軸流式風機葉輪脫落事故原因分析及改進措施

陳栩坤

（廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司,廣州 510000）

軸流式風機葉輪脫落事故原因分析及改進措施

陳栩坤

（廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司,廣州 510000）

本文通過一起軸流式風機整個葉輪脫落事故進行事故原因分析，并闡述了葉輪鎖緊螺栓受力情況及葉輪鎖緊要求理論計算方法，再根據(jù)前面闡述提出該事故中葉輪鎖緊的改進措施。

軸流式風機;葉輪;受力分析

0 引言

2012年在某個風力發(fā)電場出現(xiàn)2臺空氣散熱器的軸流式風機整個葉輪脫落導致相應風塔不得不停止發(fā)電事故。事故發(fā)生后，從外表現(xiàn)象上判斷，可能有如下4種原因：1）鎖緊螺栓的旋入深度不夠；2）性能等級為4.8級的鎖緊螺栓強度不夠；3）鎖緊螺栓螺紋旋向與葉輪轉(zhuǎn)向一致，電機啟動時因慣性作用造成鎖緊螺栓松動；4）鎖緊螺栓未被有效擰緊。對于以上可能原因能否經(jīng)得住考究呢？本文將根據(jù)相關(guān)理論分析對以上可能原因進行一一核實，并根據(jù)分析情況，推斷出此事故的真正原因，最后提出相應的改進措施。

1 軸流式風機葉輪鎖緊方式介紹

本文所介紹軸流式風機葉輪鎖緊方式是通過適當厚度的鎖緊墊圈和鎖緊螺栓實現(xiàn)，葉輪使用鎖緊螺栓為M10×60，如圖1所示。

2 風機葉輪輪盤脫落的原因分析

圖1

現(xiàn)通過相關(guān)理論進行分析，對可能原因一一核對。

2.1 鎖緊螺栓的旋入深度要求

查機械設計手冊第2卷對螺釘擰入盲孔的要求可知，對于M10螺釘，盲孔型螺紋孔的螺紋深度為13mm，螺釘?shù)穆菁y擰入深度為10mm。而此次事故中，經(jīng)過對電機轉(zhuǎn)軸的內(nèi)螺紋孔進行實測，經(jīng)測量螺紋內(nèi)孔的長度為16.5mm，大于設計手冊要求的13mm。同時，葉輪鎖緊螺釘選用規(guī)格為M10×60，經(jīng)過實際測量，螺釘鎖緊后的擰入深度在15mm左右，大于設計手冊要求的10mm旋入深度，全部均符合機械設計手冊要求，因此，鎖緊螺栓的旋入深度不夠的原因判斷不成立。

2.2 性能等級為4.8級的鎖緊螺栓強度要求

在此次事故中，風機垂直安裝且運轉(zhuǎn)時，葉輪的受力分別有：G為電機葉輪自身重量；f為葉輪內(nèi)孔與電機轉(zhuǎn)軸過渡配合所產(chǎn)生的摩擦力；A為葉輪轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的軸向推力；F為鎖緊螺栓的預緊力為；N為電機轉(zhuǎn)動軸反作用力；在此次受力分析中摩擦力f可以忽略不計，則可得如下公式：F＝G+A+N；由此可知，螺栓旋緊時，螺栓預緊力F/安全系數(shù)SS ≥ G+A，則可以實現(xiàn)葉輪安全鎖緊。

（1）電機葉輪自身重量計算：經(jīng)實際稱重，電機葉輪的重量為3.5Kg，那么G＝mg＝35 N；

（2）葉輪轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的軸向推力計算：當氣體流經(jīng)葉輪時，葉輪對它做功使得壓力提高，同時產(chǎn)生反向的軸向推力A，軸流式風機葉輪的受力分別有：p1為進口壓力，p2為出口壓力，而p2大于p1，由于兩邊壓差使其產(chǎn)生軸向推力A，此推力需通過鎖緊螺栓傳遞到軸承所負擔而平衡。因此，對此事故的葉輪所受的軸向推力A計算如下：葉片的軸向投影面積約：18700*9＝168300 mm2＝0.168 m2；葉輪輪盤的面積約：0.032 m2。那么，總軸向受力面積：S＝0.032+0.168＝0.2 m2根據(jù)風機選型手冊可知，在額定工況運行時，此款葉輪全壓為321 Pa，即是（P2-P1）＝321 Pa；由此可知，葉輪的軸向推力A＝（P2-P1）*S=321*0.2＝64.2 N

