火电机组引风机变频改造后轴系断裂的原因分析与处理方法

李 英

(国能国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100024)

0 引言

变频调速是提高风机运行效率的有效方法，在电站辅机节能改造中得到广泛应用[1]。但大型轴流风机由于自身结构特点轴系长、转动惯量大、轴系固有频率低，在变转速运行时容易出现扭转共振，造成轮毂、叶片、联轴器等轴系部件损坏[2]，给电厂安全运行造成很大隐患。某600 MW机组AN35型静叶调节轴流式引风机，变频改造后调试阶段仅运行几十小时，电机轴就发生了断裂，断口正处于驱动端轴瓦轴径部位的轴肩倒角处，见图1。

图1 电机轴断口

现有研究认为，风机类转动机械变频后出现扭转振动故障安全问题的原因主要来自机械设计和电气设备两个方面，扭转振动故障源头在于电气设备的谐波，现在正在着手进一步深入研究其作用机理，并在此基础上研究扭转振动抑制措施，提高风机类负载变频改造的安全性。抑制方法可以分为电气抑制方法和机械抑制方法。电气抑制方法旨在通过各类技术手段消除或者减轻谐波对轴系的影响，从源头上消除扭转振动[3]。机械抑制方法主要从机械角度着手，核心在于增强轴系对扭转振动的抵抗能力，利用消振、吸振、隔振等方法增加轴系对扭振故障的抵抗力，目前常见的方法有增轴系部件刚度、增加扭振阻尼、在轴系中加入各类减振设备等[4-8]。与这些方法不同，本文对风机-电机轴系建立扭振模型，分析变频改造后风机-电机轴系断裂的原因，提出风机及电机轴系的一阶固有频率与激振力频率要避开10%以上以保证轴系安全，从而提升风机变频运行的安全性能。

1 风机-电机轴系安全性数模计算

该引风机的额定转速746 r/min，电机电源频率50 Hz，额定功率5 000 kW。叶轮采用悬臂式支撑，叶轮通过中间轴与电机转子相连接，叶轮、中间轴、电机之间皆采用双挠性金属膜片联轴器，整个风机-电机轴系包括：电机转子、膜片联轴器、中间轴、风机轴和风机叶轮，轴系总长度为11.9 m，见图2。

图2 风机-电机轴系示意图

根据该引风机组的实际尺寸和质量参数，建立风机-电机轴系实体模型。首先进行了轴系的强度校核和横向振动校核。计算结果表明，轴系在变转速运行过程中不会发生静强度破坏，第1阶临界转速高于轴系的最高转速746 r/min、轴系也不会发生弯曲振动的共振。

1.1 轴系扭振特性

轴系扭振计算过程见图3，当电机转速为259 r/min时，电机1倍频激振力和轴系第1阶扭振固有频率17.26 Hz重合，可能引起共振；转速为545 r/min时，电机2倍频激振力和轴系的第2阶固有频率72.64 Hz重合，可能引起共振。转速为707 r/min时，变频器引起的间谐波激振力和轴系的第1阶固有频率(17.26 Hz)重合；转速为568 r/min时，变频器引起的间谐波激振力和轴系的第2阶固有频率(72.64 Hz)重合；转速为486 r/min时，变频器引起的间谐波激振力和轴系的第3阶固有频率(105.54 Hz)重合。上述前3阶固有频率共振点的危险程度需要进一步进行扭转响应计算加以评估，其它共振点处于低转速或者高阶谐波激振力引起，而风机在低转速下轴系中扭矩较低，且高阶谐波激振力较小，一般较少考虑。

图3 轴系扭转振动的Campbell图

1.2 轴系扭振响应

计算轴系各截面在各种激振力下的扭转响应，找出最大等效应力的量值和位置，进行疲劳强度分析。经过试算，当转速为259 r/min时，激振频率为17.26 Hz，如果激振力达到额定扭矩的8%，轴系最大等效应力将超过材料疲劳极限，达到187 MPa，位置为电机轴的半径突变处，如图4所示。

