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一、引言
靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、耐磨性好、維護費用低等特點，被廣泛應(yīng)用于引風(fēng)機和脫硫增壓風(fēng)機中，但靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機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)機的電動機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)機在不同的情況下，通過電機的運轉(zhuǎn)頻率不斷變化，使風(fēng)機在0到最高轉(zhuǎn)速(TB點工況)范圍內(nèi)進行工作，提高風(fēng)機運行時的效率從而達到節(jié)能效果。風(fēng)機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，故風(fēng)機轉(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。
實際情況是：電廠的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機在加裝了變頻調(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)計方面，提出安全可行的改進方法。
二、對風(fēng)機轉(zhuǎn)子部分的影響
風(fēng)機加裝調(diào)速裝置后，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速（運轉(zhuǎn)頻率）隨工況的變化而不斷變化，根據(jù)傳動系統(tǒng)運動方程：
當(dāng)：T電機力矩>T負載轉(zhuǎn)矩時，風(fēng)機加速運行：在加速過程中，變頻器的輸出頻率上升時，其定子旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速也隨之上升，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速因為拖動系統(tǒng)的慣性而不能跟上，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)差。
當(dāng)：T電機力矩
當(dāng)：T電機力矩=T負載轉(zhuǎn)矩時，風(fēng)機定速運行：
由公式(1)可以看出，風(fēng)機負載轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩、加減速時間以及系統(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)機作為變負載終端，其負載轉(zhuǎn)矩T負載轉(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)機葉輪葉片采用寬而短的等強度葉片，其固有頻率八倍于設(shè)計轉(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，此處為整個葉輪強度最薄弱處。風(fēng)機在加裝變頻調(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)機在運行過程中，由于振動產(chǎn)生的動應(yīng)力，是造成裂紋產(chǎn)生和擴展的原因，但裂紋的萌生和擴展是有一定過程的。因風(fēng)機采用變頻調(diào)速，葉輪受到不斷變化的交變應(yīng)力的作用，在這種應(yīng)力與氣動力和葉輪的振動共同作用下加速了葉輪裂紋的產(chǎn)生和擴展。
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度極限時，即發(fā)生剪切斷裂。
3、聯(lián)軸器
膜片聯(lián)軸器由兩個半聯(lián)軸節(jié)、螺栓和膜片組裝而成，它具有良好的補償軸向、徑向和角位移的能力。風(fēng)機變頻調(diào)速運行中，由于風(fēng)機轉(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，在實際的變頻運行過程中，電機的軸向竄動量也明顯增大，聯(lián)軸器的軸向竄動量也增大，增加螺栓軸向受力。在運行過程中膜片聯(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，運行時的離心力會產(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)機結(jié)構(gòu)的改進處理
(1)對風(fēng)機的葉輪進行加強和優(yōu)化，葉片焊接方式按照高標準執(zhí)行和檢查，并對葉輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行剛性及輻板加固處理，以提高葉輪整體的剛度和強度。
(2)對風(fēng)機的傳扭中間軸的扭振頻率、強度等進行提高和加強，以滿足變頻要求。
(3)選擇聯(lián)軸器時，提高其疲勞安全系數(shù)。
(4)校核轉(zhuǎn)動部件自然頻率，嚴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)機殼體的中間支撐段采用加強型支腿，前導(dǎo)葉葉片增加厚度進行加強設(shè)計，支撐軸承座的法蘭加裝加強筋板，整體提高定子部分的強度及剛度。
四、在變頻改造和運行中應(yīng)注意的事項
(1)靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機經(jīng)改造由定轉(zhuǎn)速成為變頻工況，其軸系和葉輪強度應(yīng)先交給風(fēng)機生產(chǎn)廠家進行校核確認風(fēng)機的強度裕量是否能滿足要求。新設(shè)計的靜調(diào)風(fēng)機若為變頻運行，則在設(shè)計前就應(yīng)提出要求。
(2)原靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機的振動測點多分布在葉輪外殼裝配中段的中分面位置，在定轉(zhuǎn)速運行時該測點能較準確地反映軸系振動，但是在變速時，由于前導(dǎo)葉處氣流激振，易在原測點處產(chǎn)生假共振現(xiàn)象，為解決此問題應(yīng)將振動測點盡量靠近后導(dǎo)葉裝配的原法蘭。若風(fēng)機出現(xiàn)共振，則應(yīng)采取措施避開在該轉(zhuǎn)速運行（如提高轉(zhuǎn)速，使用導(dǎo)葉輔助運行等）。
(3)風(fēng)機進出口管段的布置要合理。風(fēng)機在調(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，氣流的擾動小，脈動幅值足夠小而不會對葉輪葉片造成大的疲勞損壞。
(4)風(fēng)機在運行的過程中，對風(fēng)機的運行速度應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)，避免急劇的啟動和制動（可設(shè)置較長的啟動和制動時間）。
(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)機加裝變頻調(diào)速裝置后進行了轉(zhuǎn)子部分改造，并對其進行了長期密切觀察，至今未再出現(xiàn)上述風(fēng)機損傷的問題，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)計的，且增加這個功能會給使用都更多舒適的感覺，使頻率使用多時，軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速變高，反之，轉(zhuǎn)速自動降下來，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)計這個功能呢，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，黑色是負線，黃色（或是藍色）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因馬達很小，內(nèi)置的PCB板無法設(shè)計PWM電路，空間不夠，暫時還不能做此設(shè)計。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，也是可以實現(xiàn)跟PWM類似的調(diào)速功能的，因為給軸流風(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、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機、水泵轉(zhuǎn)速下降時，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)計中，用戶水泵電機設(shè)計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費。使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，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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