大型离心压缩机叶轮叶片疲劳可靠性分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com《装备制造技术}2oo8年第8期大型离心压缩机叶轮叶片疲劳可靠性分析吴承伟’。关振群’，郭杏林’，程耿东’，王学军，戴继双，张勇，杨树华(1．大连理工大学运载工程与力学学部工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024；2．沈阳鼓风机集团公司，辽宁沈阳110142)摘要：研究了国产某型号离心压缩机叶轮叶片的疲劳寿命可靠性设计，探讨了其疲劳破坏寿命的预报方法，发现决定叶片疲劳寿命的工作应力有两个：稳态应力水平和交变应力水平。任何一个应力水平过高，都会导致疲劳寿命降低；降低稳态应力水平可以通过结构优化设计来实现，降低交变应力水平主要靠运行管

2、理来控制。关键词：离心压缩机；叶轮叶片；疲劳寿命；稳态应力；交变应力；控制中图分类号：TH45文献标识码：A文章编号：1672—545X(2008)08—0001—03大型离心压缩机属于高科技产品，是衡量一个国家重大1叶轮叶片疲劳寿命设计理论装备制造业发展水平的标志性设备之一。从1900年法国制造出世界第一台离心压缩机开始，在北美和欧洲出现了离心压1．1疲劳寿命估计方程缩机的生产热潮。20世纪50年代，为适应化肥工业的高压合压缩机叶轮叶片的主要破坏形式之一是疲劳破坏。疲劳成工艺需要，离心式压缩机又获得了飞跃发展。目前国际上能寿命设计的前提和基础是已知设备运转时叶片的应力状态和够为大型乙烯生

3、产线制造大型离心压缩机组的主要厂商有：变化规律(包括静应力和动应力)，以及结构材料的极限疲劳GE、西门子、三菱重工、荏原和沈鼓集团等。世界上正在运行应力。前者可以通过数值计算或实验获得，后者可以由试验的最大规模乙烯生产装置是加拿大127万t／年生产线，正在获得。叶片结构的总疲劳寿命(应力循环次数)Ⅳf可以写设计建设中单机系列规模最大是伊朗在Assaluyeh地区建造成Flo]：的140万t／年乙烯装置。由于技术竞争的原因，关于压缩机结Nf：Nl+NPt1、构可靠性设计和先进制造工艺等关键核心技术，公开的文献为裂纹萌生crackinitiation)疲劳寿命(微小裂纹开始扩和专利资料极少，因

4、此想依靠国外援助或者直接消化和吸收展前的寿命)，主要以弹塑性分析为基础进行估计；ⅣD为裂纹国外先进技术，几乎是不可能的。在压缩机领域公开发表的论扩展(crackpropagation)疲劳寿命，其理论研究基础为断裂力文中，大多数都集中在压缩机原理、空气动力学、转子动力学、学。研究表明：对于大多数金属材料，特别是叶片使用的不锈振动控制、运行工况监测等，以提高压缩机性能为主要目的研钢材料，ⅣD远远小于，可以忽略不计。对于高周疲劳，总应变究方面7】。但是在压缩机结构优化设计、先进制造工艺、寿命范围(totalstrainrange)A8约等于弹性应变范围(elasticstrain与可靠性设计等

5、关键技术方面，几乎没有公开的文献发表。range)Ae，即Ae—Ae，此时结构疲劳寿命主要由弹性应我国压缩机行业起步较晚，上世纪60年代，当时的沈阳变控制，疲劳寿命估计的B~quin方程为t71：鼓风机厂生产出了我国第一台小型单轴离心式压缩机。改革开放之后，特别是最近5年，我国重工业的迅速崛起和国民经竽：孚(2Nf)(2)济的快速发展，为我国大型装备制造业快速成长提供了有利b为疲劳强度因子，’，为疲劳强度系数，E为材料弹性模条件和机遇，特别是能源、化工领域的“心脏设备”——离心压量。对于大部分光滑金属试件，b值在一0．05到一0．12之间，一缩机制造业发展迅猛，也给大型装备制造业提出了新的

6、挑战。般情况下材料强度越高，b值绝对值越大；在缺少实验数据的从离心压缩机的整个发展历史来看，大型化是一个重要情况下，疲劳强度系数可以取，一cr，(断裂时的真实应力)，趋势。但是大型化带来了机组设计、制造、运行寿命和可靠性对于Brinnel硬度在500以下的钢材可以由下式近似给定评估等一系列问题，尤其是高速旋转的核心部件一叶轮的疲劳寿命可靠性设计与分析问题更为突出，其中力学问题是寿o-；~+345(MPa)(3)命和可靠性设计的主要科学问题，成为制约大型离心式压缩其中为极限拉伸强度。同理，对于低周疲劳，疲劳寿命机叶轮可靠运行的技术瓶颈。本文以某大型离心压缩机为研主要由塑性应变控制，疲劳寿命估

7、计方程可以写成：究对象，探讨了离心压缩叶轮叶片疲劳寿命估计的方法。收稿日期：2008-05—12作者简介：吴承伟(1957一)，男，博士，教授，博导，大连理工大学运载工程与力学学部副部长，研究方向：工程力学。维普资讯http://www.cqvip.comEquipmentManufactringTechnologyNo．8．2008载荷所致。根据有限元计算，叶轮稳态工作时叶片内圆根部没=e’f(2Ⅳf)c(4)有达到材