碳纤维传动轴在凉水塔风机上的应用

刘岩

北京燕山威立雅水务有限责任公司 北京 102500

1 前言

凉水塔作为工业循环水场循环水温度控制和调节最主要的设施，其主要工作原理是将从生产装置经过热交换而升温的循环水，通过凉水塔布水管线、布水喷头直接喷洒在凉水塔内部的填料层上，通过水与空气的接触，由上部安装的风机带动塔内气流由下至上流动，与自上至下流下的循环水在填料层内进行换热，风机将与水换热后的热气流带出，从而达到降低循环水温度的冷却效果。由于填料部分受限于凉水塔的构造及原始设计，在其正常使用周期内，都能够处于较好的运行状态，这也就进一步突出了凉水塔风机在循环水场尤其是夏季热负荷较高的循环水场中的生产重要性。目前在工业开式循环水场的凉水塔中，轴流风机是应用较为广泛的一种，其主要部件包括：配套电机、传动轴、联轴器、减速机、叶片轮毂组件等，这其中传动轴作为连接电机与减速机的主要功能组件，在整台风机中也是非常重要的组件之一。传统的传动轴采取的是普通不锈钢材质，其在使用初期还能够处于较好的运行状态，但随着运行时间的累积，振动上升、运行电流上升、材质腐蚀等问题也陆续出现，对风机的平稳运行及节能运行非常不利。

2 凉水塔风机的基本运行状况

2.1 循环水场概况

某大型石油化工企业炼油系统循环水场设计处理总量为7000吨/小时，所带生产装置均为炼油装置，其凉水塔为开式凉水塔。其中一座为横流式机械通风凉水塔，该座水塔处理水量为3000吨/小时，水塔分为两间，分别安装一台由国内某主要生产厂家生产的L85型风机。

2.2 运行风机概况

由于该循环水场所带生产装置热负荷较高，系统循环水温差达到7-10℃，造成风机年度累计运行时间远远超过其他循环水场的同类设备。该凉水塔风机的基本构造和基本参数情况分别如图1、表1所示：

表1 L85型风机的主要参数

由图1及风机在凉水塔风筒中所处的位置可以看出，传动轴部分分布于整个凉水塔风筒的内外两个区域，其在运行过程中前后两个区域处于截然不同的两个环境，即风筒内部为潮湿、高温的环境，风筒外部为通风、低温的环境，这也是传动轴在长周期运行后陆续出现故障情况的主要原因之一。

3 不锈钢传动轴运行过程中的主要问题

不锈钢传动轴作为目前凉水塔风机上普遍采取的传动轴种类，其具备自身的一些使用特性，但随着运行时间的增加，不锈钢传动轴及其附件的多种问题也随之体现，而这些问题对于风机的平稳运行产生了非常大的影响，这也就使得解决不锈钢传动轴的隐患问题成为了风机保运工作中的重点内容。

3.1 传动轴易弯曲、不平衡性高的问题

由于该循环水场冷却水负荷高，风机运行时间、启动频次也均较高，造成风机出现故障的频次随之上升，这其中因为传动轴的原因导致风机振动上升的情况也频繁出现。传动轴主要传递单向扭矩，基本属于连续工作，停止和启动不频繁。零件设计要求轴不发生扭转破坏，法兰与轴不发生连接破坏，螺栓孔不发生挤压破坏。依据轴的受力状态，可以将其简化为两端承受扭矩的圆管。该台风机经过多年运行后，其传动轴由于弯曲和不平衡直接造成了减速机的振动随之上升的情况，对风机的平稳运行不利。

该台L85风机的传动轴在3m以上，支架于循环水池之上，长时间处于高温蒸汽环境中，耐腐蚀要求较高。传统工艺一般使用不锈钢经过机械加工制成，质量较大，整体结构笨重，运行效率低，能耗大，安装和维修难度高，并且耐循环水中氯离子腐蚀能力差，寿命较短。与此同时不锈传动轴预热会导致轴的不平衡，不锈钢的塑性作用较为明显，且其塑性变形后会导致振动的增加，进而加速不锈钢轴的疲劳，而不锈钢轴的塑性特性对系统的运行没有任何的积极作用，这个恶性循环过程使不锈钢轴在系统中的寿命明显短于设计预期。传动轴弯曲带来的不平衡转动往往是振动值增高，缩短风电机使用寿命

以本台ф8.53m风机冷却塔为例，驱动ф8.53m风机电机功率为160KW，电机的转速为1400r/min，冷却塔风筒外的电机开启后，以1400r/min高速传动来驱动一根约3m，直径150mm的不锈钢钢传动轴，然后传输到风筒内中心部位冷却塔减速机输入轴上。长度大于3m的传动轴在没有任何支撑架的情况下高速旋转，以行业内现有的加工精度，无法保证同轴度误差为零。同时传动轴在高速旋转时，振动值会随着同轴度精度误差而起伏变动。传统的不锈钢传动轴高速旋转时，产生的振动如果无法消除，必将使传动轴产生疲劳性损伤。随着疲劳程度不断加剧，导致传动轴弯曲度随之加大，最终发生传动轴断裂事故。轻者导致风机因振动高停机，影响凉水塔冷却效果，以及电机、风机、冷却塔减速机、风筒、收水器、填料等损坏现象的发生，重者出现传动轴或风机叶片飞出风筒外伤人现象，这是传统材质传动轴本质安全设计的隐患和缺陷。具体如图2所示。

图2 出现故障的不锈钢传动轴

本套循环水场的这台在用风机就出现了因为传动轴长时间运行后，造成轴弯曲度超标的情况，起初表现为风机减速机的振动趋势逐渐上升，最高时已经达到了5.4mm/s。经过对减速机解体检查、多方检测后，最终才确定为是由于不锈钢传动轴的不平衡性才导致的风机振动上升。

