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哈热电厂一次风机失速与喘振原因分析

哈热厂轴流一次风机失速与喘振原因分析

王凤林

哈尔滨热电有限责任公司、黑龙江、哈尔滨（150046）

摘要：

分析了哈尔滨热电厂300MW机组#7锅炉2号一次风机经常振动超标以至于失速，喘振而停机的原因，根据近一年来风机振动随时间变化的记录，提出有一个动叶没有装键、自由摆动造成风机运行在不稳定工况区工作使风机发生失速，喘振引起风机振动，轴承逐步严重磨损，要求今后检查风机必须查动叶是否松动，从而保证了一次风机平稳运行。

关键词：

一次风机振动喘振失速动叶键

哈尔滨热电厂新建2台300MW机组锅炉采用亚临界一次中间再热自然循环、炉膛平衡通风及四角切圆燃烧方式，制粉系统为正压直吹式，配3台双进双出钢球磨煤机、2台一次风机。

一次风机入口接大气，出口分成两路，一路经三分仓回转式空气预热加热，送到热风母管；另一路旁路风作为压力冷风直接接入冷风母管。

每台磨煤机分别从冷、热风母管中获得所需要参数的一次风。

通过调整一次风风量来控制磨煤机出力。

一次风机是沈阳鼓风机厂制造；出口流量由两级叶轮，动叶、同步开关调节的轴流式风机，具有运转中可调节叶轮叶片角度和风机效率高的特点。

主轴转速：

r/min  1490

全  压：

Pa   13636

风机全压效率：

  83

一次风机的优点是体积小，效率高。

动叶可调轴流风机原理基于机翼型理论，气体以一个攻角进入叶轮，在翼背上产生一个升力同时必定在翼腹上产生一个大小相等、方向相反的作用力，使气体排出叶轮是螺旋形延轴向向前运动与此同时风机进口处由于压差作用使气体不断的被吸入。

缺点：

锅炉负荷调整不好易发生失速，喘振。

动叶调节部分的工作原理：

是调节驱动装置打开液压缸注油口，液压缸活塞动作带动调节轴，调节轴带动调节盘，调节盘带动滑块、重锤滑动、重锤通过键与叶片轴柄相连接，从而打开了叶片。

实现了一次风机风压调节。

一次风机主要包括：

进气室（即进风箱）机壳、导叶环两个转子（叶柄、轴承应采用进口产品）主轴承箱（风机主轴承应采用进口产品）中间轴、联轴器（包括风机侧和电动机侧）联轴器、保护罩、叶片控制机构，叶轮轴承箱、扩压器、挠性接头与风机设备有关的管路和附件等。

测量仪表：

包括轴承、温度、振动、测点、噪声测点、风机叶片位置指示器，进气室、进口及扩压器出口、测压环、油压、油温的显示。

1.轴流通风机失速与喘振的危害

（1）风机失速时，风量，风压大幅降低，引起炉膛燃烧剧烈变化易于发生灭火事故。

（2）并联运行的另一台风机投入自动时出力增大，易造成电机过负荷。

（3）失速处理过程不正确时易于引起风机喘振损坏设备

2.轴流通风机失速与喘振现象

（1）失速风机的压头，流量，电流大幅降低

（2）喘振时风机燥声明显增加严重时机壳，风道烟道发生振动风压，流量发生脉动现象。

（3）失速与喘振不同，风机失速后风压流量降低后不发生脉动。

3. 轴流通风机失速与喘振的关系

（1）失速

目前，一般轴流通风机通常采用高效的扭曲机翼型叶片，当气流沿叶片进口端流入时，气流就沿着叶片两端分成上下两股，处于正常工况时，冲角为零或很小（气流方向与叶片叶弦的夹角α即为冲角），气流则绕过机翼型叶片而保持流线平稳的状态，如图1a所示。

当气流与叶片进口形成正冲角时，即α>0，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况则开始恶化，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1b所示。

冲角α大于临界值越多，失速现象就越严重，流体的流动阻力也就越大，严重时还会阻塞叶道，同时风机风压也会随之迅速降低。

风机的叶片在制造及安装过程中，由于各种客观因素的存在，使叶片不可能有完全相同的形状和安装角，因此当运行工况变化而使流动方向发生偏离时，在各个叶片进口的冲角就不可能完全相同。

当某一叶片进口处的冲角α达到临界值时，就可能首先在该叶片上发生失速，并非是所有叶片都会同时发生失速，失速可能会发生在一个或几个区域，该区域内也可能包括一个或多个叶片。

