动叶可调轴流风机叶片断裂的原因分析及预防措施

动叶可调轴流风机叶片断裂的原因分析及预防措施
摘要：国华惠州热电分公司FAF型动叶可调轴流送风机曾在运行中发生叶片全部断裂的事故，对机组的安全、经济运行造成了严重的影响，本文针对本次事故进行了分析研究，得出了造成叶片断裂的事故原因，并提出了相应的预防措施，为动叶可调轴流风机的维护提供参考依据。

关键词：动叶可调轴流风机；叶片断裂；分析；预防
0 引言
随着火力发电机组单机容量的增大，深度调峰的需求随之增大，越来越多的机组选择动叶可调轴流风机，就是利用了其低负荷区域效率较高、调节范围广、反应速度快、调节精准的优点，在一次风机、送风机、引风机、脱硫增压风机都有使用。

火电厂锅炉风烟系统的风机在机组运行中扮演着非常重要的角色，由于其没有备用设备，一旦发生故障停运，便会造成机组负荷严重受限甚至锅炉灭火、跳机的危险，所以风机的可靠性直接影响着机组的安全、经济运行。

1 风机概况
国华惠州热电分公司一号炉送风机型号为FAF19-9.5-1，单级动叶可调轴流式风机，为上海鼓风机厂有限公司从德国TLT公司引进技术后国产化，于2010年4月16日投产，风机共有14片动叶片，叶型为16NA16，叶片材料为HF-1（铸铝合金），叶片调节范围-30°～15°，风机转速n=1490 r/min。

2 事故经过
2011年8月1日20时14分，一号机组负荷330MW，11送风机动叶开度80%，12送风机动叶开度76%，突然12送风机振动大报警，电流从32A突降到25A，风机出口压力、二次风量等参数均产生较大变化，立即到就地检查发现风机实际振动大且伴有异音，随即判定12送风机发生了严重故障，立即隔离进行检修。

揭开风机大盖检查发现风机14片叶片全部在约1/2高度处断裂，其中有两片动叶片产生较严重的漂移，与其它叶片角度偏差较大，叶片根部有油迹渗出。

启动润滑油站进行叶片传动发现发生漂移的两片叶片不动作，于是解体其叶柄轴承发现轴承保持架磨损破裂，且无润滑脂，处于干摩擦状态，解体所有叶柄轴承检查发现均有不同程度的缺润滑脂现象。

更换所有叶片及叶柄轴承及密封圈后，于8月3日15时40分启动试运正常投入运行。

盖时检查发现的漏油现象，而在稀油经过叶柄轴承室时，会将叶柄轴承原有的高温润滑脂慢慢稀释、溶解掉，稀油粘度太低对叶柄轴承又起不到润滑作用，久而久之，叶柄轴承失去了有效润滑，导致叶柄轴承磨损、卡涩，此时频繁操作
动叶开关，会导致调节杆与叶柄轴固定处打滑，间隙变大，慢慢地叶片失去了控制，叶片在气流的冲击和风机本身的振动作用下，开度会任意变化，即所谓叶片“漂移”。

3.2 叶片漂移导致失速，产生强大冲击力。

风机处于正常工况时，冲角很小（气流对叶片的相对速度方向与叶片叶弦的夹角即为冲角），气流绕过机翼型叶片而保持流线状态，如图2中（1）所示。

当气流与叶片进口形成正冲角，即α>0，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况开始恶化，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2中（2）所示。

冲角大于临界值越多，失速现象越严重。

漂移的叶片角度随机变动，当叶片进口气流冲角达到临界值时，就首先在该叶片上发生失速，而不会所有叶片都同时发生失速。

如图3中，u是对应叶片的叶顶周向速度，c是气流原有速度，则得出w是气流对叶片的相对速度，α为冲角。

假设叶片3处于该位置时，冲角α已经超过了失速临界值，于是在34流道内由于失速产生涡流而阻塞，在23流道尾部由于通流面积减小也产生阻力，于是整个B区域形成气流低速停滞状态，严重时会造成A区域形成微正压，处于失速区的叶片会受到不稳定气流的强烈冲击力。

3.3 叶片存在原始缺陷，强度降低，造成断裂。

叶片断裂后散落在风道内，收集之后仔细检查发现，大多数叶片的断裂面上有不少的气孔和疏松区域，由于该风机叶片为铸造而成，铸造时的工艺不良造成原始缺陷，部分气孔及熔融不充分影响区域的直径达到了叶片厚度的一半。

