内蒙古京隆发电有限责任公司（以下简称京隆公司）1号、2号600 MW直接空冷机组凝汽器为斯必克冷却技术（北京）有限公司设计生产，由8组屋顶形翅片管排构成，每组管排包含7个模块（5个一次模块和2个混合模块），每个模块由10个翅片管束构成，共计56个单元。屋顶结构下方布置的轴流风机迫使空气流过翅片，进行表面式换热冷却。2台机组共112台空冷风机，每台风机5片叶片，共560片叶片。叶片生产厂家为豪顿华工程有限公司。

自2008年机组投产以来，京隆公司空冷风机叶片多次出现裂纹。厂家对叶片进行过2次更换，共更换叶片230片。为此京隆公司从2012年开始每年对空冷风机叶片进行检查，其中2012年检查时发现有8片叶片有裂纹，经过与厂家沟通确定可以继续使用；2013年夏季大负荷时对叶片进行抽查，原裂纹没有扩大趋势。2013-09-10—10-03，再次对空冷风机叶片进行检查，共发现194片叶片有不同程度裂纹，其中1号机组96片，2号机组98片。有轻微裂纹的叶片（如图 1）共98片（1号机组46片，2号机组52片）；有中度裂纹，裂纹超过50 mm的叶片（如图 2）共82片（1号机组43片，2号机组39片）；有严重裂纹、裂纹超过50 mm并有扩大趋势的叶片（如图 3）共14片（1号机组7片，2号机组7片）。

图 1

Fig. 1

图 1 有轻微裂纹的叶片

图 2

Fig. 2

图 2 有中度裂纹的叶片

图 3

Fig. 3

图 3 有严重裂纹的叶片

华北电网2014、2015年度电量指标调整数据显示，华北电网区域98%以上的直接空冷机组夏季存在不同程度的出力受阻情况，平均运行背压在25kPa左右^[1]。一般情况下，600 MW直接空冷机组运行背压极限为35 kPa，且35 kPa下运行时间不得超过40 min。京隆公司空冷机组夏季高温时段依靠投运喷淋系统维持负荷，平均背压为25 kPa左右，白天高温时段背压可达30 kPa，机组出力受阻，严重影响机组运行的经济指标及安全性。

为了解决空冷风机叶片断裂问题，提高风机运行的安全性，京隆公司委托中航工业惠阳航空螺旋桨有限责任公司经过3 a时间对风机叶片重新进行研究、设计，生产出一种新型叶片。该叶片设计特点如下。

针对京隆公司空冷风机叶片存在的问题，采用国内先进的低噪声D型叶片，叶片翼型的气动设计以根据儒柯夫斯基涡流理论建立的三元流计算方法为理论基础，并成功将层流翼型应用于叶尖、超临界翼型应用于叶根，经多次模型级风洞试验确定最优翼型。D型叶片具有较好的低速特性，在空冷风机变频运行转速变化范围内，最大升力系数和最大升阻比均较高，使用冲角宽，上下翼面的压力分布均匀、平缓，低速大攻角性能良好，能够保证风机在较宽的高效区平稳运行，从而使风机具有效率高、噪声低、流量大、压力高、效率曲线平缓、高效区宽等特点。

叶片采用空芯加翼梁结构，同时考虑到叶片根部与叶身的连接处为强度较小部位，通过计算确定叶片的叶根直径为200 mm；铺层的设计中将叶根与叶身设计为一个整体，保证了叶片受力的连续传递及叶片的强度和刚度要求。叶片根部为空芯结构，可始终保持叶片根部锁紧。

在选材方面，叶片基体材料选用196S树脂，与其他热固性树脂相比，其强度大、固化收缩率小，具有良好的耐化学腐蚀性能。叶片增强材料采用无碱无捻玻璃布，比一般玻璃纤维布具有更高的拉伸强度和弹性模量^[2]。叶片表面喷涂胶衣。

采用上述材料加工的叶片，与一般玻璃钢材料相比，具有较好的稳定性及较高的强度和耐热性能，从而避免了在使用过程中因膨胀系数、连接方式等原因造成损坏的问题。

叶片成型工艺为：首先在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成型体，采用注射设备将专用注射树脂注入闭合模腔。模腔内有注射和排气系统，模腔周边密封紧固，以保证树脂流动顺畅，并排除模腔中的全部气体，彻底浸润纤维；然后通过模具的加热系统加热固化；最后，利用差热分析仪对叶片的固化度进行检测分析，以保证固化工艺的正确性。

