经验交流空压机叶轮破裂原因分析侯峰，徐宏，关凯书，叶国庆华东理工大学，上海2∞237叶轮开裂原因系疲劳开裂，叶轮焊接缺陷产生了焊接弧坑，造成面应力集中，气流激振加速了裂纹扩展1引言某石化公司动力厂空分空压站和化纤厂空压冷冻站各行4台2将9.50.98型离心压缩机240型离心压缩机是单进气双轴级齿轮增速等温压缩机，即各级间设有冷却器使压缩过程尽可能接近等温压缩。其结构大致分为包括齿轮增速装置的1缩机本体气冷却系统和润相系统。
240型压缩机共有4个叶轮，每级为段，共段压缩。叶轮采用铬镍介金钢焊接而成。1.2级为元叶轮，3，4级为元叶轮。
质空气进1容积流124，进口压乃，9心进温度321排出温度约40末令却器后轴功率4001撕转速大齿轮为收稿曰期250303修稿日期，20，05防为190337，1临界转速级转子为2344.，1斯及转十为29742心240型压缩机级叶轮的结构1.
这8台把40型离心压缩机自投用以来，2年内己发生数次故严重影响正常生产。其中。
*严重的故障是叶轮先后出现裂纹掉块等，尤其是2级叶轮出现故障次数较多。由于叶轮的开裂导致转子动平衡失衡，造成轴瓦损坏轴头泵损坏齿面损伤等。本文针对叶轮开裂进行了分析，找出了叶轮的失效机理及开裂原因。
2裂纹宏观形貌对某级失效叶轮进行分析，该叶轮外径40开裂部位2所不。从宏观上看，叶轮多处开裂且局部有掉块现象。从开裂情况看，绝大多数开裂位于叶轮轮盘外边缘处，裂纹均起源于轮盖与叶片之间的焊接热影响区，叶轮上某些部位叶片也出现开裂。对裂纹线切割取样观察发现，轮盖内面裂纹比外面裂纹长，说明裂纹是从轮内，此向夕面扩展的当资纹扩展到定程度后，裂纹扩展方向由径向转为周向扩展。
在轮盖外面远离边缘处看到周向裂纹，此为=轮开裂后沿径向扩展到定深度转向沿轴向广展到轮盖外面形成的裂纹。
失效叶轮的化学成分分析结果如1.
从1中可以看出，风机叶轮轮盖轮盘化学成分符合340，的标准成分要求，叶轮盘与轮盖材料的化学成分没有明显问系3435钢。
项目轮盖轮盘3401观，标准成分3断口分析断口面有放射纹。裂纹从叶轮轮盖内面向心部扩展。断口面光滑，壁厚没有减薄，除*后断裂处有撕裂外，没有明显的塑性变形。从以上特征看。开裂呈脆性断裂特征但不是焊接冷裂纹扩因焊接冷裂纹扩展没有放射纹。即脆性断裂是使用过程中发生的，是低应力脆断的种。
从叶轮外缘选，不1部位的裂纹面进丁扫描电镜分析。；3为裂纹断形貌。341分别为放大不同倍数的裂纹起裂点形貌。起裂点在内面靠近叶轮外缘。从中可以看出断面有较大的缺口。缺处是放射条纹的核心。说明该处为起裂点。从放射纹方向肴裂纹是从内农面向外面扩展并同时向心部扩展。放射的木端，宽的疲劳贝壳线。之7呈脆断3，3为起裂点处放射纹放大内面开裂后除向外面扩展外。还沿与叶片连接处热影响区向叶轮心部扩展。3出了起裂处疲劳辉纹细小，疲劳扩展速率较慢，旦开裂。叶轮失去了动平衡。振动加剧。裂纹迅速扩从不14位聊，样得到的断口扫描电镜显。
断裂均为疲劳开裂，且起裂位置有凹坑缺陷。由于裂纹均在焊缝热影响区，因此这些凹坑缺陷是焊接弧坑。
根据断分析结果。可分析出裂纹的形成及扩展过程如下叶轮轮盖内侧焊接弧坑处该处为焊接热影响。村料组织发生变化。性能劣化且引发了裂纹存在较大的应力集中，在交变载荷作用下。焊接弧坑逐渐形成疲劳裂纹源。裂纹源可在处产生，也可在多条焊缝的焊接弧坑同时产生。
