一、引言
靜葉可調軸流風機具有結構簡單、可靠性高、耐磨性好、維護費用低等特點，被廣泛應用于引風機和脫硫增壓風機中，但靜葉可調軸流風機是采用擋板開度的節流調節方式，即改變管路阻力曲線進行調節。這種調節方式雖然簡單易行，但往往造成很大的能量損失。隨著國家對節能減排要求的提高，各火電廠紛紛在尋找解決辦法，而在靜調軸流風機的電動機上加裝變頻裝置便是辦法之一。
加裝變頻調速裝置后，風機在不同的情況下，通過電機的運轉頻率不斷變化，使風機在0到最高轉速(TB點工況)范圍內進行工作，提高風機運行時的效率從而達到節能效果。風機工作頻率的不斷改變將可能造成與轉子部件固有頻率重合出現共振破壞的結果。另外，變頻器諧波也將引起輸出轉矩脈動，故風機轉速變化將對轉子產生沖擊載荷及交變應力的作用。
實際情況是：電廠的靜葉可調軸流風機在加裝了變頻調速裝置后，也陸續出現了一些問題。例如，傳動軸出現裂紋或斷裂、聯軸器膜片和螺栓斷裂、葉輪輪轂及葉片出現裂紋等，給火電廠的安全運行造成了很大的困擾。本文針對現場出現的問題，逐步分析產生損傷的原因，在結構設計方面，提出安全可行的改進方法。
二、對風機轉子部分的影響
風機加裝調速裝置后，風機的轉速（運轉頻率）隨工況的變化而不斷變化，根據傳動系統運動方程：
當：T電機力矩>T負載轉矩時，風機加速運行：在加速過程中，變頻器的輸出頻率上升時，其定子旋轉磁場同步轉速也隨之上升，但轉子轉速因為拖動系統的慣性而不能跟上，產生了轉差。
當：T電機力矩
當：T電機力矩=T負載轉矩時，風機定速運行：
由公式(1)可以看出，風機負載轉矩和電機轉矩、加減速時間以及系統慣量有關，由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比。由T載轉矩2 9550P／N可知，風機作為變負載終端，其負載轉矩T負載轉矩與轉速N的平方成正比。
由以上分析可知，在變轉速的狀態下，轉子不斷承受著很大交變載荷（力矩）的沖擊，其交變應力大于定轉速工頻運行，極易造成轉子的疲勞損壞。
1、葉輪
我廠生產的靜葉可調軸流風機葉輪葉片采用寬而短的等強度葉片，其固有頻率八倍于設計轉速甚至更高，對速度調節的適應性好，大多數都能安全運行，但也有少數在加裝變頻調速裝置后葉輪出現裂紋現象（如圖2）。
從圖2中可看出葉輪出現的裂紋在葉片根部，即葉片與輪轂焊接處，此處為整個葉輪強度最薄弱處。風機在加裝變頻調速裝置后，葉輪在不斷變化的交變載荷的作用下，焊接部位應力集中，使得金屬結構的表面形成裂紋。另外從葉輪結構上分析，一般葉輪最大應力在進口葉片與輪轂焊接處，葉輪外緣應力相對較小，但該處的變形拘束力較大，它們在不斷變化的交變應力作用下，疲勞裂紋就會在該處萌生。風機在運行過程中，由于振動產生的動應力，是造成裂紋產生和擴展的原因，但裂紋的萌生和擴展是有一定過程的。因風機采用變頻調速，葉輪受到不斷變化的交變應力的作用，在這種應力與氣動力和葉輪的振動共同作用下加速了葉輪裂紋的產生和擴展。
2、傳扭中間軸
由圖1可知，傳扭中間軸為空心管結構，其是通過法蘭與空心管焊接而成，其應力集中也是在法蘭與空心管的焊接處。從圖3中可見中間軸斷裂也是從焊縫處開始，成45。方向剪切斷裂。傳扭中間軸在不斷變化的交變載荷的作用下，經過較長周期的運行后，焊縫處的內部缺陷和表面缺陷等因素形成裂紋，隨后逐步擴展，滲透到金屬本體，導致零件的有效截面積逐漸縮小，應力不斷增大，當應力超過材料的斷裂強度極限時，即發生剪切斷裂。
3、聯軸器
膜片聯軸器由兩個半聯軸節、螺栓和膜片組裝而成，它具有良好的補償軸向、徑向和角位移的能力。風機變頻調速運行中，由于風機轉速的頻繁變化，無形中增加了對螺栓附加的剪切應力。同時，在實際的變頻運行過程中，電機的軸向竄動量也明顯增大，聯軸器的軸向竄動量也增大，增加螺栓軸向受力。在運行過程中膜片聯軸器分別受到扭矩與軸線偏斜引起的彎矩、螺栓與膜片質量不均引起的離心力和膜片軸向位移引起的彈性推力等力的作用。扭矩使螺栓產生剪切應力傳遞給膜片，彎矩使螺栓產生拉伸和壓縮應力，運行時的離心力會產生巨大的剪切應力，使膜片受力不均，而軸每轉一周應力循環就會交變一次，則離心力使螺栓產生剪應力，且隨轉速而變化。實踐表明，膜片聯軸器的主要失效方式是膜片和螺栓在交變循環和復合應力作用下的疲勞斷裂（見圖4）。
