大型风机（共7篇）
大型风机 篇1
1 风机叶片现场平衡校正
我公司窑头排风机Y4-73-23NO.25D, 流量385000m3/h, 转速730r/min, 全压2200Pa, 功率400kW。在运行一年半后, 运行振动逐渐增大。其现场测振值为:水平振动15.9mm/s, 垂直振动6.8mm/s, 轴向振动为5.6mm/s, 严重影响该风机的安全运行。
经检查发现, 风叶有大面积磨损致使风叶重心偏移而产生振动, 为了维持正常生产 (因该风机补焊修复, 做动平衡必要一周左右, 决定在计划检修时修复) 。根据振动原理, 采取在现场找动平衡方法对该风机风叶做动平衡校正。其步骤方法如下:
(1) 找线:先将转轴 (风叶端) 涂黑或涂白以便观察轴上划痕。利用磁力座将划针固定在 (静止) 机座上, 划针针尖距转轴0.1～0.5mm左右 (可调节) ;启动风机, 划针在转动上轻轻划线, 因风叶重心不平衡时, 运转时其轴必然有径向跳动, 轴上划痕亦不连续, 偏重的一方有划痕, 轻的一方没有。划针可固定在2～3点, 重复操作2～3次, 观察轴上划痕方向、长度是否一致, 以便更精确地找出偏重位置。
(2) 找出偏重方向:停下风机, 量取轴上划痕段弧长, 找出弧长中心。其对应的风叶方向就是偏重方向, 反之180°对称方向就是轻的方向。
(3) 配重:在轻的方向风叶的边板上, 试加配重试块 (自制U型卡, 见图1) 固定。 (配重试块制作50g、100g、200g、500g左右各3块或称量) 开启风机观察振动情况 (一般大型风机都装有测振装置或用测振仪测量, 或观察划针在转轴上的划痕情况) 。
重复上述过程, 加减配重试块, 直到振动下降, 风机运行平稳, 转轴圆周上均有划痕时, 取下配重试块称其总重, 取相同重量的配重块焊接在相应的位置即可。风机运行时测量其振动值:水平振动为2.9mm/s, 垂直振动为2.1mm/s, 轴向振动为2.5mm/s, 运行效果相当不错。
采用该方法, 简单易行, 无需任何设备和仪器及费用, 且时间短, 一般可在4～6小时完成, 但由于工况决定风机叶片磨损在所难免, 每做一次动平衡校正后, 风机可安全运行4～6个月, 大大提高运转率。
2 大型风机轴颈的现场修复
我公司2500t/d熟料生产线窑尾排风机 (Y4-2×73-7№21F) 在试生产过程中, 非电机端轴承烧坏 (油浸式润滑) , 且轴承内套与轴粘连严重, 粘连物剥离后轴颈最深损伤达4mm, 为尽快恢复生产, 公司采取拆卸, 将整个转子部分运回厂方修复要一周时间, 严重影响了正常的生产。
时隔三月高温风机 (W6-2×29№33.5F) 也发生同样事故, 其损坏程度与窑尾排风机类似。为了不影响生产, 这次采取现场修复方法, 利用该公司现有的车床中心架和小刀架, 利用该风机慢驱动作为动力。其现场修复步骤如下:
在风机机壳与轴承底座之间制作一个工作平台, 便于使用千斤顶, 安装中心架和小刀架架设;用千斤顶将轴顶起移出轴承座, 架设中心架;利用氧炔焰将轴承外套割掉, 内套用切割机分块切割, 用錾子将粘连物削离 (注:轴承内套严禁用氧炔焰切割, 防止轴受热不均而变形) , 再用磨光机打磨, 将熔融的轴承钢彻底清除。然后用Ф2.3焊丝CO2气体对损伤轴颈进行对称堆焊, 堆焊完毕后用保温岩棉进行包裹降至室温 (此时安装小刀架) 。车削时用百分表找正找平 (百分表架在慢驱动离合器上) , 再车削至配合尺寸。轴承装配后进行空负荷试车 (变频调速) , 轴承振动、温升情况达到要求, 最后进行带负荷试车, 运行平稳, 无异常。投入正常生产。此次修复连续作业共用26小时, 后运行一直正常。
大型风机叶片模具温控系统的设计 篇2
关键词：PLC,叶片模具,温度控制
0 引言
在大型风力发电机组叶片的生产过程中, 叶片成型模具是核心工艺装备之一[1]。目前, 大型风机叶片模具的制造已成为阻碍风机叶片发展的主要瓶颈。而叶片模具的温度是其加工成型过程中最重要的工艺参数, 影响着叶片成型模具的质量。如果温度控制的效果不佳、控制精度不高或控制系统的可靠性差都将影响成型模具的质量, 甚至可能造成模具局部烧损, 导致模具失效, 严重影响生产效率和交货周期。因此, 模具加热装置的温度控制是风机叶片模具成型过程中的重要技术问题之一。
在叶片成型模具加热过程中, 有区域划分多且复杂, 在注胶固化、温控停止与合模固化过程中对温度的动态以及静态偏差要求严格的特点, 针对以上特点, 设计基于西门子PLC的多路温度控制系统, 并且满足叶片成型模具制造的工艺要求。
1 叶片成型模具加热工艺
目前, 较为通用的模具加热方式之一为电阻丝加热[2]。另一种较通用的模具加热方式为循环水、油加热, 该方式需加装循环泵、加热器等设备, 通常采取在复合材料型面内预埋铜管等金属管材的方式, 一般情况下, 金属管材不易折弯随形, 而且焊接的难度大可靠性低, 容易出现漏水现象, 且还存在成本高、重量重等缺点。
这里采用改进型的循环水加热技术, 即在模具中预埋PB (聚丁烯) 管的方式[3]。PB管作为一种绿色管材, 其在生产使用至废弃过程中均无毒无害。PB管可承受110℃以下的温度, 对于水循环加热有良好的适应性。在安装过程中, 通过热熔连接实现永久连接后, 管道无渗漏, 耐压性能可长期保持。目前PB管在供水系统、采暖系统中得到了广泛应用, 是一种价格低廉且性能良好地水路材料, 非常适用于大型风机叶片模具加热系统。