如组图4所示：
4 防止事故发生的预防措施
4.1准确分析“喘振”报警，做精确判断
该风机曾在发生故障前出现几次短时发“喘振”报警的现象，但检查风机出口压力、电流、振动等运行参数均未发现异常，判断原因为当时发生漂移的叶片在振动等的作用下发生转动，其冲角α已经超过临界值，在叶片背面尾端出现涡流区，冲角超过临界值越多，则失速越严重，在叶片背部形成的涡流区也会迅速扩大，使叶片流道出现阻塞现象，则在图2中A区域产生正压，当正压达到一定值时，风机便发“喘振”报警，所以当风机发出“喘振”报警并判断并非真正意义的“喘振”时，就是某片叶片发生漂移，已经处于失速区。

失速是引发喘振的前因，但失速不一定会喘振，喘振是失速恶化的宏观表现。

本着“宁停勿损”的原则，此时风机应该考虑停运检查处理。

4.2调整叶柄轴向窜动量
叶柄轴承的轴向窜动量也是影响叶柄轴承的一个关键性因素。

上海鼓风机厂
长提供的《安装和使用维护说明书（B部分）》中关于叶柄螺母的安装要求为：“拧紧叶柄螺母，直至止推轴承组件碰到支承环为止。

同时要求叶柄螺母的下端面比叶柄该段凸肩凸出约2mm”，根据实际经验，按照该标准进行装配将会导致叶柄轴向窜动量非常小，由于较大的轴向推力作用，叶片转动力矩需求非常大，且会缩短叶柄轴承的寿命，不可行。

按照经验，将叶柄轴向窜动量调整至0.08-0.10mm 为宜，具体的测量方法为当叶柄螺母锁紧之后，用撬棍在叶片底部沿轮毂直径方向，用约30N.m的力向外撬动叶片，用百分表测量叶片的位移量即为叶柄的轴向窜动量。

另外，轴向窜动量的放大会导致叶片叶顶间隙减小，要注意测量满足要求。

4.3提高叶片探伤的标准
叶片由叶柄固定在轮毂上，那么在叶片受到气流的作用力时，由于叶片根部的力臂最长，所以叶片根部的力矩也最大，是最容易发生断裂的部位，所以风机厂家及电力行业对叶片定期探伤的规定一般为做“叶片根部探伤”。

而从本事故案例来看，定期做叶片的“全身磁粉探伤或超声波探伤等无损探伤”检查是非常有必要的。

4.4投入风机振动保护
据不完全统计，目前国内约有一半的火电厂未将轴流风机的振动大跳闸保护投入，主要是因为振动测点容易受雷击、附近的焊接作业、接线质量等因素的影响而导致跳变，造成风机误跳闸。

建议电厂在采取一定的技术手段后投入该保护，例如采用二取二、或多加一个点三取三的方式投入保护，即X、Y向的测点同时达到11mm/s时风机应该跳闸，因为如果投入保护的话，当第一片叶片发生断裂时，转子产生严重的质量不平衡，其振动值会瞬间达到保护值，风机立即跳闸减速，转子动量急剧减小，将会避免其它叶片的大量损坏造成所谓“剃光头”甚至“飞车”的严重后果，将会最大程度地降低风机损坏的严重程度。

4.5精心挑选液压缸维修厂家，确保液压缸不漏油。

液压缸外漏，是本次事故的初始条件，是后面一连串联锁效应的源头。

由于目前国产液压缸的检修周期较短，最长为一个机组小修期，到期就需要更换，而市场上液压缸检修的水平参差不齐，需要精心挑选维修厂家，液压缸的稳定运行是动调轴流风机安全稳定运行的关键。

5 结论
一个事件的发生往往是多个因素综合作用产生的结果，本次事故就是由于液压缸漏油导致叶柄轴承缺少润滑，轴承磨损卡涩造成叶片漂移，加之叶片自身铸造加工缺陷导致强度不足而断裂，所以在风机的维护中要全方位考虑，由于其没有备用设备的特点，保障风机的安全、稳定运行尤为重要。

参考文献
[1] 李春宏，轴流通风机失速与喘振分析，文章编号：1006-8155（2008）02-0077-04。

[2] 《FAF 型电站动叶可调轴流送风机安装和使用维护说明书（B部分）》。