一、引言
静叶可调轴流风机具有结构简单、可靠性高、耐磨性好、维护费用低等特点，被广泛应用于引风机和脱硫增压风机中，但静叶可调轴流风机是采用挡板开度的节流调节方式，即改变管路阻力曲线进行调节。这种调节方式虽然简单易行，但往往造成很大的能量损失。随着国家对节能减排要求的提高，各火电厂纷纷在寻找解决办法，而在静调轴流风机的电动机上加装变频装置便是办法之一。
加装变频调速装置后，风机在不同的情况下，通过电机的运转频率不断变化，使风机在0到最高转速(TB点工况)范围内进行工作，提高风机运行时的效率从而达到节能效果。风机工作频率的不断改变将可能造成与转子部件固有频率重合出现共振破坏的结果。另外，变频器谐波也将引起输出转矩脉动，故风机转速变化将对转子产生冲击载荷及交变应力的作用。
实际情况是：电厂的静叶可调轴流风机在加装了变频调速装置后，也陆续出现了一些问题。例如，传动轴出现裂纹或断裂、联轴器膜片和螺栓断裂、叶轮轮毂及叶片出现裂纹等，给火电厂的安全运行造成了很大的困扰。本文针对现场出现的问题，逐步分析产生损伤的原因，在结构设计方面，提出安全可行的改进方法。
二、对风机转子部分的影响
风机加装调速装置后，风机的转速（运转频率）随工况的变化而不断变化，根据传动系统运动方程：
当：T电机力矩>T负载转矩时，风机加速运行：在加速过程中，变频器的输出频率上升时，其定子旋转磁场同步转速也随之上升，但转子转速因为拖动系统的惯性而不能跟上，产生了转差。
当：T电机力矩
当：T电机力矩=T负载转矩时，风机定速运行：
由公式(1)可以看出，风机负载转矩和电机转矩、加减速时间以及系统惯量有关，由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比。由T载转矩2 9550P／N可知，风机作为变负载终端，其负载转矩T负载转矩与转速N的平方成正比。
由以上分析可知，在变转速的状态下，转子不断承受着很大交变载荷（力矩）的冲击，其交变应力大于定转速工频运行，极易造成转子的疲劳损坏。
1、叶轮
我厂生产的静叶可调轴流风机叶轮叶片采用宽而短的等强度叶片，其固有频率八倍于设计转速甚至更高，对速度调节的适应性好，大多数都能安全运行，但也有少数在加装变频调速装置后叶轮出现裂纹现象（如图2）。
从图2中可看出叶轮出现的裂纹在叶片根部，即叶片与轮毂焊接处，此处为整个叶轮强度最薄弱处。风机在加装变频调速装置后，叶轮在不断变化的交变载荷的作用下，焊接部位应力集中，使得金属结构的表面形成裂纹。另外从叶轮结构上分析，一般叶轮最大应力在进口叶片与轮毂焊接处，叶轮外缘应力相对较小，但该处的变形拘束力较大，它们在不断变化的交变应力作用下，疲劳裂纹就会在该处萌生。风机在运行过程中，由于振动产生的动应力，是造成裂纹产生和扩展的原因，但裂纹的萌生和扩展是有一定过程的。因风机采用变频调速，叶轮受到不断变化的交变应力的作用，在这种应力与气动力和叶轮的振动共同作用下加速了叶轮裂纹的产生和扩展。
2、传扭中间轴
由图1可知，传扭中间轴为空心管结构，其是通过法兰与空心管焊接而成，其应力集中也是在法兰与空心管的焊接处。从图3中可见中间轴断裂也是从焊缝处开始，成45。方向剪切断裂。传扭中间轴在不断变化的交变载荷的作用下，经过较长周期的运行后，焊缝处的内部缺陷和表面缺陷等因素形成裂纹，随后逐步扩展，渗透到金属本体，导致零件的有效截面积逐渐缩小，应力不断增大，当应力超过材料的断裂强度极限时，即发生剪切断裂。
3、联轴器
膜片联轴器由两个半联轴节、螺栓和膜片组装而成，它具有良好的补偿轴向、径向和角位移的能力。风机变频调速运行中，由于风机转速的频繁变化，无形中增加了对螺栓附加的剪切应力。同时，在实际的变频运行过程中，电机的轴向窜动量也明显增大，联轴器的轴向窜动量也增大，增加螺栓轴向受力。在运行过程中膜片联轴器分别受到扭矩与轴线偏斜引起的弯矩、螺栓与膜片质量不均引起的离心力和膜片轴向位移引起的弹性推力等力的作用。扭矩使螺栓产生剪切应力传递给膜片，弯矩使螺栓产生拉伸和压缩应力，运行时的离心力会产生巨大的剪切应力，使膜片受力不均，而轴每转一周应力循环就会交变一次，则离心力使螺栓产生剪应力，且随转速而变化。实践表明，膜片联轴器的主要失效方式是膜片和螺栓在交变循环和复合应力作用下的疲劳断裂（见图4）。
