摘要：某公司二级动叶可调轴流风机的芯轴断裂，通过检查二级动叶可调轴流风机的安装配合，分析受力状态、断口形貌、振动检测、光谱检测等方面，分析其设计安装不合理，同时在动载作用下，在应力集中处产生疲劳裂纹并逐渐扩展，最终导致芯轴断裂，最后提出改进措施及建议。
关键词：轴流引风机 芯轴 疲劳断裂 应力集中
Cause Analysis and Treatment of Shaft Fracture of Large Axial Draught Fan
Liao Weihui，Guangdong Red Bay Power Generation Co.，Ltd.
ABSTRACT：The mandrel of the two-stage axial fan with adjustable rotor blades of a certain company is broken. Through checking the installation and coordination of the two-stage axial fan with adjustable rotor blades，the stress state，fracture morphology，vibration detection and spectral detection are analyzed，and the unreasonable design and installation are analyzed. And gradually expand，eventually leading to the fracture of the core shaft，finally put forward improvement measures and suggestions.
Key words：Axial Draught Fan、Shaft、fatigue fracture、Stress concentration
一、运行情况
某公司一台600MW燃煤机组，配置2台引风机。2013年12月脱硝改造，引风机采用成都某厂公司生产的引进德国KKK技术的二级动叶可调轴流引风机。风机转速750rpm。2016年12月完成超低排改造，对风机转动部件进行防腐性能升级改造。2018年8月，其中一台风机芯轴断裂。
二、风机结构及芯轴断裂情况
二级动叶可调轴流式引风机主要由进气室、集流器、两级叶轮、叶、扩压器、动叶调节机构等部件构成。双级叶轮布置在轴承室两端，引风机转子与电动机转子之间由1根空心轴连接，在电动机转子及引风机转子侧分别有1个挠性联轴器。
双级动叶可调轴流式引风机通过液压调节装置，带动芯轴在主轴内来运行，调整一二级动叶同步，实现对引风机的风压和风量的调整。风机的结构如图1。
图1：引风机结构图
芯轴与主轴同心，内部用铜套支撑支撑。芯轴的主要作用是调节推力盘，支撑调节盘的重量，同时承受推力盘振动产生的动载荷。
一级轮毂处芯轴断裂，如图2。
图2：芯轴凹槽处断裂断面
检查连接卡套、连接法兰以及推力盘，无损坏情况。
三、芯轴工作状态及分析
1、设计及受力分析
推力盘的重量由芯轴承受，但可以有两种途径，一是通过推力盘铜套直接受力在芯轴上，二是通过连接法兰及紧固螺栓、卡套通紧配合，受力至芯轴凹槽处。具体受力状态及分配情况，通过连接法兰与卡套、芯轴的配合，分析推力盘实际的受力状态。
通过卡套、连接法兰、芯轴的配合尺寸的测量，连接后为紧配合，推力盘重量通过连接法兰、半环卡套，受力至芯轴凹槽处（如图3）。现场检查，从连接法兰与卡套的痕迹，发现有受力局部变形痕迹；推力盘的轴套无明显摩擦受力的痕迹。
推力盘与芯轴在在运行中与风机主轴一起旋转运动。同时，芯轴在支撑轴瓦的圆周方向约束，芯轴在圆周方向受振动产生的动载荷、推力盘及推力环等组件的重力，以及在轴向液压缸的推力。
图3：芯轴与推力盘装配图
2、振动分析
查阅此风机运行及振动值情况：从2013年投产至2016年，振动约3丝，运行约1.97万小时，动载荷循环次数约8.88×108。从2016年底超低排改造后，出现振动偏大，从5.5丝到7.5丝波动；负荷越高振动大（如图4），2016年改造后至芯轴断裂，运行1.26万小时，动载荷循环次数约5.69×108。总运行3.23万小时。
图4：风机振动历史趋势
3、材料检测及分析
光谱检查，情况如下：Fe：98.05%；Cr：1.05%；Mn：0.648%；Mo：0.148%；Sn：0.023%，材料与40CrMo接近。测量表面、近表面及中心硬度在240HB至260HB之间，无明显差异。
4、断口分析
断口位置处于退刀槽处，存在明显沟槽，存在应力集中。观察断面大致划分为3个区域。Ａ区为裂纹源区，存在时间较长，裂纹面相互摩擦，表面光滑；Ｂ区为裂纹扩展区，面积较大且较平整，有明显的疲劳弧线；Ｃ区为瞬间断裂区，面积较小且断面较粗糙。断口的形貌为典型的疲劳断口形貌，结合其受力状态，可初步判定该螺栓的断裂类型为低应力疲劳断裂。
四、原因分析
因连接法兰、卡套安装配合不当，推力盘的重量及动载荷通过连接法兰、卡套，受力转移至芯轴凹槽处，推力盘的轴套未受力或受力不足；且在凹槽处存在应力集中。在长期运行振动中，芯轴凹槽处反复循环受力，在动载作用下，首先在应力集中处产生疲劳微裂纹，在一段时间内，裂纹面互相摩擦，裂纹表面光滑，同时裂纹不断扩展，当裂纹达到一定长度时，芯轴强度不足，最终导致芯轴疲劳断裂。
五、结论及建议
为防止出现类似事件，提出如下建议：调整连接法兰、卡套连接处配合尺寸。调整芯轴的受力位置，让推力盘的重力及动载荷通过轴套受力在芯轴上，避开凹槽受力，卡套仅承受轴向推力，不承受重力及动载荷。降低风机振动，降低动载荷应力，振动控制在3.6丝以下。保持芯轴与主轴同心度，定期检查，及时更换芯轴铜套。
随着对火电机组节能要求的提高，双级动叶可调轴流式风机将会越来越多地应用于大型电站锅炉的烟、风道系统中。据了解，此类型风机芯轴断裂多次出现，严重影响机组的安全可靠运行，本文具有一定的参考和指导意义。
作者简介：
廖伟辉，男，热能动力高级工程师，从事锅炉管理工作。
论文作者:廖伟辉
论文发表刊物:《河南电力》2018年11期
论文发表时间:2018/11/29
标签：推力论文; 受力论文; 风机论文; 裂纹论文; 载荷论文; 轴流论文; 法兰论文; 《河南电力》2018年11期论文;