旦形成裂纹，在交变载荷和离心力的作用下向心扩展裂纹形成后叶轮失去动平衡。振动加锾裂纹加速扩展并产生瞬时断裂；同时由于振动分布是不均匀的，但压力分布比较均匀。因此边界层内的压力就等于主气流的压力。随着截面的增大。边界层的压力也跟着升高。边界层的气流是靠主气流的流动而带动向前运动的。当主气流动能来克服边界层中的摩擦阻力和压差阻力时，边界层的气流将会停滞不前。甚至会产生反向流动，使边界层与壁面脱离。气流沿扩压管面不断地发生停滞甚至倒流，于是越来越多的被阻气流就会在短时间内在壁面与主气流之间堆积起，使倒流逐渐扩大，把主气流挤向通道的中部，在贴近壁面处便形成了涡流区，这种涡流区还会延伸到通道以外的迹流中去。润流区的产生会造成很人的能量损失。这个能量损失称为边界1脱离损失。
大量实验明，边界层脱离与通道的形状壁面的粗糖度以及气流的性质有关，尤其是通道的形状对气流的分离有很大的影响。如果通道设计得不好，如通道扩张度很大截面变化突然，使通道内出现局部压力突然增大在这种情况下，涡流区就会很容易变形。
气流对叶片的冲击也可导致气流涡动。压缩机是按照定的工况设计的定的流量压力温度等彡。因此压缩机只有在设计工况时，气体流入叶轮扩压器等元件才是*佳的。即气流流入叶片进入流道。但压缩机作观场丈际记转中。由十1艺流程的影响。气体的需用量和压缩机的转速等其他参数常发生变化。如当流量大于或者小于设计流I；疲劳纹4交变载荷4.1气流激振导致叶轮振动气流花扩1呢巾汉娜1.广内量时，气流进入叶轮和扩压器叶片时，其速度方向就不再与叶片的进口角相从而会出现气流冲击叶片的工作面与非工作面的现象。
4.2气流导致叶轮振动应力计算前在叶轮设汁中主要是考虑离心力引起的应力，而没有考虑气流产生的弯曲应力。徐自力提出了新的叶轮应力计算模型27.
虽然静弯应力并+像离心应力邶么大然而由于扩压叶片以及压缩机变工况等造成的气流对叶轮激振而产生的交变应力会促使叶轮疲劳损伤，导致出现疲劳裂统甚至破坏。
目前设计的元叶轮几何形状极为复杂，要准确计算剪应力弯曲应力仍有困难。从开裂叶轮可看山。裂纹擎本起始十叶轮轮。盖的外缘附触溢，娜，往蔌，栳城轮盖的外缘附近是*薄弱环节，因此叶轮上剪应力和弯曲应乃的计算主要考虑轮盖外缘。
根据该模型所求导出的计算公式2，将叶轮轮盖尺寸代入此公式，可求得轮盖处*大剪应力和巧应力分别为8.65，224.51其为1级叶轮轮盖压差，=0.357仍，厂将代入计兑得级叶轮轮盖*大剪应力和弯曲应力分别为3.03和80.仍1.可该叶轮轮盖处静5应力较人，反映出在气流作用受到了较大的交变应力。付断口的观察也说明，正是这种交变弯应力造成了裂纹的疲劳扩展。山此可叶轮开裂的主要原因圮气流激振使弯应力较大造成的。
5改进方案考虑到叶轮汗裂的主要原因是气流的激振导致的叶轮振动，叶轮工作范围窄，此外还存在叶轮工作频率与齿轮的倍频相吻合导致的振动加剧。
必须对叶轮进行改进。改善气流流动。以避免轴系产汜共振。
提出的2项改进措施为1减小叶轮外径；优化流道结构。
根据改进方案，委托制造厂重新设计的压缩机叶轮己投产使用2年多，运行正常，说明改进方案及设计是合理的。
6结论裂纹金相分析及断口分析明。1240型离心压缩机叶轮开裂类型属子疲劳开裂。叶轮工作时存在交变载荷的作用。裂纹首先从轮盖内侧焊接弧坑处产生。并逐渐向轮盖外衣面及，心方向扩展，旦形成宏观裂纹，叶轮将失去平衡，振动加剧，裂纹加速扩展并产生瞬时断裂。
叶轮材料强度高，塑性低，可焊性差，叶轮焊接质量存在问有焊接弧坑导致的应力集中，极易成为疲万裂纹源。
叶轮交变载荷的来源是气流导致叶轮本身的振动。
提出了叶轮的改进方案并委托制造厂实施。改造5的叶轮投入使用效果理想。
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腐及失效研究，通讯地址200237上海市华东理工大学机械学院化机所。
试验研宄明，系统运行可靠，符合小型别墅中央空调的要求。该装置的应用对电力可起到移峰填谷的作用，为用户节约了运行成本。
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