三、風機結構的改進處理
(1)對風機的葉輪進行加強和優化，葉片焊接方式按照高標準執行和檢查，并對葉輪內部結構進行剛性及輻板加固處理，以提高葉輪整體的剛度和強度。
(2)對風機的傳扭中間軸的扭振頻率、強度等進行提高和加強，以滿足變頻要求。
(3)選擇聯軸器時，提高其疲勞安全系數。
(4)校核轉動部件自然頻率，嚴格控制并提高其固有頻率，最大限度地防止轉速調節過程中出現頻率重疊，防止共振。
(5)風機殼體的中間支撐段采用加強型支腿，前導葉葉片增加厚度進行加強設計，支撐軸承座的法蘭加裝加強筋板，整體提高定子部分的強度及剛度。
四、在變頻改造和運行中應注意的事項
(1)靜葉可調軸流風機經改造由定轉速成為變頻工況，其軸系和葉輪強度應先交給風機生產廠家進行校核確認風機的強度裕量是否能滿足要求。新設計的靜調風機若為變頻運行，則在設計前就應提出要求。
(2)原靜葉可調軸流風機的振動測點多分布在葉輪外殼裝配中段的中分面位置，在定轉速運行時該測點能較準確地反映軸系振動，但是在變速時，由于前導葉處氣流激振，易在原測點處產生假共振現象，為解決此問題應將振動測點盡量靠近后導葉裝配的原法蘭。若風機出現共振，則應采取措施避開在該轉速運行（如提高轉速，使用導葉輔助運行等）。
(3)風機進出口管段的布置要合理。風機在調速的過程中是無級調速，理論上氣流的頻率和葉輪葉片的頻率重合不可避免，但是如果管段布置合理，氣流的擾動小，脈動幅值足夠小而不會對葉輪葉片造成大的疲勞損壞。
(4)風機在運行的過程中，對風機的運行速度應緩慢調節，避免急劇的啟動和制動（可設置較長的啟動和制動時間）。
(5)若變頻器具備輸出波形功能，應經常檢查變頻器電壓、電流輸出波形是否失真，確保變頻器正常運行。
(6)在每次檢修過程中，建議檢查膜片聯軸器的螺栓是否有塑性變形、傳扭中間軸的法蘭盤與軸管焊接處是否有裂紋、葉片根部與輪轂的焊接附近是否有裂紋。
五、結論
我廠按上述方法，對多家火電廠的靜葉可調軸流風機加裝變頻調速裝置后進行了轉子部分改造，并對其進行了長期密切觀察，至今未再出現上述風機損傷的問題，因此，此優化方案是可行的。
[此貼子已經被作者于2020/4/3 18:01:02編輯過]
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我們知道，如電腦CPU大小的軸流風扇是可以做PWM功能設計的，且增加這個功能會給使用都更多舒適的感覺，使頻率使用多時，軸流風扇的轉速變高，反之，轉速自動降下來，理論上來說，對于軸流風扇的壽命會有所延長
那么，更小型的軸流風扇是不是也可以設計這個功能呢，目前3CM以上的軸流風扇都是可以增加PWM智能調速功能的，一般是三條線，紅色是正線，黑色是負線，黃色（或是藍色）為PWM控制功能線，如30*30*7軸流風扇，我們簡稱為3007，往上有3010，3510，4010都是可以做的，當然，目前3CM以下如20*20*6mm,15*15*4mm因馬達很小，內置的PCB板無法設計PWM電路，空間不夠，暫時還不能做此設計。微型的軸流風扇3線大都是FG功能的，即轉速監測工能
另外，對于小型軸流風扇其實使用量來說，相對比較少，主要原因是增加此功能，成本也會相應的增加，如果能在產品上增加溫控電路，控制產品輸出電壓高低，也是可以實現跟PWM類似的調速功能的，因為給軸流風扇的電壓降低，轉速也會相應的降低。
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由于管式過濾器風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用變頻調速器來調節流量、風量，不含防腐劑應用變頻器節電率為20％～50％，而且通常在設計中，用戶水泵電機設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現象，效率低下，造成電能的大量浪費。使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。
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