以做PWM功能設(shè)計(jì)的，且增加這個(gè)功能會給使用都更多舒適的感覺，使頻率使用多時(shí)，軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速變高，反之，轉(zhuǎn)速自動(dòng)降下來，理論上來說，對于軸流風(fēng)扇的壽命會有所延長
那么，更小型的軸流風(fēng)扇是不是也可以設(shè)計(jì)這個(gè)功能呢，目前3CM以上的軸流風(fēng)扇都是可以增加PWM智能調(diào)速功能的，一般是三條線，紅色是正線，黑色是負(fù)線，黃色（或是藍(lán)色）為PWM控制功能線，如30*30*7軸流風(fēng)扇，我們簡稱為3007，往上有3010，3510，4010都是可以做的，當(dāng)然，目前3CM以下如20*20*6mm,15*15*4mm因馬達(dá)很小，內(nèi)置的PCB板無法設(shè)計(jì)PWM電路，空間不夠，暫時(shí)還不能做此設(shè)計(jì)。微型的軸流風(fēng)扇3線大都是FG功能的，即轉(zhuǎn)速監(jiān)測工能
另外，對于小型軸流風(fēng)扇其實(shí)使用量來說，相對比較少，主要原因是增加此功能，成本也會相應(yīng)的增加，如果能在產(chǎn)品上增加溫控電路，控制產(chǎn)品輸出電壓高低，也是可以實(shí)現(xiàn)跟PWM類似的調(diào)速功能的，因?yàn)榻o軸流風(fēng)扇的電壓降低，轉(zhuǎn)速也會相應(yīng)的降低。
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由于管式過濾器風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，不含防腐劑應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20％～50％，而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。
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