三、风机结构的改进处理
(1)对风机的叶轮进行加强和优化，叶片焊接方式按照高标准执行和检查，并对叶轮内部结构进行刚性及辐板加固处理，以提高叶轮整体的刚度和强度。
(2)对风机的传扭中间轴的扭振频率、强度等进行提高和加强，以满足变频要求。
(3)选择联轴器时，提高其疲劳安全系数。
(4)校核转动部件自然频率，严格控制并提高其固有频率，最大限度地防止转速调节过程中出现频率重叠，防止共振。
(5)风机壳体的中间支撑段采用加强型支腿，前导叶叶片增加厚度进行加强设计，支撑轴承座的法兰加装加强筋板，整体提高定子部分的强度及刚度。
四、在变频改造和运行中应注意的事项
(1)静叶可调轴流风机经改造由定转速成为变频工况，其轴系和叶轮强度应先交给风机生产厂家进行校核确认风机的强度裕量是否能满足要求。新设计的静调风机若为变频运行，则在设计前就应提出要求。
(2)原静叶可调轴流风机的振动测点多分布在叶轮外壳装配中段的中分面位置，在定转速运行时该测点能较准确地反映轴系振动，但是在变速时，由于前导叶处气流激振，易在原测点处产生假共振现象，为解决此问题应将振动测点尽量靠近后导叶装配的原法兰。若风机出现共振，则应采取措施避开在该转速运行（如提高转速，使用导叶辅助运行等）。
(3)风机进出口管段的布置要合理。风机在调速的过程中是无级调速，理论上气流的频率和叶轮叶片的频率重合不可避免，但是如果管段布置合理，气流的扰动小，脉动幅值足够小而不会对叶轮叶片造成大的疲劳损坏。
(4)风机在运行的过程中，对风机的运行速度应缓慢调节，避免急剧的启动和制动（可设置较长的启动和制动时间）。
(5)若变频器具备输出波形功能，应经常检查变频器电压、电流输出波形是否失真，确保变频器正常运行。
(6)在每次检修过程中，建议检查膜片联轴器的螺栓是否有塑性变形、传扭中间轴的法兰盘与轴管焊接处是否有裂纹、叶片根部与轮毂的焊接附近是否有裂纹。
五、结论
我厂按上述方法，对多家火电厂的静叶可调轴流风机加装变频调速装置后进行了转子部分改造，并对其进行了长期密切观察，至今未再出现上述风机损伤的问题，因此，此优化方案是可行的。
[此贴子已经被作者于2020/4/3 18:01:02编辑过]
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我们知道，如电脑CPU大小的轴流风扇是可以做PWM功能设计的，且增加这个功能会给使用都更多舒适的感觉，使频率使用多时，轴流风扇的转速变高，反之，转速自动降下来，理论上来说，对于轴流风扇的寿命会有所延长
那么，更小型的轴流风扇是不是也可以设计这个功能呢，目前3CM以上的轴流风扇都是可以增加PWM智能调速功能的，一般是三条线，红色是正线，黑色是负线，黄色（或是蓝色）为PWM控制功能线，如30*30*7轴流风扇，我们简称为3007，往上有3010，3510，4010都是可以做的，当然，目前3CM以下如20*20*6mm,15*15*4mm因马达很小，内置的PCB板无法设计PWM电路，空间不够，暂时还不能做此设计。微型的轴流风扇3线大都是FG功能的，即转速监测工能
另外，对于小型轴流风扇其实使用量来说，相对比较少，主要原因是增加此功能，成本也会相应的增加，如果能在产品上增加温控电路，控制产品输出电压高低，也是可以实现跟PWM类似的调速功能的，因为给轴流风扇的电压降低，转速也会相应的降低。
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由于管式过滤器风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，不含防腐剂应用变频器节电率为20％～50％，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。
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