风机轴向窜动突增原因分析

       大唐某发电公司装机容量为2×600MW机组，采用正压直吹制粉系统。一次风机采用的是G9—2×36No17F22双吸双支撑离心风机，在2005年9月突然发现No42一次风机有严重的串轴现象，此前风机振动虽然呈缓慢上长趋势但没有串轴现象。鉴于以住情况，分析可能是叶片产生裂纹或入口挡板叶片松动。 2003年5月份本台风机也因振动超标，检查发现叶片进气侧与中盘焊缝热影响区一片叶片有长约210mm裂纹。现叶轮为更换过叶轮及转子组件，但当时情况仅是振动超标没有发生串轴现象。考虑到风机振动呈上长趋势及串轴现象，利用低负荷时停风机检查，发现双膜片弹性联轴器膜片损坏，叶轮外盘在叶片根部有3条裂纹，裂纹首先发生在叶片进口端与外盘焊缝的热影响区内。起始裂纹的扩展方向与外盘和叶片的焊缝方向并不平行，而是以一定角度向叶片母材方向倾斜，并呈半椭圆形状向叶片的外缘引伸。

       1、设备规范：

本风机为双吸又支撑离心式风机，风机的主要特性参数如下表达1。

表1

2、原因分析：

        2.1 风机串轴的主要原因为叶片发生裂纹后，双吸风机两侧的吸风量不等，轴向推力发生变化，弹性膜片联轴器在轴向交变应力作用下，发生膜片损坏。下图为对叶片裂纹补焊处理后与处理前 

的振动趋势图。从图中可以看出经过处理后风机的振动平稳，但整体振动值较处理前偏高。

        2.2  风机从2003年5月更换叶轮及转子组件至今有28个月，再次发生叶片裂纹现象，说明风机本身的结构可能存在的设计考虑不周或影响风机稳定运行的消极因素：

        2.2.1  风机设计的原因，如转速高、叶片宽、叶片工作应力高等对风机叶片非常不利。因为本风机采用的是强前弯叶片，为保证效率、降低噪音，被迫采用较宽的叶片以降低气流速度。在高转速下，流动中气流分离及叶片工作应力增加是不可避免的。

        2.2.2  风机选型裕量过大，使风机长期处于低档板开度的小风量区域运行。

        2.2.3  与后弯叶片离心风机相比较，前弯式风机的性能曲线在低流量区域内存在马鞍形不稳定区，高阻力、低流量区域或低挡板开度区域较易发生风机旋转失速。

        2.3 裂纹产生的机理分析：

        2.3.1  叶轮在安装时，检查叶片没有问题。现出现裂纹，说明是使用裂纹，而使用裂纹又分应力腐蚀裂纹、蠕变裂纹、疲劳裂纹、脆性裂纹等。从现场运行的实际情况来看比较符合疲劳裂纹的特征。裂纹起源多数在表面应力集中处，裂纹走向主要呈穿晶扩展，且尾端尖细。

        2.3.2  疲劳裂纹的形成；在疲劳循环过程中，裂纹顶端的微小区域内，出现解理裂纹及塑性变形，此时变形量很小。在一次循环中，压缩半循环时，使裂纹的两个裂开面紧靠在一起，裂纹顶端断口表面产生变形；接着在下半拉伸循环时，裂纹再度张开，并使裂纹扩展，产生一个增量△a，这时便形成一道辉纹，在疲劳应力作用下逐渐发展为裂纹。

        2.3.3  在风量一定条件下，如挡板开度较小，流速增大，气流的扰动加大，当气源的扰动与叶片的固有频率相等时就会发生共振，（气流的扰动可能发生卡门涡街，发生旋转脱流，尽管流量没有变化，但流量内的气流运行轨迹发生了重大变化，如此强大的冲击力反复作用下）加速了裂纹的蔓延。

        2.4  从叶片材质及焊接工艺：

叶片焊接过程中，在金属母材与熔化金属之间，存在着高温度梯度（1200-720℃）和短距离热传递（6-8mm）。冷却速度差异甚大，在金属结晶过程中，引起晶粒急剧长大，冷却时形成粗大的魏氏组织，魏氏组织是由铁素体和珠光体组成，晶粒度约为3~5级，室温冲击韧性ak=6~8J/cm2结晶状断口晶粒粗大，脆性转变温度在室温以上，为也各叶片产生裂纹埋下了隐患。

        2.5  风机特性及风道阻力匹配分析：

        根据风机的特性曲线，风机的工作是否稳定，关键是运行时风机的工作点是否落在一个单向下降的风机特性曲线上。而这主要由两方面原因决定的，一是风机的性能曲线，二是挡板与风道的阻力特性曲线。因此系统的阻力特性对风机运行是否稳定起到决定性作用。在相同负荷时对比两台锅炉四台一次风机的档板开度，发现偏差很大。如下图：

注：由上至下分别为No31一次风机挡板开度、No32一次风机挡

板开度、No41一次风机挡板开度、No42一次风机挡板开度

由上图可以看出，在相同负荷时两台风机的挡板开度相差很大，原因可能是对一次风机的喉口部进行了改造，改造后的尺寸差异较大，No3锅炉一次风机机壳喉口间隙t≥50㎜,而No4锅炉一次风机约为25㎜，因此No4锅炉风机的压力高出力大，挡板开度相对较小。此外，位于No4炉两台一次风机出口风道上空气预热器阻力对两台一次风机的稳定运行影响也比较大，现No4炉两台空预热器的压降不同，导致两台一次风机的工作点位置也不一样，现600MW时No41空预器的压差为1.3kPa，而No42空预器的压差为1.8kPa。

