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《科技風雜志》2015年第三期

1葉輪疲勞預估方法分析

在機械載荷中，轉子的振動、葉輪和輪蓋之間的摩擦所產生的載荷是一種非正常工況載荷，其發生幾率非常小。所以，在機械載荷中只需要對葉輪高速旋轉過程所形成的慣性力載荷進行考慮。以載荷有沒有跟隨時間的變化而改善為依據，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容，一方面是葉輪處于高速旋轉狀態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，主要是指氣體經過導葉獲得尾跡作用，然后基于葉輪葉片上的表面壓力載荷。對于葉輪疲勞預估，其方法步驟為：首先需對靜載荷及動載荷的結構響應進行求解，進一步在經過靜載荷和動載荷的組合的基礎上，再對結構的疲勞壽命進行計算。如圖1所示，為葉輪疲勞分析流程圖。

2葉輪靜應力計算方法分析

在靜應力計算過程中，需要對葉輪超速預加載加工工藝進行考慮，因此在進行靜應力求解過程中，首先需要對超速進行求解，進一步完全葉輪處于正常工作狀態時靜應力的計算。如圖2所示，為葉片CFD計算監測點。通過CFD分析得出氣動靜壓載荷，然后對非正常CFD計算結果進行有效處理，從而將葉輪葉片表面平均壓力求解出來，進一步把該壓力當作葉輪葉片表面靜壓添加至葉輪葉片表面，最后完成葉輪靜應力的計算。另外，在對葉輪靜應力進行分析時，通常需利用ANSYS軟件加以實現，基于ANSYS軟件當中，將各監測點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現。對于最后的求解，則應用旋轉對稱結構群論算法實現。

3葉輪葉片的疲勞壽命分析

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

4結語

通過本課題的探究，認識到大型離心壓縮機是一種非常重要的能量轉換裝置，在重工業中發揮了至關重要的作用。由于在大型離心壓縮機當中，葉輪葉片疲勞可靠性會對大型離心壓縮機的性能及安全運行產生直接影響，因此對葉輪葉片疲勞可靠性進行計算便顯得極為重要。筆者認為，需要明確葉輪葉片的疲勞壽命，通過優化結構設計及做好運行管理工作等方式，使葉片穩態應力水平及交變應力水平得到有效控制，進一步提高葉輪疲勞破壞可靠性，最終使大型離心壓縮機在實際應用過程中發揮出重要的價值作用。

作者：梁繼洋李巖單位：沈陽鼓風機集團股份有限公司