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《科技風(fēng)雜志》2015年第三期

1葉輪疲勞預(yù)估方法分析

在機(jī)械載荷中，轉(zhuǎn)子的振動、葉輪和輪蓋之間的摩擦所產(chǎn)生的載荷是一種非正常工況載荷，其發(fā)生幾率非常小。所以，在機(jī)械載荷中只需要對葉輪高速旋轉(zhuǎn)過程所形成的慣性力載荷進(jìn)行考慮。以載荷有沒有跟隨時間的變化而改善為依據(jù)，可分為兩類載荷：其一為靜載荷；其二為動載荷。對于靜載荷來說，主要涵蓋了兩方面的內(nèi)容，一方面是葉輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)所形成的離心力載荷；另一方面是由氣動載荷所形成的靜壓力。對于動載荷來說，主要是指氣體經(jīng)過導(dǎo)葉獲得尾跡作用，然后基于葉輪葉片上的表面壓力載荷。對于葉輪疲勞預(yù)估，其方法步驟為：首先需對靜載荷及動載荷的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行求解，進(jìn)一步在經(jīng)過靜載荷和動載荷的組合的基礎(chǔ)上，再對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行計算。如圖1所示，為葉輪疲勞分析流程圖。

2葉輪靜應(yīng)力計算方法分析

在靜應(yīng)力計算過程中，需要對葉輪超速預(yù)加載加工工藝進(jìn)行考慮，因此在進(jìn)行靜應(yīng)力求解過程中，首先需要對超速進(jìn)行求解，進(jìn)一步完全葉輪處于正常工作狀態(tài)時靜應(yīng)力的計算。如圖2所示，為葉片CFD計算監(jiān)測點(diǎn)。通過CFD分析得出氣動靜壓載荷，然后對非正常CFD計算結(jié)果進(jìn)行有效處理，從而將葉輪葉片表面平均壓力求解出來，進(jìn)一步把該壓力當(dāng)作葉輪葉片表面靜壓添加至葉輪葉片表面，最后完成葉輪靜應(yīng)力的計算。另外，在對葉輪靜應(yīng)力進(jìn)行分析時，通常需利用ANSYS軟件加以實(shí)現(xiàn)，基于ANSYS軟件當(dāng)中，將各監(jiān)測點(diǎn)的壓力向葉片表面單元上施加，然而使氣動靜壓的加載得以有效實(shí)現(xiàn)。對于最后的求解，則應(yīng)用旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)群論算法實(shí)現(xiàn)。

3葉輪葉片的疲勞壽命分析

將葉輪葉片材料中的進(jìn)口高強(qiáng)度不銹鋼材料作為例子進(jìn)行分析，該材料和國產(chǎn)40CrNiMo材料的靜態(tài)強(qiáng)度特性基本是相同的。回火結(jié)構(gòu)鋼的對稱循環(huán)疲勞壽命通常和材料靜態(tài)拉伸強(qiáng)度成正相關(guān)性。對于葉輪材料，其抗拉強(qiáng)度通常為1000MPa至1100MPa，結(jié)合圖1可對葉輪材料的對稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行估計，大約為500MPa。顯然，這和葉輪材料疲勞試驗(yàn)結(jié)果保持一致。對于大型離心壓縮機(jī)，通過對其葉輪葉片的疲勞壽命進(jìn)行分析，可以得出諸多結(jié)論，具體表現(xiàn)為：1）有兩個工作應(yīng)力會直接影響到葉片疲勞壽命；其一為穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平；其二為交變應(yīng)力水平；兩個應(yīng)力水平無論哪個過高均會致使葉片疲勞壽命減弱。2）對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化能夠使葉片穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平降低，而對于交變應(yīng)力水平的降低，主要是通過運(yùn)行管理加以實(shí)現(xiàn)。3）基于疲勞強(qiáng)度設(shè)計與可靠性兩方面考慮，如果m為730MPa與780MPa，且應(yīng)力變化范圍分別為37.2MPa、26.4MPa的情況下，葉輪疲勞破壞可靠性則高達(dá)99.81%。

4結(jié)語

通過本課題的探究，認(rèn)識到大型離心壓縮機(jī)是一種非常重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，在重工業(yè)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。由于在大型離心壓縮機(jī)當(dāng)中，葉輪葉片疲勞可靠性會對大型離心壓縮機(jī)的性能及安全運(yùn)行產(chǎn)生直接影響，因此對葉輪葉片疲勞可靠性進(jìn)行計算便顯得極為重要。筆者認(rèn)為，需要明確葉輪葉片的疲勞壽命，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計及做好運(yùn)行管理工作等方式，使葉片穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平及交變應(yīng)力水平得到有效控制，進(jìn)一步提高葉輪疲勞破壞可靠性，最終使大型離心壓縮機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)揮出重要的價值作用。

作者：梁繼洋李巖單位：沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司