由于失速区不是静止的，它会从一个叶片向另一个叶片或一组叶片扩散，如图2所示。

假定产生的流动阻塞首先从叶道23开始，其部分气流只能分别流进叶道12和34,使叶道12的气流冲角减小,叶道34的冲角增大,以至于叶道34也发生阻塞,并逐个向叶道45、56…传播,如图2所示。

试验表明：

脱流的传播速度ω′小于叶片运转的角速度ω；因此，在绝对运动中，脱流区以Δω=ω′－ω速度旋转，方向与叶轮旋转方向相同，这种现象称为旋转脱流或旋转失速。

风机进入到不稳定工况区运行时，叶轮内将会产生一个或数个旋转失速区。

叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而会使叶片产生共振；此时，叶片的动应力增加，严重时还会导致风机叶片断裂，造成设备重大损毁事故。

（2） 影响冲角大小的因素

通常风机是定转速运行的，即叶片周向线速度可以看作是一定值，这样影响叶片冲角大小的因素就是气流速度与叶片的安装角。

由图3可看出，当叶片安装角β（图3中虚线代表的角度）一定时，如果气流速度c越小，则冲角α（图3中虚线与相对速度w的夹角）就越大，产生失速的可能性也就越大。

当气流速度c一定时，如果叶片安装角β减小，则冲角α也减小；当气流速度c很小时，只要叶片安装角β很小，气流冲角α也很小。

因此，当风机刚刚启动或低负荷运行时（前提是管道的进、出口风门此时应处于全开状态），风机失速的可能性将会减小甚至消失。

同样，对于动叶可调风机，当风机发生失速时，关小失速风机的动叶角度，可以减小气流的冲角，从而使风机逐步摆脱失速状态。

当然，还可以明显地看出，对于叶片高度方向而言，线速度u是沿叶片高度方向逐渐增大的，在气流速度c一定的情况下，冲角α会随着叶片高度方向逐渐增大，以至于在叶顶区域形成旋转脱流；因此，随着叶片高度的方向逐渐减小，叶片安装角β可以避免因叶高引起的旋转脱流。

目前，动叶可调轴流风机常用的扭曲叶片就是基于这个道理（见图4）。

（3）喘振

一般轴流通风机性能曲线的左半部，都存在一个马鞍形的区域，轴流风机在此区段工作时会发生失速，如果失速是比较强烈，而与风机配合工作的管网系统容量较大整个风机管网系统就可能出现系统周期性振荡现象。

这时轴流风机流量，风压将大幅度纵向脉动且产生异常噪声这种现象称为“喘振”。

工作点K（图5）即为喘振点，当管网阻力增加则工作点左移，此时风机流量下降进入风机气流冲角增大，风机发生失速，风机出口压力下降此时若管网容量较大，管网中压力不会同时立即下降而维持较高值，使管网中压力大于风机出口，压力高气体有一种回冲趋势使气流倒流回风机就是风机流量出现负值原因，这种倒流使叶栅前后压差逐渐消失。

此时气流又在叶片的推力作用下作正向流动，风机又恢复正常工作向管网输气。

管网压力升高到一定值回，风机正常排气又受到阻碍，流量又大大降低风机又出现失速，出口压力又突然下降，继而又出现到流现象，如此不断循环于是出现整个风机管网系统周期振荡现象即喘振现象。

（4） 失速与喘振的区别及联系

风机的失速与喘振的发生都是在p-Q性能曲线左侧的不稳定区域，所以它们是密切相关的。

但是失速与喘振有着本质的区别：

喘振发生在图5所示p-Q性能曲线峰值K以左的整个不稳定区域；而失速只发生在p-Q性能曲线不稳定右上方的倾斜部分，其压力降低是失速造成的，可以说失速是喘振发生的根本诱因。

旋转脱流的发生只取决于叶轮本身、叶片结构、进入叶轮的气流情况等因素，与风道系统的容量、形状等无关，但却与风道系统的布置形式有关。

失速发生时,尽管叶轮附近的工况有波动,但风机的流量、压力和功率是基本稳定的,风机可以继续运行。

当风机发生喘振时，风机的流量、压力（和功率）产生脉动或大幅度的脉动，同时伴有非常明显的噪声，喘振时的振动有时是很剧烈的，能损坏风机与管道系统。

所以喘振发生时，风机无法正常运行。

风机在喘振区工作时，流量急剧波动，其气流产生的撞击，使风机发生强烈的振动，噪声增大，而且风压不断变化，风机的容量与压头越大，则喘振的危害性越大，故风机产生喘振应具备下述条件：