（3）葉輪鎖緊螺栓的預緊力計算。4.8級的螺栓要求的擰緊力矩T為20 N.m；根據(jù)《機械設計手冊 第2卷》，螺栓預緊力的計算如下：擰緊扭矩T轉(zhuǎn)換為預緊力F的公式：T=K×F×d×10-3，其中K為擰緊力系數(shù)，d為螺紋公稱直徑；再查表可知，無潤滑的鍍鋅螺栓K＝0.22，最終得出：F= T/K×d×10-3≈9090 N

（4）葉輪鎖緊螺栓安全系數(shù)。查機械設計手冊對應表格可知，在變載荷中，碳鋼螺栓預緊連接最大安全系數(shù)Ss＝10。通過以上計算和查表可最終得出：F/10=909 N ＞ G+A≈99 N，即是4.8級螺栓的預緊力完全滿足此事故的葉輪鎖緊要求，因此，性能等級為4.8級的鎖緊螺栓強度不夠的原因判斷不成立。

2.3 鎖緊螺栓螺紋旋向與葉輪轉(zhuǎn)向關(guān)系

葉輪的鎖緊螺栓是對稱件，安裝在軸中心，理論上不受離心力；而且螺栓的質(zhì)量很小，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力遠小于螺紋擰緊后的摩擦力，此旋轉(zhuǎn)慣性力可以忽略不計。退一步考慮，此旋轉(zhuǎn)慣性力對螺栓鎖緊有影響，那么，順時針旋轉(zhuǎn)的葉輪，在電機啟動期間，此旋轉(zhuǎn)慣性力與螺栓松開方向一致，而在電機停止期間，此旋轉(zhuǎn)慣性力與螺栓擰緊方向一致；而逆時針旋轉(zhuǎn)的葉輪則剛好相反，因此，不管是葉輪是順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)，螺栓旋轉(zhuǎn)慣性力對螺栓鎖緊的影響是相近的；因此，鎖緊螺栓螺紋旋向與葉輪轉(zhuǎn)向一致，電機啟動時因慣性作用造成鎖緊螺栓松動的原因判斷不成立。

2.4 鎖緊螺栓未被有效擰緊

該風場僅出現(xiàn)2臺空氣散熱器風機葉輪脫落，屬于極個別現(xiàn)象，同時，其他可能的3個可能原因已被排除。因此，筆者認為，在此次事故中，造成葉輪脫落的原因是：鎖緊螺栓未被有效擰緊，屬于安裝過程施工人員疏忽造成。經(jīng)過1年多運行，除剛開始出現(xiàn)的2臺空氣散熱器風機葉輪脫落外，該風場再未出現(xiàn)類似葉輪脫落現(xiàn)象。事實再次證明此事故的原因。

3 風機葉輪鎖緊的改進措施

雖然此次事故中葉輪脫落是有安裝過程施工人員疏忽造成，但是葉輪鎖緊作為關(guān)鍵部分，其單靠彈簧墊圈防松，方法過于簡單。因此，為了杜絕類似問題的出現(xiàn)，筆者建議對葉輪鎖緊方式增加機械防松零件，使得鎖緊螺栓是否鎖緊更有效更直觀地被識別，同時，增加了雙重保險。增加機械防松零件的實現(xiàn)方法：利用葉輪內(nèi)孔的原有鍵槽，增加一個雙耳止動墊圈，與彈簧墊圈形成雙重防松的鎖緊方式。

實踐證明，經(jīng)過增加機械防松的葉輪鎖緊方式，雖然葉輪安裝過程增加一點工作量，但確實非常有效地避免了類似的葉輪脫落事故發(fā)生，同時，提高了安全性能，為風機的正常運行提供有力的理論保障。

4 結(jié)語

綜上所述，作為風機高速旋轉(zhuǎn)件的葉輪，其鎖緊方式是相當關(guān)鍵，但由于看似簡單，在設計過程往往容易被忽視，這就可能因設計考慮不全面，而為后續(xù)安裝工作出錯埋下伏筆，造成不必要的損失。因此，葉輪鎖緊方式設計時要綜合考慮各種因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是風機順利安裝、安全運行的基礎保障。

[1]昌澤舟等.軸流式通風機實用技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2005.

[2]成大先.機械設計手冊（第4版）第2卷[K].

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.030