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1、離心式壓縮機(jī)葉輪裂紋分析及修復(fù)措施劉中原樊建成/寶鋼股份公司寶鋼分公司摘要：針對(duì)某大型空壓機(jī)葉輪根部產(chǎn)生裂紋問(wèn)題，通過(guò)有限元方法（FEM）對(duì)葉輪內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，采用電鏡掃描和能譜分析方法對(duì)葉輪裂紋失效機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)葉輪裂紋為典型的應(yīng)力腐蝕沿晶開(kāi)裂，并對(duì)該葉輪的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究探討。關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī)；葉輪；有限元分析；應(yīng)力腐蝕；激光熔覆中圖分類號(hào)：TG174文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1006-8155（2007）05-0034-06AnalysisonImpellerCrackofC
2、entrifugalCompressorandRepairingMeasuresAbstract:Aimingatimpellercracksofonelargecompressor,thepapergivesthenumericalcalculationforinternalstressofimpellerbyFEM.Thetestanalysisoninvalidmechanismofimpellercrackiscarriedoutbyscanningelectromicroscopeandenerg
3、yspectrumanalysismethod.Itisfoundthatimpellercrackisthetypicalstress-erosioncracking.Sothepapergivestheinvestigationanddiscussiononrepairingtechnologyofimpeller.Keywords:centrifugalcompressor;impeller;FEM;stress-erosion;laser-cladding0引言寶鋼某大型空壓機(jī)為德馬克公司制造的大型
4、組合齒輪式離心壓縮機(jī)。其一級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)速為5190r/min,流量172500Nm3/h，進(jìn)口壓力為一個(gè)大氣壓，出口壓力0.548MPa。軸功率11938kW，電機(jī)功率12680kW。自投用至今已穩(wěn)定運(yùn)行了16年。在該空壓機(jī)的一次年修中，經(jīng)著色探傷發(fā)現(xiàn)該空壓機(jī)一級(jí)葉輪有5個(gè)葉片的前端根部附近進(jìn)口內(nèi)緣存在著長(zhǎng)度不等的裂紋（見(jiàn)圖1），裂紋長(zhǎng)度約5～30mm，裂紋距葉根距離10～30mm。1葉輪裂紋失效的有限元分析1.1有限元建模和計(jì)算方法根據(jù)葉輪葉片局部尺寸實(shí)際測(cè)繪結(jié)果并參考現(xiàn)場(chǎng)照片，利用SolidWorks軟件
5、建立一級(jí)葉輪的幾何模型。葉輪材料為G-X5CrNi134（DIN標(biāo)準(zhǔn)），材料性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。7圖2葉輪有限元網(wǎng)格圖1葉片裂紋位置葉片裂紋表1G-X5CrNi134出廠檢驗(yàn)材料性能E/GPaμρ/（kg/m3）σb/MPaσ0.2/MPa2100.37.85×103998929采用ANSYS/WorkBench軟件將該葉輪劃分為十節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行分析、計(jì)算，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。在加載時(shí)主要考慮葉輪受的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力影響，計(jì)算模型中約束葉輪后端中心圓柱面的位移。1.2有限元計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力分析根據(jù)有限
6、元計(jì)算結(jié)果可知：葉輪中的應(yīng)力最大值為999MPa，位于前蓋出口端的外表面。另一個(gè)應(yīng)力較大的部位在葉輪進(jìn)口端靠近內(nèi)緣根部的位置（接近本次實(shí)際裂紋部位），應(yīng)力值為806MPa。葉輪的第一主應(yīng)力分布如圖3和圖4所示。圖4氣流進(jìn)口第一主應(yīng)力最大應(yīng)力部位進(jìn)口端最大應(yīng)力部位圖3葉輪正面第一主應(yīng)力從計(jì)算結(jié)果看出，葉輪的最大應(yīng)力位于前蓋出口端外表面（圖3），其數(shù)值已超出材料的極限強(qiáng)度?？紤]到此應(yīng)力主要是由于前蓋的扭轉(zhuǎn)變形引起的，而扭轉(zhuǎn)變形值與前蓋的厚度以及葉型的幾何尺寸有關(guān)，該處計(jì)算應(yīng)力較大的原因可能與未能精確測(cè)出葉片曲面
7、的真實(shí)尺寸所引起的幾何尺寸差異有關(guān)。另外，由于該處在氣流流道以外，不受高速氣流直接沖刷，即使其計(jì)算應(yīng)力較大，但危險(xiǎn)性較小。7從圖4看出，另一個(gè)應(yīng)力較大的部位在葉輪進(jìn)口端靠近內(nèi)緣根部的位置（接近本次實(shí)際裂紋部位），為葉輪最大應(yīng)力所在位置。但同樣由于測(cè)量的尺寸不夠精確，其計(jì)算應(yīng)力值與圖5葉片進(jìn)口根部沿流道方向應(yīng)力分布真實(shí)應(yīng)力可能存在一定差別。另外，對(duì)該類離心式壓縮機(jī)的葉輪而言，通常其離心載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與氣體載荷產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)相互抵消一部分，但由于沒(méi)有氣體流動(dòng)分布的數(shù)據(jù)，在有限元計(jì)算中無(wú)法計(jì)入氣體載荷的影響，使得計(jì)
8、算的應(yīng)力偏大。還需指出的是葉輪有限元方法計(jì)算的最大應(yīng)力分布在局部很小的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，在其周圍的應(yīng)力衰減很快（見(jiàn)圖5），因此從平均應(yīng)力的概念來(lái)看，該處實(shí)際應(yīng)力情況和有限元計(jì)算結(jié)果給出的單點(diǎn)應(yīng)力（處于很小的區(qū)域）在數(shù)值上有一定的差異。2葉輪開(kāi)裂的失效機(jī)理2.1宏觀分析(a)試樣一(b)試樣二圖6裂紋試樣由圖1看出，5個(gè)葉片的開(kāi)裂位置和形貌較為接近，由此判斷其開(kāi)裂性質(zhì)應(yīng)是相同的。從中選取兩片開(kāi)裂葉片，切取含有裂紋的試樣做