（1）风机的工作点落在具有驼峰形p-Q性能曲线的不稳定区域内；

（2）风道系统具有足够大的容积，它与风机组成一个弹性的空气动力系统；

（3）整个循环的频率与系统的气流振荡频率合拍时，产生共振。

什么是风机的喘振：

是指风机运行在不稳定的工况区时，会产生压力和流量的脉动现象，

即流量有剧烈的波动，使气流有猛烈冲击，风机本身产生强烈的振动，并产生巨大噪声的现象。

哈尔滨热电有限责任公司#7炉#2一次风机是2007年10月1日至12月1日，由黑龙江省火电三公司黄工程师负责安装，沈阳鼓风机厂曹工程师负责调试。

该风机2007年12月8日经过168小时试运后交付运行，投产之后，#7炉#2一次风机经常发生振动。

由于该风机振动跳机设定在轴承振动超过0.08mm时跳机报警，所以经常报警跳机。

检修人员查找原因，检查了轴承温度38℃，用听心捧听轴承的声音也正常，而且扩压器及轴承箱地脚螺丝也不松动。

风机转子振动的机械性原因有六条即：

1）转子不平衡

2）底脚螺栓松动

3）轴弯曲

4）对轮中心不正

5）轴承损坏；

6）轴承间隙过大

以上六种原因均以排除，而且当时供电、供气吃紧又无法停机，所以热控人员将振动报警0.08mm调多次，#7炉#2一次风机只能带病运行，至使最后运行至2008年底11月8日，风机发生了失速，喘振，四瓦轴承振动达0.24mm。

至使#2一次风机被迫停机，#7机组无法满负荷运行；300MW机组只能带140MW。

由于一次风机发生故障，所以磨煤机无法投入运行，锅炉只好投入一半油枪烧油。

因燃油投入量过大，机组无法满负荷运行、热电厂在供热、发电。

形式很紧张、严峻。

厂组织生产技术骨干分析事故的原因及研究处理方案。

由于对这种动叶可调轴流风机热电厂技术人员还是头一次接触，只能求助外援；给哈尔滨市第三发电厂请求支援，因哈三的动叶可调轴流风机大小修，出现了问题也是由厂家派人处理。

