[分享]变频调速技术对静叶可调轴流风机结构设计的影响

一、引言
静叶可调轴流风机具有结构简单、可靠性高、耐磨性好、维护费用低等特点，被广泛应用于引风机和脱硫增压风机中，但静叶可调轴流风机是采用挡板开度的节流调节方式，即改变管路阻力曲线进行调节。这种调节方式虽然简单易行，但往往造成很大的能量损失。随着国家对节能减排要求的提高，各火电厂纷纷在寻找解决办法，而在静调轴流风机的电动机上加装变频装置便是办法之一。
加装变频调速装置后，风机在不同的情况下，通过电机的运转频率不断变化，使风机在0到最高转速(TB点工况)范围内进行工作，提高风机运行时的效率从而达到节能效果。风机工作频率的不断改变将可能造成与转子部件固有频率重合出现共振破坏的结果。另外，变频器谐波也将引起输出转矩脉动，故风机转速变化将对转子产生冲击载荷及交变应力的作用。
实际情况是：电厂的静叶可调轴流风机在加装了变频调速装置后，也陆续出现了一些问题。例如，传动轴出现裂纹或断裂、联轴器膜片和螺栓断裂、叶轮轮毂及叶片出现裂纹等，给火电厂的安全运行造成了很大的困扰。本文针对现场出现的问题，逐步分析产生损伤的原因，在结构设计方面，提出安全可行的改进方法。
二、对风机转子部分的影响
风机加装调速装置后，风机的转速（运转频率）随工况的变化而不断变化，根据传动系统运动方程：
当：T电机力矩>T负载转矩时，风机加速运行：在加速过程中，变频器的输出频率上升时，其定子旋转磁场同步转速也随之上升，但转子转速因为拖动系统的惯性而不能跟上，产生了转差。
当：T电机力矩<T负载转矩时，风机减速运行：在减速过程中，变频器输出频率下降时，电动机转子的转速由于拖动系统的惯性而跟不上同步转速的下降，使得转子转速高于同步转速而产生转差，并使电动机处于再生制动状态。再生制动状态时，电动机处于发电机状态，所产生的转矩和转子旋转方向相反，能够促使电动机迅速地下降。
当：T电机力矩=T负载转矩时，风机定速运行：
由公式(1)可以看出，风机负载转矩和电机转矩、加减速时间以及系统惯量有关，由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比。由T载转矩2 9550P／N可知，风机作为变负载终端，其负载转矩T负载转矩与转速N的平方成正比。


由以上分析可知，在变转速的状态下，转子不断承受着很大交变载荷（力矩）的冲击，其交变应力大于定转速工频运行，极易造成转子的疲劳损坏。
1、叶轮
我厂生产的静叶可调轴流风机叶轮叶片采用宽而短的等强度叶片，其固有频率八倍于设计转速甚至更高，对速度调节的适应性好，大多数都能安全运行，但也有少数在加装变频调速装置后叶轮出现裂纹现象（如图2）。


从图2中可看出叶轮出现的裂纹在叶片根部，即叶片与轮毂焊接处，此处为整个叶轮强度最薄弱处。风机在加装变频调速装置后，叶轮在不断变化的交变载荷的作用下，焊接部位应力集中，使得金属结构的表面形成裂纹。另外从叶轮结构上分析，一般叶轮最大应力在进口叶片与轮毂焊接处，叶轮外缘应力相对较小，但该处的变形拘束力较大，它们在不断变化的交变应力作用下，疲劳裂纹就会在该处萌生。风机在运行过程中，由于振动产生的动应力，是造成裂纹产生和扩展的原因，但裂纹的萌生和扩展是有一定过程的。因风机采用变频调速，叶轮受到不断变化的交变应力的作用，在这种应力与气动力和叶轮的振动共同作用下加速了叶轮裂纹的产生和扩展。
2、传扭中间轴
由图1可知，传扭中间轴为空心管结构，其是通过法兰与空心管焊接而成，其应力集中也是在法兰与空心管的焊接处。从图3中可见中间轴断裂也是从焊缝处开始，成45。方向剪切断裂。传扭中间轴在不断变化的交变载荷的作用下，经过较长周期的运行后，焊缝处的内部缺陷和表面缺陷等因素形成裂纹，随后逐步扩展，渗透到金属本体，导致零件的有效截面积逐渐缩小，应力不断增大，当应力超过材料的断裂强度极限时，即发生剪切断裂。


