风机叶片断裂分析

左传鸿

【摘 要】论文从风机运行工况、叶片的结构设计以及叶片受力、气流等方面产生断裂的原因进行了分析，并提出相应的解决方案。结果表明，叶片的断裂模式为振动疲劳。另外一次风机是火力发电厂锅炉风烟系统的主要辅机设备，它的安全运行可靠性影响到火力发电厂安全生产的经济性。

【Abstract】This paper analyzes the causes of the fracture from the operating conditions， the structure design of the blades and the force and air flow， and puts forward the corresponding solutions. The results show that the fracture mode of the blade is vibration fatigue， and the large axial fan is the main auxiliary machine of the thermal power plant. Its safety and reliability are directly related to the safe and economical operation of the power plant.

【关键词】风机叶片；断裂；安全生产

【Keywords】fan blade； fracture； safety production

【中图分类号】TH43 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）09-0185-02

1 引言

某发电厂No1、No2锅炉均为连续蒸发量为1030t/h的超高压一次中间再热控制循环燃煤锅炉，发电机组单机容量为300MW。为此，就一次风机叶片断裂原因进行分析，以在日常工作中实现风机的长期安全经济运行。

2 叶片断裂的基本分析情况

第一，经检查叶片断裂处裂纹，在叶片进气侧与叶轮中盘焊缝（靠近焊缝边缘上），裂纹起始扩展方向与叶片和中盘的焊缝方向不是平行的，而是以一定弧度（逐渐大于20°）向叶片内延伸，呈半椭圆形状，向叶片内延伸长度220mm[1]。第二，叶片进气侧与侧盘产生裂纹，使叶片产生弯曲，在离心力作用下，造成叶片通流堵塞，造成失衡振动。第三，断裂的叶片经过材质检测没有发现缺陷，外观平整光滑，无杂物碰击痕迹。第四，断裂处的叶片经校正后重新施焊，焊接完成后，焊缝检测完好，没有明显的塑性变形迹象。第五，从叶片断裂处观看：根部焊接处表面有不明显裂纹，但表面平整光滑，长约25～35mm，属叶片非工作面的承弯拉力侧造成的。1/3部分色深、光滑，相反靠近叶片工作面的2/3断面色浅淡，呈均匀点粒状。第六，风机平时运行中，轴承振动一直保持在0.03mm以下。振动突然增到0.09mm，叶片断裂没有任何前兆提示，更为突出的是No1风机叶片裂纹已达220mm，但风机振动值并无明显变化。第七， 叶片进口端两侧（与中盘与侧盘焊缝处）有大尺寸的三角形工艺缺口结构存在。

以上情况是我们进行诊断和研究工作的基础依据。

3 叶片静强度与静力工况

3.1 叶片强度核算结果

由于缺少叶片的详细尺寸，我们可进行对比性的参照研究。如一台风机ns=35、D2=1716mm、n=1480r/min、工作温度t=70℃、叶片厚度δ=6mm、材料为苏联ct3（相当于我国Q235和20號钢）。

3.2 焊接及热处理

叶轮叶片与中间轮盘（侧盘）的焊接坡口采用单面坡口，填充饱满不咬边，熔合焊透即可。而我厂一次风机叶片厚度δ=6mm，叶片材质为普通低合金钢，风机叶片较长（即（D2- D1）/2的数值较大），叶片焊缝的工作条件更趋安全。事实上，在叶片断裂的过程中，该焊缝经受住了严酷条件的考验而安然无恙。

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，金相组织变化多样的低强度区域。这种强度低于焊缝和母材的晶粒粗大区域，是最易发生断裂失效的薄弱点和突破口，我们应当看到这是一种正常的自然规律。

我们发现：从叶片裂纹的扩展方向来看，是立即以实测角度21.78°转向叶片母材本身扩展。如果我们通过焊前预热，控制电流和焊序，进行气体保护和保温热处理，使热影响区的强度恢复或保持到叶片母材的水平，最后也是无济于事，避免不了叶片断裂。

我们的着重点应是去寻找那些足以造成叶片断裂的原因和断裂机理。

4 叶片静应力断裂的可能性

叶片设计中静强度的裕度很大（400/97.5=4.1），屈服强度设计相当保守。

三角形工艺缺口是产生高度应力集中的最大不利因素。由于静应力过高导致的叶片断裂，一般是即时发生而并非延时发生的，即所需时间甚短。No1锅炉一次风机运行11个月叶片才断裂，而No2锅炉一次风机运行17个月以上叶片并未断裂。