最后总工陈军请来了风机的安装工程师火电三公司黄工程师，沈阳鼓风机厂曹工程师。

黄工从内蒙古来、曹工从沈阳来，到哈后，没休息检查了扩压器四个地脚是否稳固。

第二检查了发生喘振时的轴承温度及振幅，最后决定做动平称衡来解决问题。

当我厂生技科技术人员用闪光测相法，对一次风机作动平衡校验。

动平衡工作做了两天两夜，可是平衡块（叶轮上的可移动的）移了多次，平衡时好时坏。

看来又不是平衡问题。

就在这迫在眉睫的关键时刻，我带领检修小组打开叶片检查孔，检查动叶、发现一次风机前侧叶轮有一只叶片松动。

我马上安排人员解开扩压器软连接拉开扩压器解开旋转油密封上的3根油管接头。

1）先将伺服电机与风机外部的调节臂脱离；

2）将调节拉叉与旋转油密封脱离；

扩压器拆除方法：

1）拆下扩散器与主体风箱之间的螺栓；

2）拆下扩散器侧挠性连接；

3）将扩压器用手拉葫芦延轴向方向拉开足够的跑离；

4）松开旋转油密封与液压缸调节阀的法兰螺栓以及定位螺栓，将旋转油密封与调节阀分离；

5）用吊索吊住液压调节油缸，拆下油缸支撑轴部之间的连接螺栓，轻轻将油缸吊下；

6）拆下液压缸之后，拆下支撑轴与调节盘之间的连接螺栓，将支撑轴拆下；

7）拆下轮毂盖，拆前在轮毂盖与轮毂上做对应标记，以方便回装找正；

8）打开主体风箱上的检测门；

9）拆下外侧的导环和调节盘；

10）拆下叶片轴上的紧锁螺母，旋松平衡锤上压键螺钉，然后拆下平衡锤和键。

一年来，没有检查到的问题关键发现了：

有一叶片轴上的紧锁螺垫圈有一个齿已经磨掉，平衡锤与叶柄连接的关键的键没有装，只靠花垫的一个齿当键，所以168试远时振动没有超标，以后这个齿磨咬掉了以后就超标了。

查到原因后我们又决定检查四瓦轴承。

1）拆下轮毂、联轴器以及轴承温度、振子等热工元件；

2）拆下加油管、拆下轮毂侧密封盘；

3）将轴承组吊出在扩压器、进气箱之间吊出；

4）用加热法将叶轮、轮毂及联轴器拆下，同时将箱体内润滑油放净，注意加热时所用烤把用小号嘴子，加热温度90℃左右，不易过高；

5）拆下轴承箱定位压紧螺母，将箱体运送到专用检修车间；

6）拆下两端与轴承箱体的紧固螺栓，将轴承连同轴承壳从轴承箱中抽出，放在专用的支架上；

7）吊好轴承壳，松开轴承外端盖，将轴承壳连同轴承外钢圈一起从轴上拆下；

8）松开轴承外、内端盖与轴承的连接螺栓，吊好轴承壳，安装好专用工具，将轴承壳拉下放好；

9）用专用工具将滚动轴承、定位圈、挡油圈一起从轴上拉下，轴承外钢圈可用紫铜棒从轴承壳中轻轻敲出，慢慢地拆下；

10）放松挡油圈上的支头螺栓，松开轴上被帽，取下止退圈，安装好专用工具，用热加至90℃的机械油浸浇在部件上，推力轴承、球轴承、定位圈、溅油圈一起从轴上拉下。

检查发现：

四瓦轴承油隙超标磨损0.42mm严重超标；四瓦轴承外圈运行时转动，由于没有轴承，四瓦轴承又是日本进口轴承，时间紧迫，从沈鼓鼓风机厂买到轴承空运到哈，当天晚上我们从新压好了轴承各部间隙，将自由转动叶片、叶柄上的键从新配好，第二天清晨一次风机回装完毕，清理出入口风箱内杂物（杂物较多）入口网罩，校正好出入口挡板。

一次风机试转成功，三瓦振动0.02mm，四瓦振动0.03mm，两瓦温度31℃。

4.哈热厂#7炉#2一次风机失速与喘振原因分析：

为了查出#7炉#2一次风机失速喘振原因，防止今后一次风机再次发生失速喘振，我们查找了#2

一次风机投产一年来的运行振动四瓦轴承记录。

记录如下：

表1

2006年168小时试运

2007年1月—3月

2007年3月—5月

2007年5月—8月

振动0.03mm温度30℃

0.04mm温度31℃

0.05mm35℃

0.08mm41℃

2007年8月—10月

2007年10月—11月

11月1日-11月10日

11月11日

振动0.08mm温度45℃

0.09mm温度45℃

0.12mm46℃

0.24mm49℃

这期间因为一次风机振动超标，超过0.08mm时风机自动报警，由于没有检查出报警原因，因此热控人员只好将报警0.08mm死点调到0.09mm至0.10mm，后来风机振动0.12mm，此时由于振动超过0.09mm不仅报警而且停机，热控人员又将死点调到0.12mm，由此造成11月4日振动超过0.24mm，风机发生失速，喘振。

根据以上记录分析，正是由于叶片上一支动叶、叶柄少装了一个关键的键，168试运时虽然少了一个键仅有花垫一个齿吃力，没有振动，振动0.03mm，到2007年1月以后振动加大说明花垫的一个齿已磨咬掉使该叶片运行时自由摆动造成风机在不稳定工况区工作，风机经常发生失速与喘振，使风机发生强烈振动，造成轴承初期磨损，后来振动由0.08mm至0.12mm形成中期磨损，直至后来振动至0.12mm—0.24mm造成急剧磨损，这也符合设备磨损的阶段曲线看图6。

磨损量

急剧磨损

初期磨损

正常磨损

t

0

图6

由于四瓦轴承的磨损及一支动叶的自由摆动，造成四瓦轴承振动同时发生了一次风机的失速与喘振，造成一次风机停机，这一观点得到了火电三公司工程师的认可及厂家工程师的认可，我们同时得到了厂长的嘉奖。

5.预防风机失速与喘振措施：

（1）加强检修质量；前后两级叶轮叶片保持同步运行，调整叶片角度偏差在1度-3度之间过大将导致风机失速线下移风机易失速，喘振。

（2）清理风机烟风道，入口网罩杂物。

（3）加强监视防止挡板误动，防止风机在不稳定工况区运行。

6.结论

哈热厂建厂50年来，风机叶片始终是固定的，使用沈阳鼓风机厂轴流式动叶调叶片还是头一次，所以发生了没有找到动叶片没有装键，造成风机振动、喘振的原因，我们总结了经验今后每次大、小修对动叶可调风机及泵类必须检查其动叶是否松动，这样才能保证一次风机及泵类的安全运行，从而实现稳发多发的经济目标。

参考文献：

[1]吴明强《泵与风机》华北电力学院水利电力出版社1990

[2]侯文纲《工程流体力学泵与风机》水利电力出版社1993

哈热厂轴流一次风机失速与喘振原因分析

王凤林

哈尔滨热电有限责任公司