结合风机叶片加热的一些相关需求, 设计了一套完整的水循环加热系统来完成对模具的温度控制, 如图1所示。
2 温度控制系统设计
2.1 温控系统工艺要求
对于兆瓦级大型风力机组叶片模具, 在设计中要求模具型腔内温度可达到80℃;模具恒温保持过程中控制精度为±2℃;在模具温升动态过程中偏差控制在4℃以内。叶片模具成型过程的期望温度曲线如图2所示。
2.2 西门子S7-1200PLC
S7-1200是西门子工业自动化公司近年推出的新的模块化控制器, 可以实现精确度要求高的自动化控制任务, 作为西门子中低端S7-200 PLC的替代产品, 其主要有安装简单方便、可扩展性强、开发简单、精确度高、成本低廉等特点, 可以很好地完成风机叶片成型模具温度控制任务。
作为S7-1200的工程组态软件, STEP 7 Basic相比上一代软件最大的变化在于直观、易用。STEP 7Basic是以任务为导向的智能的工程组态编辑器, 包括Win CC Basic在内的整个软件体系可以完成控制系统逻辑编程和HMI基本面板组态, 并且可以进行在线调试和离线仿真。
西门子HMI KTP400单色精简面板作为适用于S7-1200的具有基本功能的HMI面板, 可以用于风机叶片成型模具的温度控制任务中。其大小以及分辨率适用于复杂度不高的控制任务中。
2.3 控制系统结构
由于叶片成型模具是分区域、多回路进行加热的, 故在一个总控制器用于控制加热炉进行循环水加热以及协调各单回路温度控制的基础上, 各个回路分别对各自加热区域进行温度采集并通过阀门对温度进行升温、恒温与冷却控制。系统的控制原理图如图3所示。
根据上述控制原理, 基于S7-1200 PLC, 对控制器设备进行选型, 如表1所示。
2.4 控制流程
图4为控制系统设备网络组态图。控制系统的实现通过在西门子全集成自动化软件博途 (TIA Portal) 上进行开发来完成。博途软件是西门子公司近年来推出的一款集成化工程技术软件平台, 在博途软件中可以完成硬件网络设备组态和参数配置、通过不同语言创建程序块并进行调用、通过PLCSIM进行程序仿真、人机界面的组态和设定等工程任务。叶片模具温控系统的全部软件工程均在博途软件中完成。
在叶片模具温控系统控制流程中, 将整个控制系统分为恒温保持、加热温升和降温过程, 如图5所示。其中恒温保持和加热温升是通过加热炉对循环水进行加热完成的, 而降温过程是通过补充冷水和自然降温协同完成。阀门方面主要配合加热炉加热器进行水流量控制, 并提供紧急报警的处理。
在控制精度方面, 基于系统温度测量的实时性, 采用B级Pt100热电阻测温可满足叶片模具成型过程中对温度±2℃的静态偏差要求以及温升过程中不大于4℃的动态偏差要求。
3 结语
设计简洁实用的触摸屏操作界面 (如图6所示) , 使运行人员可以快速熟悉系统操作, 完成成型模具的制造。
将西门子S7-1200控制器运用于大型风机叶片模具成型温度控制系统中, 可以很好完成控制任务, 成本低廉, 安全可靠。采用循环水加热解决了电阻丝加热方式所出现的局部超温过热的问题, 抗干扰能力显著提升, 提高了模具的稳定性, 有良好的推广应用前景。
参考文献
[1]韩超, 刘晓宇, 董宇翔.欧姆龙PLC在叶片成型模具多路温度控制中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化, 2011, (5) :49-51, 69
[2]冯消冰, 王伟.1.5MW风机叶片模具加热工艺研究与技术创新[J].玻璃钢/复合材料, 2010, (3) :66-68
大型风机 篇3
由于叶片几何形状为空间扭曲面, 一般不能进行机械加工 (除非用五坐标联动数控铣床) 。在确保几何精度和能够去除表面缺陷的前提下、尽量减少加工余量, 无疑金属型铸造是最佳方式。但采用该铸造方法在试制过程中遇到某些铸造质量问题, 主要有气孔、缩松、冷隔、充型不足。对比查验国外所制的样件, 发现也存在缩松、裂纹等相似的铸造缺陷。因此对该类铸件缺陷产生的原因进行分析研究, 并提出有效的改进措施。
1 铸件的几何形状和技术要求特点分析
1.1 几何形状
大型风机的型号较多, 相对应的叶片种类也较多, 其长度从500~2000mm成系列, 但其几何形状特点基本相同, 可概括如下。
1.1.1 平面投影呈柳叶形, 长宽比一般为 (3~7) :1。
1.1.2 叶片的横剖面形状为梭形切面, 拱度比较大 (即叶面、叶背曲率较大) ;纵向厚度由叶根至叶尖光顺减薄;整个叶片边缘很薄, 仅有1~2mm厚;叶根部的叶轴为Ф100~200mm, 叶形为空间扭曲状, 剖面升角一般为-10。~+10。
综上所述可知, 铸件几何形状定义为空间扭曲光顺的细长不等厚件, 并且边缘极薄。叶片的一般形状见图1。
1.2 技术要求
1.2.1 其力学性能、化学成分应满足GB1173或HB962标准中铸造铝合金技术条件的要求。
1.2.2 铸件经表面加工和抛光后, 不允许有任何铸造缺陷。
1.2.3 铸件内部经检测不允许存在缩松、裂纹;针孔度小于2级, 应满足GB9438或HB963标准中铝合金铸件技术条件的要求。
对如此形状的铸件作如此的质量要求, 应当是比较苛刻的。
2 铸造缺陷产生原因的分析和改进措施
根据试制的叶片铸件缺陷, 进行了细致分析研究, 找出了缺陷产生的原因, 提出了有针对性的工艺改进措施。