3、联轴器
膜片联轴器由两个半联轴节、螺栓和膜片组装而成，它具有良好的补偿轴向、径向和角位移的能力。风机变频调速运行中，由于风机转速的频繁变化，无形中增加了对螺栓附加的剪切应力。同时，在实际的变频运行过程中，电机的轴向窜动量也明显增大，联轴器的轴向窜动量也增大，增加螺栓轴向受力。在运行过程中膜片联轴器分别受到扭矩与轴线偏斜引起的弯矩、螺栓与膜片质量不均引起的离心力和膜片轴向位移引起的弹性推力等力的作用。扭矩使螺栓产生剪切应力传递给膜片，弯矩使螺栓产生拉伸和压缩应力，运行时的离心力会产生巨大的剪切应力，使膜片受力不均，而轴每转一周应力循环就会交变一次，则离心力使螺栓产生剪应力，且随转速而变化。实践表明，膜片联轴器的主要失效方式是膜片和螺栓在交变循环和复合应力作用下的疲劳断裂（见图4）。


三、风机结构的改进处理
(1)对风机的叶轮进行加强和优化，叶片焊接方式按照高标准执行和检查，并对叶轮内部结构进行刚性及辐板加固处理，以提高叶轮整体的刚度和强度。
 (2)对风机的传扭中间轴的扭振频率、强度等进行提高和加强，以满足变频要求。
 (3)选择联轴器时，提高其疲劳安全系数。
 (4)校核转动部件自然频率，严格控制并提高其固有频率，最大限度地防止转速调节过程中出现频率重叠，防止共振。
(5)风机壳体的中间支撑段采用加强型支腿，前导叶叶片增加厚度进行加强设计，支撑轴承座的法兰加装加强筋板，整体提高定子部分的强度及刚度。
四、在变频改造和运行中应注意的事项
(1)静叶可调轴流风机经改造由定转速成为变频工况，其轴系和叶轮强度应先交给风机生产厂家进行校核确认风机的强度裕量是否能满足要求。新设计的静调风机若为变频运行，则在设计前就应提出要求。
(2)原静叶可调轴流风机的振动测点多分布在叶轮外壳装配中段的中分面位置，在定转速运行时该测点能较准确地反映轴系振动，但是在变速时，由于前导叶处气流激振，易在原测点处产生假共振现象，为解决此问题应将振动测点尽量靠近后导叶装配的原法兰。若风机出现共振，则应采取措施避开在该转速运行（如提高转速，使用导叶辅助运行等）。
 (3)风机进出口管段的布置要合理。风机在调速的过程中是无级调速，理论上气流的频率和叶轮叶片的频率重合不可避免，但是如果管段布置合理，气流的扰动小，脉动幅值足够小而不会对叶轮叶片造成大的疲劳损坏。
 (4)风机在运行的过程中，对风机的运行速度应缓慢调节，避免急剧的启动和制动（可设置较长的启动和制动时间）。
 (5)若变频器具备输出波形功能，应经常检查变频器电压、电流输出波形是否失真，确保变频器正常运行。
(6)在每次检修过程中，建议检查膜片联轴器的螺栓是否有塑性变形、传扭中间轴的法兰盘与轴管焊接处是否有裂纹、叶片根部与轮毂的焊接附近是否有裂纹。
五、结论
我厂按上述方法，对多家火电厂的静叶可调轴流风机加装变频调速装置后进行了转子部分改造，并对其进行了长期密切观察，至今未再出现上述风机损伤的问题，因此，此优化方案是可行的。