3.2 不锈钢联轴器膜片的损坏问题

不锈钢联轴器膜片的损坏也有可能会直接导致联轴器轴心角的超标，即便传动轴没有出现工程意义上的弯曲，联轴器膜片的损坏也有可能给传动轴系统带来超过1°的弯曲，联轴器都起着传递扭矩和缓冲减振的作用，其中不锈钢膜片联轴器的弹性膜片都是弹性元件，可以补偿轴线的弹性元件也会失效，随之带来的就是传动轴及整个风机振动的上升。

4 碳纤维传动轴的运行优势

碳纤维复合材料由于较高的比强度和比模量以及较小的密度，在航空航天领域已经得到广泛的应用，目前正在逐步向民用产业扩展。沿着纤维的方向，复合材料的抗拉和抗压性能较好，因此纤维方向被称为复合材料的主方向。传动轴是复合材料的一个重要应用方面，目前在航天飞机、高性能汽车、赛车以及特殊用途的机械中得到了较多应用。复合材料传动轴一般为薄壁圆管构件，多数以承受扭矩为主，可以采用纤维缠绕法或在纤维套管中压注树脂法等多种工艺制成，其中缠绕工艺因具有操作简单和成本低的优点，应用较为普遍。

4.1 碳纤维传动轴的主要特点

碳纤维传动轴由于其材质本身的特性，具备很多不锈钢传动轴没有的特点，对于循环水场凉水塔风机的长周期运行及日常检维修工作都起到了较好的作用，下面分别进行简述：

碳纤维传动轴抗拉强度是普通钢材传动轴的6-12倍，弹性模量高于钢材，具有优良的抗蠕变性能和耐腐蚀、抗疲劳性；

还可以根据不同要求合理布线、均匀涨力，达到在不影响整体弯曲度的前提下，增加如与风筒接触部位等重点部位的强度，以确保达到更加稳定的运行效果；

碳纤维传动轴重量仅为普通钢材的1/10，韧性好、噪音小、施工便捷、施工质量有保证；

碳纤维轴具有良好的耐久和耐腐免维护，抗疲劳性是钢材的10倍，使用寿命20年以上，大大超过不锈钢传动轴的使用寿命，同时也降低了不锈钢传动轴修复及风机大修的频次和修理费用；

同心度高、稳定性强，由于一次成型，轴管与法兰无需二次联接，从而使传动轴同轴同心；

碳纤维传动轴扭矩范围为1000Nm-15000Nm，大大提高了传动轴的运行稳定性；

碳纤维传动轴采用膜片联接方式，配用的联接用膜片是高强度碳纤维复合材料加工而成，由于碳纤维材料具有无限次反复弯曲和高强度的特性，所以膜片承载交变载荷的能力提高，使用寿命也相应延长；

传动轴采用一次成形的工艺，轴管通透，不会出现传动轴在冷热交替时，轴内产生凝结水，引起轴振动的情况，大大降低了传动轴的运行风险；

碳纤维轴配套使用的碳纤维材质的联轴器，这种联轴器较之其他材料加工的联轴器有以下特点：a、重量轻，同样型号的联轴器不锈钢的是30公斤，碳纤维材料的是8.5公斤；b、强度高；c、耐腐蚀，由于冷却塔大多安装在高酸、高碱、高盐、腐蚀性较高的环境中，使用这种联轴器，耐酸、耐碱、耐盐、耐腐蚀、大大延长了联轴器的使用寿命。

4.2 碳纤维传动轴的运行效果

碳纤维传动轴是薄壁金属传动轴的升级换代产品，是为提高凉水塔风机性能，专门研制的新产品。本循环水场该传动轴在更换为碳纤维材质的传动轴后，从减速机监测情况来看，整台风机的运行状况得到了明显的改善，具体如表2所示：

表2 风机更换碳纤维传动轴后运行数据对比情况

4.3 碳纤维传动轴的节能效果

（1）降低维护费用。碳纤维传动轴由于其重量远轻于不锈钢传动轴，在风机运转过程中亦达到较好的节能效果。本循环水场L85不锈钢传动轴重量为110公斤，维修安装均需动用吊车，定期还需要做动平衡，维护保养费用较高。

将不锈钢传动轴更换为碳纤维传动轴后，由于其重量仅为11公斤，维修安装无需动用吊车，人工即可进行拆卸、搬运、安装等，且无需定期做动平衡，且碳纤维传动轴正常使用寿命为20年，是不锈钢传动轴使用寿命的几倍，这就大大降低了传动轴部分的维护保养费用。

（2）降低运行电流。从本循环水场风机运行的实际数据可以看出，原L85不锈钢传动轴正常运行电流为190A，更换为碳纤维传动轴后正常运行电流为185A，每小时节约电耗：1.732×380×0.85×（190-185）/1000=2.8度，每小时节约资金：2.8×0.86=2.4元，该风机每年按照平均运行5200小时计算，每年可以节约电耗：2.4×5200=12509元。由此也可以看出，不锈钢传动轴改为碳纤维传动轴后，节能效果显著，且一根碳纤维传动轴的投资回报期仅为1年，运行优化效果也非常明显。

从以上论述可以看出，碳纤维材质的传动轴在工业循环水场凉水塔风机的长周期平稳运行过程中起到了越来越重要的作用，而且从其连续运行多年的实际效果来看，也完成能够满足现场的各种要求。同时从降低维护强度、减少维护费用支出、降低运行能耗、提升设备平稳运行水平等多个方面都表现出了传统不锈钢传动轴所不具备的优势，由此可见，碳纤维传动轴在凉水塔风机配件升级改造工作中具有非常重要的意义和作用。