2.1 冷隔和浇注充型不足
由于采用金属型, 并且叶边缘及叶尖较薄, 一般2~3mm, 有些仅1mm, 又因几何形状属细长件, 流程长, 所以浇注时合金液失温很快, 流动性骤减。相应需采取的措施如下。
2.1.1适当抬高叶根部位, 使分型面倾斜, 将叶尖最薄处处于最低处, 并将内浇道开在此处, 使最薄处的部位静压头最大, 提高该处铸型的蓄热量, 从而增强壁薄处的充型能力。
2.1.2 将分型面设在叶面和叶背交界处, 即叶边缘, 并开置排气槽, 提高浇注时型腔排气量, 在边缘不形成背压, 减少合金液的充型阻力。
2.1.3 适当增加叶片薄壁处的涂料厚度, 调节铸型的导热梯度。降低合金液的失温速度, 保障合金的液态流动性。
2.2 气孔和夹渣
从气孔和夹渣的形态和分布状况分析, 是由于浇注系统设计不合理, 造成合金液紊流比较严重, 形成卷入性气孔和夹渣。为此需考虑降低浇注系统的静压头高度, 选择阻力系数大的直浇道形状, 调整静压头势能和内浇道动能的平稳转换, 另外采用内浇道开放底注式, 防止内浇道处合金液倒流、对流、翻滚, 尽量达到层流, 平稳充型。
2.3 缩松和裂纹
缩松和裂纹多数都存在于叶片的轴线部位, 多数情况下叶片的各剖面最大厚度都位于轴线附近, 厚度的纵向变化从叶尖至叶根平缓增厚。因采用金属型, 所以铸型各处冷却程度趋于相同, 凝固温度场可按铸件几何体积分布来看待, 即叶片边缘先凝固, 凝固界面逐步推进至剖面最大厚度处。而沿叶轴纵向, 因属于细长杆形, 凝固形式近乎于同时凝固, 而且该铝合金的物理性能属于液一固相体缩较大, 需体积补缩, 又因为要保证叶面外形, 在叶片上不能放置冒口来进行补缩, 故在叶轴线附近很容易产生集中缩松, 严重时产生缩裂。为此采取以下措施。
2.3.1 在考虑浇注位置的情况下, 选择平注、竖直冷却的方法, 即浇注时铸型处于水平位置, 浇注后铸型旋转90。, 在合金尚在液态时形成重力补缩, 冒口放置在铸件热节最大处 (叶根轴处) 。
2.3.2 用刷铸型涂料的厚度来调整凝固温度场, 纵向从叶尖至叶根涂层逐步加厚, 以增加凝固的温度梯度, 从而利于铸件的顺序凝固。
3 叶片的铸造工艺方案
根据上述的缺陷分析和改进措施, 将优化后的铸造工艺方案用于金属型的设计制造中。
3.1 浇注位置
叶片根据其规模大小确定其浇注位置。一般长度在1000mm以内的可以考虑立式浇注, 垂直分型。这样有利于铸件的冒口重力补缩, 开合型也比较方便。合金液的浇注速度可通过改变直浇道的形状进行控制。
长度在1000mm以上的浆叶就应考虑采取水平浇注, 竖直冷却凝固的方式。铸型放平时应使铸型倾斜5。~10。。使桨叶尖处于较低的位置。
3.2 浇注系统
无论是立浇还是平浇, 都应遵循合金流动充型平稳的原则。直浇道应设计成阻流系统大的蛇形浇道。因为大型叶片即使平浇静压头高度也很大, 大多在500mm以上。平浇时, 直浇道应开设在靠近叶尖的部位。内浇道设计成扁平形, 开设位置为分型面最低的前后缘处, 并尽量向叶尖靠近。当叶尖型腔高度小于3mm时, 则内浇道直接开设在该处。
3.3 开设排气槽
在铸型边缘型腔高度小于4mm的地方开设0.1~0.2mm深, 宽5~10mm的通气槽。以防止这些地方被合金液封闭, 排气不畅, 形成背压, 阻碍合金液充型, 造成铸件欠铸缺肉。
3.4 调整涂料厚度, 达到顺序凝固
涂刷涂料的原则是横向截面两边涂层厚中间薄, 沿纵向叶尖薄, 叶根厚。横向截面两边涂层稍厚, 目的是延缓两侧合金液的冷却速度, 以利于充型。纵向从叶尖到叶根涂层逐渐变厚, 是为了增大叶片纵向的温度梯度, 有利于顺序凝固。
4 结论
通过对大型风机叶片的铸造缺陷分析, 找出了缺陷产生的原因, 有针对性地提出改进措施。这些措施在500~1000mm不同规格的叶片生产中得到了验证。
摘要：针对铝合金叶片的铸造缺陷, 分析指出浇注位置、浇注系统设计、型腔排气和充型温度场是造成铸造缺陷的主要因素, 据此, 有针对性地提出了铸型倾斜、平浇竖冷、沿分型面开设排气槽、改变涂料层厚度以及调整凝固顺序等改进措施, 其效果在生产中得到验证。
大型风机 篇4
某热电装置有两台CFB锅炉, 每台各配有1台一次风机、1台二次风机和1台引风机。一次风机的转速1460 r/min, 额定功率2500 k W, 全压为22 k Pa, 流量335610 m3/h。风机结构型式为双吸单出双支撑单级离心风机, 风机与电机间采用带加长节的膜片联轴器联接, 风机轴承采用进口道奇 (DODGE) 带座滑动轴承, 风机前后轴承各有一个bently1900测振探头。
二、存在问题
2010年1#CFB锅炉的一次风机在检修后运行过程中非驱动端轴承振动增大, 从开机时<3 mm/s增大到4.5 mm/s, 振动绝对值虽然还未超出允许值, 但风机轴承尤其是非驱动端轴承基础平台及平台周边2~3 m范围内地面振感强烈, 而2#CFB锅炉一次风机轴承振动在2 mm/s以下, 可以确定1#CFB锅炉的一次风机存在某种机械故障。
三、故障诊断及处理
道奇轴承在顶部有一个调整螺丝用以调整轴瓦紧力 (图1) , 按照风机厂家说明书要求, 轴承安装时需将力矩扳手调整至2500 in.lb (约282 N·m) 拧紧调整螺丝。发现轴承振动增大后, 将力矩扳手调整至280 N·m重新上紧, 调整螺丝不动。对机组振动进行监测, 以进一步分析故障原因, 风机测点布置见图2。