图4 激振力频率为17.26 Hz时的应力分布

经过试算，当转速为568 r/min，在激振频率为72.64 Hz，如果激振力达到额定扭矩的2%，轴系最大等效应力为2.47 MPa，位置为电机轴的半径突变处；当转速为486 r/min，在激振频率为105.54 Hz，如果激振力达到额定扭矩的2%，轴系最大等效应力为1.56 MPa，位置为电机轴的中部，如图5、图6所示。以上二个计算结果均远低于材料疲劳极限，因此该频率的激振力难以使轴系产生疲劳损耗。

图5 激振力频率为72.64 Hz时的应力分布

图6 激振力频率为105.54 Hz时的应力分布

1.3 扭转共振时疲劳寿命估算

电机轴的材料为16 Mn，电机厂提供考虑电机轴尺寸修正的材料S-N曲线方程为S5.92·N=2.02×1020，如图7所示。

图7 电机轴S-N曲线

轴系在第1阶共振频率激振下的动应力为187 MPa，该共振频率下的平均应力为67.5 MPa。考虑到平均应力对寿命的影响，需要将实际工作循环应力水平等效转换为对称循环下的应力水平，以便使用标准S-N曲线估算其寿命。由Goodman方程，由Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1，将已知的平均应力和应力幅代入得到等效对称循环应力幅Sa(R=-1)=233 MPa。

由基本S-N曲线得到寿命为N=C/Sm=2.02×1020/2335.92=19.6×105，即当引风机转速为259 r/min时，转子受到的扭转激励频率为17.277 Hz的激振力，最薄弱的部位会在19.6×105次循环后破坏，即在运行31.5 h后发生破坏。

电机轴的第二个危险应力点发生在从右往左数的第4段变截面轴上，即最大应力发生的轴的中部，其值为180 MPa，按照上面的方法可以算出此时的等效循环应力幅为201 MPa，在46.6×105次循环后破坏，即在运行74.9 h后发生破坏。

模型计算中，分别施加幅值为额定扭矩2%和10%的激振力，最薄弱部位不变，破坏时间分别为十几小时和几百小时，都会引起轴系的断裂。其它共振转速下应力幅远小于剪切疲劳极限，不会引起轴的破坏[9]。

1.4 跳频分析结论

除增强轴材料的屈服强度外，还可以通过跳过危险频率的方法来避开扭转共振产生的应力对轴系造成的破坏[10]。对于本引风机-电机轴系，由于和第1阶电机谐波激励发生共振时会对电机轴造成极大疲劳破坏，第2阶电机谐波激励和间谐波激励则不会对轴系造成破坏因此不予考虑。对轴系工作在第1阶电机谐波共振频率附近进行强迫振动响应计算，计算结果如图8所示。

图8 电机一阶谐波共振频率附近的应力幅频曲线

图8中可看出，共振时(转速258.9 r/min)最大应力为187 MPa，当转速增加10%提升到285 r/min时，最大应力降为18.8 MPa，当转速减小10%降低到232.5 r/min时，最大应力降为20.5 MPa。可见，通过调整转速偏离共振转速±10%时，最大应力降为共振时的10%。建议对应于232.5～285 r/min之间，在这个范围内跳频能够有效避免一阶谐波共振产生的高应力水平带来的疲劳损伤。

2 结论及建议

(1)经过数值模拟，造成该引风机-电机轴系断裂的原因是风机变转速运行时轴系发生扭转共振。当风机转速为259 r/min时，转子受到的扭转激励频率为17.26 Hz的激振力，轴系发生第一阶扭转共振，最薄弱的部位会在19.6×105次循环后出现疲劳裂纹, 即在运行31.5小时后失效。

(2)通过分析，可利用跳过危险频率的方法来避开扭转共振。调整风机转速偏离共振转速±10%时，最大应力降为共振时的10%，在这个范围内跳过危险频率能够有效避免一阶谐波共振产生的高应力给轴系带来的破坏。