*(東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院)
摘要:葉輪是離心壓縮機(jī)高速轉(zhuǎn)子的核心部件,由于葉輪結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境的復(fù)雜性,經(jīng)常發(fā)生疲勞破壞的現(xiàn)象。近年來,隨著壓縮機(jī)的核心部件葉輪結(jié)構(gòu)的直徑和出口寬度的增加,葉輪產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展至斷裂的現(xiàn)象越來越頻繁,嚴(yán)重影響到壓縮機(jī)組的安全可靠性。本文以離心壓縮機(jī)三元閉式葉輪為研究對象,以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)對其裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測方法進(jìn)行研究。
首先,對離心壓縮機(jī)閉式葉輪進(jìn)行三維實(shí)體模型的建立,并對其進(jìn)行強(qiáng)度分析,得到了葉片與輪蓋焊接處的應(yīng)力分布。為了便于對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展的研究,基于力學(xué)與幾何相似原理對三維葉輪葉片與輪蓋焊接處進(jìn)行了模型的簡化,為求解應(yīng)力強(qiáng)度因子提供了可行性。
然后,利用簡化的二維等效模型,進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算。從線彈性斷裂力學(xué)角度出發(fā),應(yīng)用ANSYS 軟件分別計(jì)算裂紋形式為中心裂紋及邊裂紋兩種典型裂紋形式的應(yīng)力強(qiáng)度因子,通過曲線擬合得到應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋長度的函數(shù)關(guān)系。
最后,在研究葉輪裂紋擴(kuò)展過程中,采用最大周向正應(yīng)力理論計(jì)算了裂紋的開裂角;采用復(fù)合型裂紋疲勞擴(kuò)展壽命模型,對裂紋形式為邊裂紋的葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算,給出了裂紋擴(kuò)展壽命隨初始裂紋長度及終止裂紋長度的變化關(guān)系,總結(jié)出了一套基于斷裂力學(xué)的葉輪結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法和流程。
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