叶片为（材料为15MnV）具有一定延展性能的塑性材料。在静拉力的作用下，其延伸率为δ5=18%。在静力破坏下，必定在断口处存在明显的宏观塑性变形特征。而我厂现场实际情况恰好与此相反。

5 断裂分类和特征剖析

5.1 脆性断裂

从裂纹断面看，没有明显的变形和弯曲，一般当断面收缩率在5%以下时即可判断脆断。从叶片校正后的焊缝间隙吻合情况和叶片断裂前没有丝毫异常来看，断裂的类型显然属于延性断裂。

5.2 交变应力疲劳

实践表明：脆断均属于疲劳破坏或低于屈服极限。从叶片断裂的裂纹和形状走向（半椭圆形）看，断前无明显塑性变形，明显存在内部缺陷部位的应力集中引发断裂，特征综合表明为交变应力疲劳断裂。endprint

5.3 高周期疲劳

高周期疲劳是破坏循环次数的高低，疲劳破坏应力和应变时呈现周期性变化。依据风机转速1490rpm和交变载荷在运行11个月计算可知，交变循环周期远大于高、低两周期的界限值，由此判断为高周期疲劳，而高周期疲劳的基本特征为低应力破坏，吻合了上述判断。

5.4 低周期疲劳

低周期疲劳与高周期疲劳不同在于，低周期疲劳系反复材料塑性应变的高应力疲劳破坏，交变应力的频率极低，不可能在发电厂风机运行中出现，另外低周期疲劳的循环次数一般低于103～104。

总之，高周期低交变应力下会造成叶片疲劳断裂。

6 风机内气流脉动

第一，风机内气流脉动属客观存在。①No1锅炉一次风机试运中，曾测得31.5Hz的气流频率。②同次试验中曾出现No2一次风机因错误操作发生明显的风机喘振现象。风机入口消音器前出现气流尖叫声。机壳和地面震颤，主轴封处大进气、大出气，密封铝片变形损坏的现象，历时约1分钟。③前弯叶片与后弯叶片离心式风机相比较，前弯叶片风机的压力曲线在低负荷运行时，低流量区域内会存在马鞍形不稳定区。风机在高阻力、低流量区域内或低负荷挡板开度小，都会发生风机旋转失速，这是不可避免的现象。第二，经多次的试验研究证明：气流在不同运行方式下产生脉动气流会引起叶轮交变应力幅值，这与风机入口挡板开度值呈相反变化。因此在设备运行中调整挡板开度会减少叶轮交变应力。一般情况下，挡板开度30%～40%及以下是最有害的开度值。第三，造成叶片或其他机构断裂的脉动应力值很小，往往与工作静应力相比，占比例值极低，减小脉动应力可以保证安全运行时间更长。

7 增大风机入口挡板门运行开度的若干建议方法

控制风机入口调节挡板，使之运行时开度在45%以上，则可以大幅度提高运行可靠性。第一，增大风机比转速ns。更换新风机则投资大，工期很长，可行性差，不太现实，可通过风机的局部改进提高ns，在一定程度上改善了风机匹配的合理性，也在一定程度上降低节流损失和运行电流，提高了风机运行的气流稳定性。第二，采用转速调节。低转速运行时，压力比流量下降更快，因而使风机比转速增加匹配改善。挡板门全开后截流损失减少，风机效率提高，电耗减少。

采用液力耦合器，但液力耦合器传动效率太低，滑差损失大，基础变化大，风机找正时工作量更大些，需用新的水源。最好加装变频装置，变频装置既能提高风机效率，又能节电降耗，机械部分无须改造。但变频装置技术可靠性需要很好地了解和掌握，需用函数发生器来控制变速——定速的转换调节过程。缺点是投资很高，维护工作由专人进行，低负荷时电动机发热，影响电动机寿命，还有可能存在避免扭转振动问题。

8 结语

我厂No1锅炉一次风机叶片断裂的根本原因是高周期低交變应力疲劳。在风机设计选型中，负荷量过大，锅炉在低负荷下，风机容易产生喘振，长期处于不稳定状态。针对叶片断裂而言，无前者则叶片肯定不会断裂，无后者则叶片可能不会断裂，前者居主，后者居次。

【参考文献】

【1】成大先.机械设计手册（第三版）[M].北京：化学工业出版社，1993.endprint