由表1可知, 风机测点4水平方向振动最大, 振动值为4.7 mm/s。从测点4水平方向测点的时域波形 (图3) 和振动速度频谱 (图4) 可以看出, 振动频谱主要表现为1倍频, 同时伴随较丰富的谐频, 从时域波形来看, 有周期性冲击碰摩现象;而测点3的振动速度频谱有丰富谐频及整分数倍频率 (图5) 。分析认为可能原因为: (1) 轴瓦磨损或轴瓦间隙偏大; (2) 机组动静部分间隙不均造成周期性的碰摩, 可能是风机轴封碰摩或叶轮与机壳处气隙过小引起摩擦; (3) 转子的运行过程出现不平衡或不对中。
mm/s
2011年5月, 锅炉停炉进行年度例行检修, 借此机会对风机进行检查, 重点是针对状态监测分析的原因做相应检查。 (1) 检查风机轴瓦, 风机轴瓦完好。根据厂家图纸要求重新调整风机轴瓦间隙、找正对中。 (2) 检查轴封, 发现铝制轴封有较大磨损, 轴封间隙已很大, 根据磨痕及风机后期正常运行轴封漏风情况判断, 轴封应是在运行初期就已磨损, 振动并非轴封碰摩引起。检查叶轮与机壳处气隙为7~12 mm, 稍大于图纸要求的6~9 mm, 叶轮处没有摩擦痕迹, 因此这也不是引起振动的原因。 (3) 检查风机叶轮, 叶轮完好, 表面没有明显积灰, 但还是要求维护人员对叶轮表面进行了仔细清理。
风机检修完成随即进行试运, 发现振动没有得到明显改善, 基础平台及附近地面振感没有变化, 并且风机在投用带正常负荷后振动与检修前基本一致。风机检修后试运振动数据见表2。
mm/s
由于检修时间限制及风机振动尚处于标准可接受的范围内, 因此决定此次例行检修期间不再对其处理, 而根据风机此次检修情况重新制定检修方案, 待锅炉第二年例行检修时再进行处理。
检修后重新分析风机振动的原因, 有相当一部分人员根据检修情况认为风机转子动平衡有问题, 需要返厂做动平衡或在现场进行动平衡。如果返厂做动平衡, 时间长, 费用大;现场做动平衡, 如果振动的原因不是由动平衡引起, 每次检修后风机工况变化, 都需要重新做动平衡, 而且效果未知, 因此需要首先确认风机是否存在动不平衡。
根据之前的振动频谱图、时域波形图, 无法明确肯定是否存在动不平衡。根据旋转机械振动理论, 不平衡的特征除了在时域波形图和频谱图上具有稳定的1倍频分量的特征外, 还有其他明显特征, 对转速变化敏感, 在相位上中也有明显特征:同一轴承座水平方向与垂直方向测得相位差为90°。由于风机启动时间短, 并且正常运行时风机没有启动机会, 无法通过对转速敏感这个特征进行判别。因此需要通过相位特征判别是否动不平衡。请北京某专业设备状态监测人员进行状态监测, 结果如下。
(1) 现场采集绝对振动最大点是测点4的水平方向, 为4.5 mm/s。振动频率以转速的1倍频为主, 且有较丰富的谐频。从速度和加速度的时域波形看, 有很规律的瞬间向上和向下的冲击 (图6、图7、图8) 。
(2) 测点3位置振值相对测点4小一些, 水平、垂直、轴向振动绝对速度值分别为3.0 mm/s、2.5 mm/s、3.0 mm/s。振值总体较小, 轴向振动比垂直方向大一些, 水平和垂直方向振动频率以转速的1倍频和4倍频为主;轴向振动频率以转速的1倍频和5倍频为主 (图9、图10、图11) 。
(3) 现场观察测点3垂直、水平方向相位差为169°, 测点4的垂直、水平方向相位差为155°。
(4) 现场观察运行中的联轴节膜片有较大的变形, 且有一片膜片变形方向与其他膜片变形方向相反。
从振动监测图形数据分析可以看出:
(1) 由于风机同一轴承座水平方向和垂直方向振动的相位差在150°至170°之间, 因此风机转子不存在明显的动不平衡问题。
(2) 从测点4的振动时域波形看, 该轴承受到了瞬间的冲击, 像部件松动产生的, 该轴承为滑动轴承, 可调心轴承座, 结合轴承座具体结构分析, 轴瓦瓦背与轴承座之间配合存在松动的可能性较大。
(3) 测点3轴向振值所占比例较高, 各方向振动频率以1倍频、4倍频和5倍频为主, 现场观察联轴节膜片有明显变形, 说明机组对中可能有问题。
2012年5月, CFB锅炉停炉进行例行检修, 根据风机状态监测的情况不再对风机转子做动不平衡方面的检查, 而采取了针对性检修措施:
(1) 检查发现调整螺丝已经松动, 用力矩扳手按说明书规定的力矩重新拧紧调整螺丝。
(2) 更换联轴器膜片, 采用激光对中仪重新找正对中。
风机检修完成后试运, 风机轴承振动降低较多, 振动最大处<3 mm/s, 都处于理想的运行区域, 同时风机基础平台及附近地面振感消失, 此次检修真正消除了风机存在的故障。检修后风机轴承振动数据见表3。
mm/s
四、结束语
比较风机两次故障分析和检修情况, 其中最主要的区别在于第一次故障分析虽然已经认为存在调整螺丝松动的可能性, 但未能发现与消除。主要原因是当时在运行状态下检查滑动轴承座调整螺丝, 由于风机运行时轴承受力状况复杂, 达到相同效果所用力矩一般需大于规定力矩, 但还用规定的力矩值去检查, 造成调整螺丝没有变化的假象, 误导了后面的检修安排。因此对于滑动轴承座上带有调整轴承紧力的调整螺丝, 尽可能在设备静止状态下调整。如果在运行状态下调整, 得到的结果将可能是不正确的。
实践表明, 状态监测为设备检修提供准确的指导, 但是需考虑各方面因素, 不能仅靠频谱波形分析, 应尽可能多的收集相关设备信息, 综合运用各种有效的分析诊断手段。此外, 进行旋转机械振动监测时要重视相位的监测, 特别是在确定旋转机械是否存在动不平衡时, 通过相位分析来判别更为有效准确。
