浅析轴流式引风机叶片断裂原因及防范措施

浅析轴流式引风机叶片断裂原因及防范措施

张学明

青岛华丰伟业电力科技工程有限公司　山东青岛　266100

摘要：由中国某公司承建的海外K项目5×660MW 超临界燃油电站机组，#4锅炉A引风机在运行过程中发生叶片断裂事故，经过专业人员对风机运行状况、叶片断口形貌及性能曲线分析得知：引风机失速报警装置整定值偏小，烟道系统阻力特性曲线与风机性能曲线不匹配，在系统阻力不变的情况下风机选型偏小，出力裕量不足。使得引风机在运行一定周期后叶片达到疲劳极限，发生突然断裂。项目部对此提出更换叶片，维持机组出力80%额定负荷运行，加强工程建设过程中设备制造质量监控、检修过程中将引风机叶片检查列入专项检查内容、优化风机运行参数及保护逻辑等防范措施，并针对该次事故进行了相应的整改，避免了同类事故再次发生，保证了机组安全稳定运行。

关键词：引风机 ；叶片断裂；失速；防范措施

引言

本项目燃油锅炉采取GE设计的八角切圆燃烧方式，引风机采用涂层的铸铝叶片。叶片运行两周左右断裂后，厂家认为叶片根部强度设计余量不足，后来更换为铸铁叶片，根部设计加强，铸铁叶片无涂层。专业人员根据风机性能曲线分析得知，锅炉90% 以上负荷运行时，比压能较高，风机经常靠近失速边缘运行，当风道阻力或负荷发生变化时，容易造成失速，烟道系统阻力特性曲线与风机的性能曲线不匹配，风机的出力裕量不符合系统需求，在系统阻力不变的情况下风机选型偏小，失速报警装置整定值偏小，使运行人员不能及时调整，影响风机在安全、高效区域稳定运行。

1引风机叶片分布及断裂现象

1.1机组停运并采取安全措施后，维护人员进入风道内部进行检查，发现A引风机叶片全部断裂，碎片散落于风机扩压筒，风机内部未发现其他异物，检修过程中发现整套叶片全部断裂报废。

1.2从叶片旋转方向及叶型来判断，引风机为左旋，沿叶片1、2、3、4方向运行。

1.3由单个叶片断口可以看出，叶片1、2、3、4、6断口均有较为平滑和不规则切面两部分；由单个叶片断口可以看出其中1、2、3、4切面中的平滑切面占整个切面大部分比例，其中叶片进气侧断面较为平滑，出气侧为高低不平齿状断面。

2对风机运行工况进行计算分析如下：

2.1运行区域工况引风机入口处标准工况下烟气密度，见表2

    ρN =质量流量/体积流量=2447036/1899908=1.288kg/Nm3   (1)

   2.2 风机跳闸时风机入口烟气温度, 见表2

T（引风机入口烟温）=空预器出口烟温-电除尘温降=155-5=150℃    

   2.3 对应工况下的烟气密度

由4.1和4.2得出运行工况烟气密度

ρ=1.288X273/(273+150)= 0.83 kg/m3

   2.4风机运行时的全压

P全=P1+P2+P3+P4+ P5

其中：

P1（电除尘入口负压）：P1=1.013-电除尘入口压力   

P2（引风机压降）：60Pa                       

P3（引风机出口至GGH入口压降）：500Pa

P4（脱硫入口烟气压力）：

P5（引风机入口压降）：250Pa

3. 引风机不同工况点性能计算

   3.1 高效区运行工况点区域

依据比压能计算结果与风机动叶位置，在风机特性曲线上确定可靠性运行期间风机在A\B\C\D\E\F点运行时工况点位置如下：

图1    风机不同动叶开度下运行工况点

4．引风机运行工况及叶片断裂原因分析

4.1 从叶片同步角现象上分析

4.1.1可以看出2、3、4、5叶片的角度与其他叶片不同步，改变了流道设计相似形状，改变了冲角α，当冲角发生改变时就会发生 “坎门涡街” 现象，也叫局部失速。叶片2、3、4、5失速，则在这些叶片间的空气流动减少或完全停止。随之造成在这些区域里沒有压升，这会造成向风机叶轮进口侧的逆向流。

4.1.2随之造成在叶片2-5区域里沒有压升，形成一个局部失速区；由于叶片叶顶面积比叶根大，失速区集中在叶顶上部，在这些叶片叶顶的周围形成一个气流变化很大的区域。由于“坎门涡街”气,会在叶顶产生一个横向周期性交变应力，这个力从进气侧向出气侧传递；随着风机负荷的增加，靠近风机失速区与叶片自激频率相重合时，叶片损伤程度会严重加剧。

4.1.3由于叶片存在局部不同步，造成局部失速，产生由进气侧向出气侧传递的交变应力，刚好与2、3、4个随着叶片的转动，后面的叶片进入失速区，前面的叶片逐渐脱离失速，这就形成了风机的旋转失速。且失速区沿着叶片向后扩散，造成了风机叶片的全部失速。由于旋转失速使风机各叶片受到周期性力的作用，若风机在失速区内运行相当长的高负荷(或失速频率与叶片自振频率相当时)，在叶片的两侧就产生 “卡门涡街” 的激振力，会损害叶片。

4.1.4由于2、3、4、5叶片的不同步，造成局部失速区存在，在高负荷区2、3、4、5叶片长期受到交变应力作力，这与2、3、4叶片断口相吻合。

6.2 从叶片断口形状分析：2、3、4叶片的断口都是从进气边产生疲劳裂纹向出气边扩散，最后产生撕裂，其他叶片都是一次性断裂，属于打击断裂。

6.3 从性能计算工况分析：依据厂家烟风道阻力计算书、不同工况下的风机运行数据，计算出风机不同动叶开度的比压能数值分析，风机在高效区间运行时，全压比较高，系统的阻力变化会直接影响风机比压能的大小，会导致风机在失速区域运行。可靠运行期间风机经常处于B、C、D、E工况点运行，如图1所示，这四个靠近风机失速危险区域，通过计算可以看出，风机动叶80%开度左右时靠近失速区域运行，经常运行在危险工况点附近。事件发生当时进入F点，风机全面存入失速区，造成叶片断裂。

5．结论

综上所述，该项目引风机叶片损坏事故发生后，对风机转子及叶片进行了整体更换，叶片更换为不带防磨鼻的铸铁叶片，并在安装前对叶片进行了全面检查；对热工逻辑进行合理优化，保障引风机安全运行。同时对所有风机叶片制订了专项检查检修计划，定期检查，及早发现缺陷，避免个别叶片断裂造成整套风机叶片损坏的恶性事故再次发生，确保引风机长期安全经济运行。经过一系整改措施，该项目风机安全运行状况得到提高，再未发生风机叶片断裂事故。

参考文献

[1] GE 沙特延布三期5×660MW超临界机组引风机运行说明书 2020.07。

[2] 张吕华, 朱朝阳.660MW机组汽动引风机叶片断裂原因的分析[J]. 风机技术 , 2015 (1) :89–92.

[3] 郑褔国, 王维海. 轴流式送风机动叶片断裂损坏的原因分析[J]. 电力安全技术 , 2008, 10 (5) :36