        2.6  No 4锅炉No2风机承力端轴承侧风机叶轮20个叶片中叶片zui先断裂的原因，与叶片所受的脉动应力zui大有直接关联。相比较而言，断裂叶片所受的应力应该是zui严重的，在相同的气流脉动幅值下，叶片上的脉动应力也应zui大。而用橡皮锤和铁榔头敲击叶片测得的一阶固有频率约300Hz，在对损坏的叶片进行频率测定时有多个频率与一阶固有频率成倍数关系，这也是承力侧叶片损坏的一个关键原因。

        2.7  由于制造安装时误差，叶片的安装角度不一致，加上运行工况原因，气流流向叶片也不均匀，各流速气流分离程度也不一样，可能会发生旋转脱流 产生旋转失速现象，旋转失速在叶轮产生的压力波动就产生激励叶片发生异常振动的激振力，但不一定能激发叶片振动。当旋转失速的频率与设备的固有效率一致时，将发生共振，此时对叶片的危害非常大。而旋转脱离振动的原因是工作流量比设计流量低，具体的原因除运行时参数调节不当外，设备原因有入口挡板开度过小、导流板脱落（注：导流板安装时方向装反，后因振动及噪声较大检查发现后重新安装）、出入口风道阻力发生变化等等。

        2.8  利用频谱分析仪，对叶片裂纹简单补焊处理后的风机进行振动频谱分析。在现场对风机的前后轴承进行了测量，下表2为测量结果。

表2  单位：um（mm/s）

       根据GB/T  6075.3-2001振动烈度在B区（2.3~4.5mm/s）可长期运行，在C区（4.5~7.1mm/s）不宜长期运行，在D区（7.1mm/s以上）不宜运行。从以上测量数值可以看出，除了前轴承轴向振动偏大以外，其它测点振动数值都很小。下面为测量各轴承的振动频谱图：

图1   风机前轴承垂直方向速度频谱图          图2   风机前轴承水平方向速度频谱图

图3   风机前轴承轴向速度频谱图              图4   风机后轴承垂直方向速度频谱

图5   风机后轴承水平方向速度频谱图          图6   风机后轴承轴向速度频谱图

       对上面的频谱图分析，存在如下的特征：（1）振动频谱中占优势的是1X转速频率；（2）其它频率成分很小。综合以上现象，该风机轴向振动偏大zui可能的原因，风机与电机中心存在不对中问题、轴承的安装间隙存在误差。

       3、采取措施：

       3.1  控制风机入口调节挡板：鉴于入口挡板开度对风机运行稳定性的严重影响，如果能在运行时保证挡板开度在45％以上，则可以大幅度提高运行可靠性。保证入口挡板开度的zui佳方案是加装变频装置，变频装置效率高，机械部分无改造工作量。但高压大容量的变频可靠性需要很好的了解和掌握。本公司现以安装完变频装置，从机组运行安全考虑，正着手对电气回路进行改造，加装一套变频与工频切换回路，如变频发生故障可以切换至工频运行，确保机组安全稳定运行。

       3.2   增加管路系统中出口部分流动阻力：采取的措施有，稍微关闭出口隔绝门开度，增加流动阻力；隔绝门后增加一道可调节阻力门，但阻力损失增加；稍关磨煤机前冷、热风门开度；根据实际需要或可能，减少磨煤机盘下风环的通风断面积；根据需要和可能调节一次风管阻力；用钢板均匀堵死消音器入口部分通流断面。

       3.3   一次风机采用大风量运行方式：一次风机出口低负荷放风运行，或放风到送风机出口管道内。根据燃煤特性，烟煤燃烧中容许使用较大的一次风率和一次风量。空预器的漏风率增加后，对一次风机运行稳定性有利。

       3.4   尽量减少锅炉zui低负荷的运行时间，低负荷时尽量采用单台风机运行方式，对一次风机出口管路系统及各个有关风门的严密度进行改进。在运行中，要加强对风机轴承温度、轴承振动趋势的监视。

       3.5  利用停机检修时机，将No42与No41一次风机的烟风道及导流板的安装位置、安装角度进行对比校验，尤其是导流板的安装角度是否存在差别。联系风机厂家找出一个zui佳的安装角度，此外对No3和No4风机喉部改造后效果不同的原因进行分析。

       3.6  对两台一次风机的烟风道阻力用简易方法进行测量，分析四台风机的管道阻力存在多大的差别，尤其要加强空气预热器的阻力对风机稳定运行的分析，因空气预热器的阻力是一个动态的变量。

       3.7  减少气流的有定频率的幅值，可以通过在导流板的背风侧焊接圆钢等措施，改变固有频率，减少系统共振。

       3.8  提高检修质量，针对一次风机不对中问题，利用检修时机对中心进行调整消除不对中；此外，对叶片的焊口进行全 面的无损探伤检查；对支撑轴承及承力轴承的间隙要进行校对；对入口挡板的叶片及关度进行校核等。通过提高检修质量，确保风机的各部件运行可靠，保证风机安全稳定运行。

        总之，通过对风机振动原因分析，使我们在解决问题时，有的放矢。综合其它三台一次风机的管道特性及其喉部改造的差别，以及变频器的投入使用，一次风机振动问题肯定会得到解决，风机运行的可靠性及稳定完全能到保障。【作者】 天津大唐国际盘山发电有限责任公司    刘峰