参考文献
[1] 盛兆顺, 伊琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用[M].北京:化学工业出版社, 2003
大型风机 篇5
1 水动风机的工作原理与主要优点
1.1 水动风机的工作原理
水动风机所采用的驱动方式并不是传统的电能, 而是水力。通过节能改造, 修改循环冷却管道的配管, 并增设旁通管道, 使循环冷却回水先通过水轮机后, 再进入冷却塔的配水系统中, 整个过程总, 水轮机的动力源均来自于整个循环冷却水系统的富余能量。同时, 水轮机的输出轴是与风机直接连接而带动其旋转, 从而实现了彻底取消原电动机的节能目的。
1.2 水动风机的优点
(1) 节能性好。从水动风机的工作原理可以看出, 其动力源均来自于循环冷却水系统的富余水压, 在达到了水轮机正常工作标准的同时, 还能确保循环水泵的能耗不发生变化, 从而实现了良好的节能效果。
(2) 冷却效果好。水轮机的转速, 会随着水量的变化而同步变化, 其所带动的风机转速与风量也随之改变, 从而使得冷却塔在整体气水比的稳定度方面, 能始终处于最佳的状态, 实现了良好的冷却效果。
(3) 操作便捷。水动风机可通过调节旁通阀门来控制进入水轮机的水流量, 从而实现转速的调节。在冬季时, 可以打开旁通阀门使水量直接进入布水器中, 此时水轮机即可缓慢运行。当需要完全停运水轮机时, 只需要同时将出水阀门与进入阀门关闭即可, 操作非常简单方便。
(4) 维护费用较低。通过水轮机替代电动机的节能改造以后, 可以取消风机原有的传动轴与减速机, 从而减少了日常的检修与维护工作, 降低了运维成本。
2 工程实例
本热电联厂共设置3座机械通风冷却塔, 配置4台循环水泵, 同时该循环水系统还设置有旁滤、加药和加氯等辅助设施。
2.1 冷却塔配置
本热电联厂冷却塔工艺编号分别为1#、2#和3#。单塔设计处理量为2500m3/h, 总处理量为7500m3/h, 其具体技术参数为:塔体尺寸12m×12m×10m;额定温降为12℃;冷却塔进水管管径为DN800mm。
2.2 风机配置
每座冷却塔各配置1台电动风机, 其中1#冷却塔风机采用变频控制, 2#和3#冷却塔风机采用直接工频控制, 具有停止与全运行两种工作状态。3台风机的具体技术参数为:风机直径8530mm, 电动额定功率为132k W, 电机额定电流为240A, 风机额定转速为136r/min, 风量为200×104m3/h;风机传动方式采用的是减速器+传动轴+电机, 风叶材质为玻璃钢, 共10片。
2.3 循环水泵配置
本工程共设置有4台循环水泵, 其工艺编号分别为3#、4#、5#和7#, 其中3#和5#循环水泵为同一型号的小泵, 4#和7#为同一型号的大泵。在运行过程中, 为一大泵搭配一小泵共同运行, 通常为3#水泵和4#水泵为一组, 而5#水泵则是和7#水泵为一组。各水泵的具体技术参数, 详见表1所示。
2.4 热电联厂原运行工况
在节能改造之前, 热电联厂运行工况为:5#泵和7#泵同时运行, 而3#泵则和4#泵备用, 三座冷却塔全部运行。实际处理循环水量为4800m3/h, 供水总管压力为0.44MPa。其中, 上塔阀门的开度, 1#塔为80%, 2#塔为50%, 3#塔为30%;运行泵出口阀门的开度, 5#泵为25%, 7#泵为50%;运行泵出口压力, 5#泵为0.497MPa, 7#泵为0.49MPa。
3 节能改造的技术可行性分析
3.1 水量可行性分析
目前, 该热电联厂实际循环水的总量为4800m3/h, 其中1#塔为1600m3/h, 2#塔为1700m3/h, 3#塔为1500m3/h。由于这三个大型机械通风冷却塔的设置方式为三间并联, 因此可以通过调整上塔的控制阀门, 使一间冷却塔的水流量能充分满足HLW-2500型号水轮机对水量的需求。
3.2 富余水压可行性分析
(1) 上水管富余水压
在当前运行条件下, 各冷却塔的上塔阀门开度分别为80%、50%和30%, 当将各冷却塔的上塔阀门全部开启以后, 其供水总管的压力会由原先的0.44MPa降低到0.42MPa。而这部分富余水压即为0.02MPa, 可提供给水轮机的使用。
(2) 运行水泵富余水压
由于水泵出口阀开度5#泵为25%, 7#泵为50%, 供水两台泵的供水总量为4800m3/h。根据流量匹配关系可以得出, 当前运行条件下5#泵和7#泵的实际供水量分别为2064m3/h和2736m3/h。
根据公式△P=Q2r/K2, 可计算得出DN600和DN800阀门在不同开度下的闭压压差值。其中K是指阀门的流量系数。详见表2所示。
当将5#泵出口阀门的开度由25%调整到90%时, 可获得富余水压为:0.16-0.00031=0.15969MPa。
当将7#泵出口阀门的开度由50%调整到90%时, 可获得富余水压为:0.0054-0.00022=0.00518MPa。
因此, 在保证水泵电流不增大的情况下, 全开运行水泵出口阀门可获得的富余水压为: (2064×0.15969+2736×0.00518) ÷4800=0.0717MPa。
综合上水管富余水压和运行水泵富余水压的结果, 可以得出热电联厂总共可利用的富余水压为0.02+0.0717=0.917MPa, 可充分满足HLW-2500水轮机运行的需要。
