轴流式风机叶轮脱落事故原因分析及改进措施

2016-02-02陈栩坤

山东工业技术 2016年22期

关键词：叶轮螺纹轴向

陈栩坤

（广州高澜节能技术股份有限公司,广州 510000）

轴流式风机叶轮脱落事故原因分析及改进措施

陈栩坤

（广州高澜节能技术股份有限公司,广州 510000）

本文通过一起轴流式风机整个叶轮脱落事故进行事故原因分析，并阐述了叶轮锁紧螺栓受力情况及叶轮锁紧要求理论计算方法，再根据前面阐述提出该事故中叶轮锁紧的改进措施。

轴流式风机;叶轮;受力分析

0 引言

2012年在某个风力发电场出现2台空气散热器的轴流式风机整个叶轮脱落导致相应风塔不得不停止发电事故。事故发生后，从外表现象上判断，可能有如下4种原因：1）锁紧螺栓的旋入深度不够；2）性能等级为4.8级的锁紧螺栓强度不够；3）锁紧螺栓螺纹旋向与叶轮转向一致，电机启动时因惯性作用造成锁紧螺栓松动；4）锁紧螺栓未被有效拧紧。对于以上可能原因能否经得住考究呢？本文将根据相关理论分析对以上可能原因进行一一核实，并根据分析情况，推断出此事故的真正原因，最后提出相应的改进措施。

1 轴流式风机叶轮锁紧方式介绍

本文所介绍轴流式风机叶轮锁紧方式是通过适当厚度的锁紧垫圈和锁紧螺栓实现，叶轮使用锁紧螺栓为M10×60，如图1所示。

2 风机叶轮轮盘脱落的原因分析

图1

现通过相关理论进行分析，对可能原因一一核对。

2.1 锁紧螺栓的旋入深度要求

查机械设计手册第2卷对螺钉拧入盲孔的要求可知，对于M10螺钉，盲孔型螺纹孔的螺纹深度为13mm，螺钉的螺纹拧入深度为10mm。而此次事故中，经过对电机转轴的内螺纹孔进行实测，经测量螺纹内孔的长度为16.5mm，大于设计手册要求的13mm。同时，叶轮锁紧螺钉选用规格为M10×60，经过实际测量，螺钉锁紧后的拧入深度在15mm左右，大于设计手册要求的10mm旋入深度，全部均符合机械设计手册要求，因此，锁紧螺栓的旋入深度不够的原因判断不成立。

2.2 性能等级为4.8级的锁紧螺栓强度要求

在此次事故中，风机垂直安装且运转时，叶轮的受力分别有：G为电机叶轮自身重量；f为叶轮内孔与电机转轴过渡配合所产生的摩擦力；A为叶轮转动时所产生的轴向推力；F为锁紧螺栓的预紧力为；N为电机转动轴反作用力；在此次受力分析中摩擦力f可以忽略不计，则可得如下公式：F＝G+A+N；由此可知，螺栓旋紧时，螺栓预紧力F/安全系数SS ≥ G+A，则可以实现叶轮安全锁紧。

（1）电机叶轮自身重量计算：经实际称重，电机叶轮的重量为3.5Kg，那么G＝mg＝35 N；

（2）叶轮转动时所产生的轴向推力计算：当气体流经叶轮时，叶轮对它做功使得压力提高，同时产生反向的轴向推力A，轴流式风机叶轮的受力分别有：p1为进口压力，p2为出口压力，而p2大于p1，由于两边压差使其产生轴向推力A，此推力需通过锁紧螺栓传递到轴承所负担而平衡。因此，对此事故的叶轮所受的轴向推力A计算如下：叶片的轴向投影面积约：18700*9＝168300 mm2＝0.168 m2；叶轮轮盘的面积约：0.032 m2。那么，总轴向受力面积：S＝0.032+0.168＝0.2 m2根据风机选型手册可知，在额定工况运行时，此款叶轮全压为321 Pa，即是（P2-P1）＝321 Pa；由此可知，叶轮的轴向推力A＝（P2-P1）*S=321*0.2＝64.2 N

（3）叶轮锁紧螺栓的预紧力计算。4.8级的螺栓要求的拧紧力矩T为20 N.m；根据《机械设计手册第2卷》，螺栓预紧力的计算如下：拧紧扭矩T转换为预紧力F的公式：T=K×F×d×10-3，其中K为拧紧力系数，d为螺纹公称直径；再查表可知，无润滑的镀锌螺栓K＝0.22，最终得出：F= T/K×d×10-3≈9090 N

（4）叶轮锁紧螺栓安全系数。查机械设计手册对应表格可知，在变载荷中，碳钢螺栓预紧连接最大安全系数Ss＝10。通过以上计算和查表可最终得出：F/10=909 N ＞ G+A≈99 N，即是4.8级螺栓的预紧力完全满足此事故的叶轮锁紧要求，因此，性能等级为4.8级的锁紧螺栓强度不够的原因判断不成立。

2.3 锁紧螺栓螺纹旋向与叶轮转向关系

叶轮的锁紧螺栓是对称件，安装在轴中心，理论上不受离心力；而且螺栓的质量很小，所产生的旋转惯性力远小于螺纹拧紧后的摩擦力，此旋转惯性力可以忽略不计。退一步考虑，此旋转惯性力对螺栓锁紧有影响，那么，顺时针旋转的叶轮，在电机启动期间，此旋转惯性力与螺栓松开方向一致，而在电机停止期间，此旋转惯性力与螺栓拧紧方向一致；而逆时针旋转的叶轮则刚好相反，因此，不管是叶轮是顺时针旋转还是逆时针旋转，螺栓旋转惯性力对螺栓锁紧的影响是相近的；因此，锁紧螺栓螺纹旋向与叶轮转向一致，电机启动时因惯性作用造成锁紧螺栓松动的原因判断不成立。

2.4 锁紧螺栓未被有效拧紧

该风场仅出现2台空气散热器风机叶轮脱落，属于极个别现象，同时，其他可能的3个可能原因已被排除。因此，笔者认为，在此次事故中，造成叶轮脱落的原因是：锁紧螺栓未被有效拧紧，属于安装过程施工人员疏忽造成。经过1年多运行，除刚开始出现的2台空气散热器风机叶轮脱落外，该风场再未出现类似叶轮脱落现象。事实再次证明此事故的原因。

3 风机叶轮锁紧的改进措施

虽然此次事故中叶轮脱落是有安装过程施工人员疏忽造成，但是叶轮锁紧作为关键部分，其单靠弹簧垫圈防松，方法过于简单。因此，为了杜绝类似问题的出现，笔者建议对叶轮锁紧方式增加机械防松零件，使得锁紧螺栓是否锁紧更有效更直观地被识别，同时，增加了双重保险。增加机械防松零件的实现方法：利用叶轮内孔的原有键槽，增加一个双耳止动垫圈，与弹簧垫圈形成双重防松的锁紧方式。

实践证明，经过增加机械防松的叶轮锁紧方式，虽然叶轮安装过程增加一点工作量，但确实非常有效地避免了类似的叶轮脱落事故发生，同时，提高了安全性能，为风机的正常运行提供有力的理论保障。