该工艺具有一次注入即能成型的特点，规避了玻璃钢制品成型工艺中影响质量的最大、最不易控制的两大因素——温度和湿度的影响，从而保证了任何气候环境下生产出的叶片，其玻璃钢层压致密、均匀，有效消除了叶片开裂、叶片内部有气泡等缺陷，并充分保证了叶片的强度、刚度，可使叶片永久不变形。

叶片成型后，为了验证叶片的强度及刚度，对叶片进行加载试验，以确保叶片能够安全使用。

为了避免叶片运转过程中发生共振现象，对叶片固有频率进行了测试；为了进一步验证叶片的强度，对风机进行运转试验，在100%额定转速下运行24 h，110%额定转速下运行24 h，120%额定转速下运行120 min。试验结束后对叶片进行检查，叶片没有弯折、断裂、裂纹等现象。

风机的叶片疲劳一般发生在叶片桨根与叶身的交汇处。对设计的新型叶片进行疲劳试验，即在叶片的挥舞方向加集中载荷，加载次数为1.24×10⁷次，高于德国劳埃德船级社规定的1.24×10⁵次的要求^[3]。

以上试验完成后对叶片进行破坏性试验：将叶片进行解剖，检查叶片翼梁和璃钢体粘接是否牢固及玻璃钢体有无分层、积胶和边缘缺肉等现象，并按照国家标准进行试样选取^[4]。同时进行叶片含胶量及强度试验，验证工艺过程是否满足叶片设计要求，进一步保证叶片的可靠性。

新型叶片的重量和力矩平衡试验是按航空螺旋桨特有的平衡工艺进行，平衡精度达到G4.0，优于风机标准规定的G6.3要求^[5]。所有叶片均按照基准叶片进行重量和力矩平衡试验，保证所有叶片可以互换，现场更换叶片时无需再进行平衡试验。通过以上的平衡试验保证了风机整体的振动值优于国家标准规定的小于6.3 mm/s的技术要求^[3]，确保了风机的长期安全运转。

根据京隆公司空冷凝汽器5叶片风机存在的问题，通过计算选型，5叶片和6叶片低噪声YPD叶型风机均能满足使用要求。其中5叶片风机的叶片振动频率与空冷岛钢架接近，容易产生共振，同时根据实际运行经验和多项试验验证，奇数个叶片风机结构在运行时容易造成空冷岛减速机水平方向振动，严重时影响空冷岛的正常运行和安全性。在满足工况要求的前提下，若选用5叶片风机方案，叶片安装角为18.5°，而风机正常运行的安装角一般不超过20°^{[6, 7]}，因此风机增容的幅度和裕度较小。为提升风机效率，本次采用6叶片低噪声YPD叶型风机，风机安装角为15°，叶片角度可调空间较大，提高了风机效率。

2015年二季度，京隆公司1号机组20台空冷风机的叶片更换为新型YPD叶片，同时将5叶片轮毂改造为6叶片轮毂，更换前后进行了风机性能测试试验。

现场测试时，将单台风机出口管束迎风面（共2个面）测点平均分布，横向12个点、纵向10个点，共测量120个点，测得各点风速后计算其平均值。测量通风面积为223.88 m²；考虑空冷器支架遮挡等因素，取实际面积为理论面积的95%，实际计算面积为212.69 m²。

经测试，改造前风机叶片A 面平均流速为2.2775 m/s，B 面平均流速为2.2342 m/s，总平均流速2.25 m/s；容积流量478.5525 m³/s，电机输入功率78.5 kW。改造后A面平均流速2.4733 m/s，B面平均流速2.3875 m/s，总平均流速2.43 m/s；容积流量516.8367 m³/s，电机输入功率73.5 kW。

在同一转速下对改造前、后2种风机的性能进行测试比较：空冷岛阻力特性相同情况下，改造后的风机风量比改造前提高8%，功率降低6.4%，效率显著提高^[8]。

对京隆公司1号机组空冷风机更换新型叶片后，通过对比分析可以看出，风机风量得到大幅度提高，实现了在不增加风机数量的情况下提高风机风量的目的，同时改善了空冷机组在夏季大负荷期间背压过高状况，提高了风机在夏季高频条件下运行的稳定性，从而保障了机组的安全稳定运行。该改造方案的成功运用也为其他电厂进行类似的改造提供了参考经验。