4 节能改造的具体内容
4.1 电机、减速机和传动轴的改造
将原机械通风冷却塔中的电机、减速机和传动轴取消, 在原风机叶片和轮毂下端安装水轮机, 并使原有进水管和水轮机的出水口相连接。
4.2 冷却塔的上水管的改造
经装置水冷器换热后的热水先通过水轮机, 然后再进入到冷却塔的配水系统中。进水主管提高3m后, 达到冷却塔平台位置直接与水轮机的进水口相对接。然后, 在水轮机旁边加装旁通管路, 通过调节旁通管道的流量来实现对水轮机流量的控制, 并控制水轮机的转速。同时, 水轮机出水口分别接在冷却塔内的布水管上, 以实现均匀布水的效果。
4.3 化冰系统的改造
在冷却塔的四周还装设有孔径为6mm, 管径为40mm的多孔化冰管, 并使化冰和冷却塔的布水主管之间相连接。在运行过程中, 可直接应用循环水回水的热量, 并均匀的喷洒在塔体的四周, 以实现塔壁与边缘填料的化冰。融化后的冰水可顺流进入到塔池的内部, 通常情况下, 要求化冰系统的喷淋水量不宜低于冷却塔淋水密度的两倍。
4.4 水轮机相关技术参数
在该热电联厂大型机械通风冷却塔的节能改造中, 所采用的水轮机型号为HLW-2500, 型式为混流式冷却塔专用水轮机, 外形几何尺寸为1846.2m×1518.1m×1601mm, 重量为1500kg, 额定工作效率为90%。节能改造前后的结构示意图, 分别见图1和图2所示。
5 节能改造的效果分析
5.1 节能预测
冷却塔年运行小时数按照5760计算, 则节省电能为:132k W×5760=760320k W/年。
电价费用按照工业电费0.5元/度计算, 则所节省的费用为:0.5×760320=380160元/年。
5.2 投资回报期分析
节能改造工程中, 冷却塔改造费用的单价约为300元/ (m3/h) , 则总共改造费用为:300×2500=750000元。
投资回报期即为:750000÷380160≈1.97年。
即用于该热电联厂大型机械通风冷却塔节能改造的费用, 仅需要1.97年的时间就能全部收回投资。
6 结束语
本文结合某热电联厂实施节能改造的工程实例, 就采用水动风机代替电动风机的技术可行性、具体改造内容以及改造效果进行了分析与探讨。经过一段时间的实际应用证明, 所采用的HLW-2500水轮机, 它具有设计严谨、结构合理、维护方便以及转动平稳等多方面特点, 可有效杜绝漏电、漏油、电机和减速机烧毁或损坏等故障问题, 为冷却塔的安全、连续性工作提供了有力的保障。而且整个节能改造工程投资回报期短, 节能效率高, 值得大力推广与应用。
参考文献
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[3]陈静.分析水动风机替代冷却塔电动风机的节能改造[J].中小企业管理与科技, 2014 (3) :123~125.
大型风机 篇6
随着国内冶金、电力行业的快速发展, 机组容量变得越来越大, 风机的选型参数变得越来越大。因此, 选用风机的叶轮直径变得越来越大, 风机转子重量变的越来越重, 这给风机转子启动带来了许多困难。大型风机采用空心主轴结构可有效地减轻风机转子重量, 采用销连接及过盈联接设计使得空心主轴制造工艺变得更为简单, 又降低了空心主轴的制造成本。
1 空心轴的设计计算及结构介绍
1.1 离心风机的基本设计参数
2012年沈阳鼓风机通风设备有限责任公司为某海外项目生产了1台大型离心冷却风机。风机参数如下:入口流量1204198m3/h、风机全压5500Pa、入口温度20℃、入口气体密度1.0341kg/m3。根据风机参数选择风机型号为:DFY30F-C4A双吸入离心式, 驱动风机转动的工频电机功率为2700Kw, 风机转速740rpm, 叶轮直径3000mm, 由于风机为宽系列, 致使轴承支撑跨距为7440mm。
1.2 空心主轴的设计计算
通风机的转子, 由于材质不均、零件加工或安装不准确, 使转子的重心不可能与其几何轴线完全重合, 存在一个偏心距离 (即使是平衡得较好的转子, 也只是偏心距较小而已) 。因此, 在转子旋转时就产生了周期性变化的干扰力, 引起转子的振动。当干扰力的频率接近或等于转子的固有频率时, 转子就发生强烈振动 (即使转子完全平衡, 因外界小干扰也能引起强烈振动) , 造成转子、机器的损坏。这种现象实质就是共振。使转子产生共振的转速, 称为转子的临界转速n0。当转子工作转速n等于临界转速n0时, 即干扰力频率等于固有频率ω0时, 转子产生共振。理论上要求临界转速n0与工作转速n之比大于等于1.25。本项目大型离心风机属F式传动方式, 如图1:其临界转速计算公式如下:, 其中:l-两支撑间轴的跨距、a-叶轮重心至支撑A的距离、d-中间段轴的直径、G-叶轮及两支撑点中间轴段的总重量。其中, 上式中结构布置使跨距l, 支撑轴承的支撑点距叶轮中心距离a, 风机运转转速n (740rpm) 均已经固定, 根据要求临界转速要大于1.25倍工作转速, 所以临界转速要求大于925rpm。由于此风机运行的叶轮重量大 (宽系列大直径叶轮) , 由上临界转速计算公式可得在l、a、n0已经确定的情况下, 为了满足临界转速的要求, 当G值比较大时, 主轴的直径d要求比较大。选用Φ360内径轴承, 通过计算为了满足临界转速要求, 主轴中间最粗段的直径为Φ700mm, 可见中间最粗段直径比较大。
从圆轴扭转时截面上剪切应力的分布规律可知, 截面上各点剪切应力的大小与该点到轴心的距离成正比, 轴心处的剪切应力为零。由图2可知, 受扭转的轴越接近轴心处其应力越小, 这样可以理解为接近轴心处的材料没有充分发挥作用。如果在设计时, 将轴心处的材料移向边缘, 就可以充分利用材料, 这样既能减轻设备重量, 又能更好的节约成本。而且针对这种大直径主轴, 通常情况下采用调质热处理, 针对这种直径达到φ600mm以上的大直径主轴, 中心一定范围内的材料是淬不透的, 达不到材料的应具有的机械性能。综上所述, 从圆轴扭转时截面上剪切应力的分布规律和粗轴热处理状况等方面考虑, 针对粗轴采用空心轴结构是具有一定优越性的。
当采用空心轴结构时, 由于中间长轴段为空心, 使两轴承支撑点之间的轴的重量减小了, 所以G值变小了。再次利用上述临界转速计算公式, 在满足临界转速1.25n的条件下, 计算得主轴中间最粗段的直径为650mm。通过扭转强度及刚度计算, 同时类比相接近产品, 根据结构工艺要求设计出轴的形状、尺寸如图4所示。中间段采用壁厚为70mm的空心轴, 两端采用实心轴头, 空心轴与实心轴联合使用。
至今为止, 实心轴头与空心钢管的连接方式采用焊接型式、过盈链接形式。焊接联接型式要求焊接的空心主轴其轴头与钢管的材料都应具备可焊接的性能, 并且强度还要满足要求, 材料的选择受限制, 受材料机械性能约束, 有时为了满足空心主轴的强度不得已加大钢管直径使成本及重量加大, 一定程度减少了空心主轴使用的优势。另外, 焊接空心主轴的轴头与钢管采用环形焊缝, 联接焊缝质量要求高, 而且需要对工件开合适的焊缝坡口、焊接过程严格又复杂, 主轴焊接后对焊缝进行探伤检查, 如焊缝不符合要求需要清理焊缝重新焊接, 同时焊接使焊缝周围产生热影响区, 使其机械性能下降, 如果对焊缝处应力处理不当给风机制造后的运行带来隐患, 焊接时对环境温度与清洁度也有严格要求。焊接空心主轴存在受选材限制, 加工复杂、成本较高, 但是焊接空心主轴一直被国内外风机行业采用。
过盈联接型式:靠轴与孔的过盈配合实现联接, 这种联接方式适合于传递扭矩较小的情况。当传递扭矩过大时要求轴与孔的过盈量大, 而且实心轴伸进空心钢管的长度比较长, 这种情况就给实心轴与空心轴的装配带来困难。传递扭矩越大, 要求轴与孔的过盈量越大, 实心轴伸进空心钢管的长度越长, 制约了空心轴结构的利用。
基于以上分析, 笔者提出一种新型的空心轴结构方案, 采用销联结同时兼顾过盈配合共同实现扭矩传递如图3所示。 (1) 空心轴与实心轴头采用过盈配合, 轴φ520+0.5+0.58, 孔φ520H70+0.07计算方法参见文献[3]。 (2) 同时空心轴与实心轴头采用销连接。销钉的强度计算公式如下:其中:N-通风机所需功率 (k W) n-叶轮转速扭矩 (kg mm) 。在圆周半径上固定空心轴与轴头的销钉所受之力为:销钉所受的平均剪切应力为:其中:d-铆钉直径 (mm) Z-铆钉数要求通过计算, 销钉的大小Φ20, 一圆周上使用3个。
本次产品设计连接销为特殊设计结构, 其与普通销不同。销钉开有一小孔, 主要作用是在销钉的安装过程中气体压缩会产生强大的压力, 在销钉上开有一小孔, 使气体从小孔中释放出去, 使销钉顺利安装到指定的位置。连接销结构如图5所示。销钉安装完后, 将销钉尾部与轮毂销内孔塞焊上。
为实现该轴系的结构功能。采用如下几方面细节处理方案, 如图所示在空心轴轴头顶进末端开两个φ6的小孔, 以便实心轴头装入空心轴时气体从小孔排出, 以免气体积留产生强大压力, 阻碍实心轴的装入。同时空心轴内倒角大于轴头倒角, 以便轴头能够顶进去。轴盘与轴之间采用相同的连接传动方式, 轴与轴盘采用过盈连接, 轴φ660+0.57+0.65, 孔φ660H70+0.08, 同时两侧采用销连接, 与图3所示相同, 共同实现扭矩的传递。销钉采用图5所示相同结构。销钉安装完后, 销钉尾部与轮毂销内孔不塞焊上, 以便将来检修和更换轮毂时拆装。
2 机械运转实验验证
设计完的产品在车间组装后由主电机驱动在实验台上进行机械运转试验。风机在740rpm额定转速下连续运行60分钟, 同时监测支撑轴承与止推轴承温升均小于40℃, 轴承箱水平方向和垂直方向上的振动速度有效值均小于4.6mm/s, 风机机械运转平稳。此两项参数充分证明此空心轴轴系的设计是合理的。
3 结束语
沈阳鼓风机通风设备有限责任公司生产的这台大型离心冷却风机从2012年底开始在海外某项目现场投产运转距今已有2年时间了, 风机至今运转平稳, 空心主轴没有出现过任何问题, 这足以说明: (1) 销联接兼顾过盈联接的空心主轴首次应用在大型离心风机上是成功的, 两年来此风机一直在变转速工况下运行承受了交变负载运行的考验, 这充分说明沈阳鼓风机通风设备有限责任公司在大型风机空心主轴的设计、制造技术走在了风机行业的前面。 (2) 销联接兼顾过盈联接空心主轴的应用将给风机制造厂的空心主轴制造带来方便、降低了主轴的制造成本, 完全可以取代焊接的空心主轴, 同时采用销联接排除了只采用过盈联接的局限性, 拓展了空心轴结构的应用范围。 (3) 采用销联接兼顾过盈联接空心主轴, 就风机制造本身而言节省了锻件主轴的生产成本。同时风机转子的转动惯量小, 使得风机转子重量轻, 便于电动机的起动。也便于转子的运输、安装与现场检修。
参考文献
[1]李庆宜.通风机[Z].
[2]徐灏.机械设计手册[M].1991.
大型风机 篇7
风机桨叶的复杂曲面是三维建模的难点。桨叶的三维建模过程是通过叶素理论和坐标转换原理得到叶素截面的坐标点, 并将坐标点连接成样条曲线, 最后利用样条曲线扫掠成曲面并缝合成实体。本文基于NX二次开发功能对桨叶参数化建模研究, 并开发出桨叶的三维建模程序, 使其建模过程周期更短, 操作更人性化。
1 桨叶建模原理和基本参数确定
1.1 风机基本参数的确定
风机基本参数包括:风机功率P风机、风能利用率Cp、传动效率η1、电效率η2、额定风速、叶尖速比λ0、叶片数B。
1.2 翼型参数和坐标点确定
翼型参数包括:升阻比, 升力系数和阻力系数。升阻比是翼型气动性能的关键参数, 通过阻比可以确定翼型的最佳攻角。翼型的升阻比, 升力系数和阻力系数可以通过Profili软件获得。
翼型坐标点是桨叶建模的基础, Profili软件提供了完整的翼型坐标点数据库。为了保证桨叶的力学性能和结构刚度, 应采用多翼型桨叶:叶根处选用相对较厚的翼型以承受桨叶运行时的应力, 并且能实现向叶根处的圆形光化过渡。叶尖处选用相对较薄的翼型以满足叶片气动性能要求[1]。
1.3 翼型弦长和扭转角的计算
风机桨叶翼型弦长和扭转角计算的权威理论是Glauert理论和wlission理论。由于Wilson理论考虑了叶尖损失和升阻比对叶片最佳性能的影响, 并考虑了风轮在一些非设计工况下的性能, 且Wilson理论也是常用的叶片气动外形设计方法之一[2]。本文对Wilson理论进行适当改进, 使计算出翼型弦长和扭转角更加精确, 具体的计算公式如下:
式中, a为轴向诱导因子;b为切向诱导因子;ν∞为经过风轮的风速, m/s;ω为风轮的转速, rad/s;r为叶素半径, m/s;B为叶片数;R为风机风轮半径, m;λ为叶素处的叶尖速比;λ0为叶尖处的叶尖速比;Cp为风能利用系数, 当λ取不同值时, 可以利用混合罚函数法求d Cp取最大值时对应的a和b值;C为叶素弦长, m;Cli为叶素翼型升力系数;α为攻角, °;φ为入流角, °;β为桨距角, °。
2 风机桨叶的参数化三维建模
2.1 风机桨叶的参数化建模设计流程
风机桨叶的参数化建模设计流程见图1。首先输入风机基本参数、翼型基本参数和翼型二维坐标值, 计算桨叶各个截面的三维坐标值, 最后利用曲线和曲面功能生成桨叶的三维模型。
2.2 风机桨叶截面的坐标计算
桨叶各个截面的三维坐标值是利用截面的弦长和安装角对翼型二维坐标值进行转换得到。设单位弦长翼型和气动中心的坐标分别为 (x, y) 和 (x0, y0) , 则桨叶各个截面的三维坐标 (xi, yi, zi) 计算公式[3]为:
其中x'=x-x0, y'=y-y0为翼型相对于气动中心的坐标值。
2.3 桨叶二次开发功能模块设计
UG NX提供了多种二次开发接口, 常用二次开发语言是NX/OPEN GRIP[4]。由于NX不是针对某种产品开发的专业软件, 在利用NX进行风机桨叶建模时, 会导致建模过程操作繁冗复杂, 效率低下[5]。若基于NX对桨叶的建模过程进行专用模块开发, 就可以快速方便地实现桨叶的三维建模。
2.3.1 基本参数输入模块
利用NX/OPEN GRIP创建的人机交换界面见图2, 通过该界面可以获得风机基本参数, 为桨叶的三维坐标计算提供原始数据。主要函数如下:
2.3.2 三维坐标计算模块
该模块是基于Wilson理论计算出桨叶弦长和扭转角。再利用坐标转换原理对翼型二维坐标值进行计算, 得到桨叶的三维坐标值。主要函数如下:
2.3.3 三维模型绘图模块
该模块是利用截面三维坐标值绘制实体坐标点, 将生成的实体坐标点连接成曲线, 最后通过曲线扫掠成桨叶曲面, 并通过曲面缝合功能得到桨叶三维实体模型, 桨叶的绘制过程如图3所示。主要函数如下:
2.3.4 信息输出模块
该模块是将计算得到的风轮转速和直径、翼型弦长和扭转角通过信息框的形式显示, 为桨叶的气动外形优化和模态分析提供了参数依据。
2.4 建模实例
以2 MW风机桨叶为例, 风能利用率Cν=0.6, 效率η=0.96, 额定风速为ν=13 m/s, 叶尖速比λ0=7和叶片数B=3, 翼型的升力系数Cli=0.9, 阻力系数为Cdi=0.1。通过桨叶参数化建模程序计算得到的弦长C和安装角β关于叶素半径r的曲线如图4和图5。利用弦长和扭转角绘制的桨叶三维模型如图3 (d) 所示。
3 结语
通过NX/OPEN GRIP功能开发出桨叶专用参数化建模程序, 只需用户输入风机基本参数, 就可以快速生成桨叶三维模型, 缩短了建模时间, 提高了模型精度, 为桨叶的气动外形优化和模态分析提供了模型依据。
摘要：风机桨叶作为捕捉风能的关键零部件, 其复杂表面是三维建模的难点。以2 MW风机桨叶为依托, 对桨叶参数化建模进行研究, 开发出基于NX的桨叶参数化建模程序, 用户只需输入风机基本参数可快速生成桨叶三维模型。缩短了建模周期, 提高了模型精确度, 为桨叶的气动外形优化和模态分析提供三维模型。
关键词：风机桨叶,参数化建模,二次开发
参考文献
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