离心式压缩机叶轮裂纹分析及修复措施.doc

离心式压缩机叶轮裂纹分析及修复措施
刘中原樊建成/宝钢股份公司宝钢分公司
摘要：针对某大型空压机叶轮根部产生裂纹问题，通过有限元方法（FEM）对叶轮内部应力分布进行了数值计算，采用电镜扫描和能谱分析方法对叶轮裂纹失效机理进行了实验分析，发现叶轮裂纹为典型的应力腐蚀沿晶开裂，并对该叶轮的修复技术进行了研究探讨。
关键词：离心式压缩机；叶轮；有限元分析；应力腐蚀；激光熔覆
中图分类号：TG174文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2007）05-0034-06
AnalysisonImpellerCrackofCentrifugalCompressorandRepairingMeasures
Abstract:Aimingatimpellercracksofonelargecompressor,thepapergivesthenumericalcalculationforinternalstressofimpellerbyFEM.Thetestanalysisoninvalidmechanismofimpellercrackiscarriedoutbyscanningelectromicroscopeandenergyspectrumanalysismethod.Itisfoundthatimpellercrackisthetypicalstress-erosioncracking.Sothepapergivestheinvestigationanddiscussiononrepairingtechnologyofimpeller.
Keywords:centrifugalcompressor;impeller;FEM;stress-erosion;laser-cladding
0引言
宝钢某大型空压机为德马克公司制造的大型组合齿轮式离心压缩机。其一级叶轮的转速为5190r/min,流量172500Nm3/h，进口压力为一个大气压，出口压力0.548MPa。轴功率11938kW，电机功率12680kW。自投用至今已稳定运行了16年。
在该空压机的一次年修中，经着色探伤发现该空压机一级叶轮有5个叶片的前端根部附近进口内缘存在着长度不等的裂纹（见图1），裂纹长度约5～30mm，裂纹距叶根距离10～30mm。
1叶轮裂纹失效的有限元分析
1.1有限元建模和计算方法
根据叶轮叶片局部尺寸实际测绘结果并参考现场照片，利用SolidWorks软件建立一级叶轮的几何模型。
叶轮材料为G-X5CrNi134（DIN标准），材料性能数据见表1。

图2叶轮有限元网格
图1叶片裂纹位置
叶片裂纹

表1G-X5CrNi134出厂检验材料性能
E/GPaμρ/（kg/m3）σb/MPaσ0.2/MPa2100.37.85×103998929采用ANSYS/WorkBench软件将该叶轮划分为十节点四面体单元进行分析、计算，有限元网格模型如图2所示。在加载时主要考虑叶轮受的高速旋转时的离心力影响，计算模型中约束叶轮后端中心圆柱面的位移。
1.2有限元计算结果及应力分析
根据有限元计算结果可知：叶轮中的应力最大值为999MPa，位于前盖出口端的外表面。另一个应力较大的部位在叶轮进口端靠近内缘根部的位置（接近本次实际裂纹部位），应力值为806MPa。叶轮的第一主应力分布如图3和图4所示。
图4气流进口第一主应力
最大应力部位
进口端最大应力部位
图3叶轮正面第一主应力
从计算结果看出，叶轮的最大应力位于前盖出口端外表面（图3），其数值已超出材料的极限强度。考虑到此应力主要是由于前盖的扭转变形引起的，而扭转变形值与前盖的厚度以及叶型的几何尺寸有关，该处计算应力较大的原因可能与未能精确测出叶片曲面的真实尺寸所引起的几何尺寸差异有关。另外，由于该处在气流流道以外，不受高速气流直接冲刷，即使其计算应力较大，但危险性较小。

从图4看出，另一个应力较大的部位在叶轮进口端靠近内缘根部的位置（接近本次实际裂纹部位），为叶轮最大应力所在位置。但同样由于测量的尺寸不够精确，其计算应力值与图5叶片进口根部沿流道方向应力分布
真实应力可能存在一定差别。另外，对该类离心式压缩机的叶轮而言，通常其离心载荷产生的应力与气体载荷产生的应力应相互抵消一部分，但由于没有气体流动分布的数据，在有限元计算中无法计入气体载荷的影响，使得计算的应力偏大。还需指出的是叶轮有限元方法计算的最大应力分布在局部很小的一个区域内，在其周围的应力衰减很快（见图5），因此从平均应力的概念来看，该处实际应力情况和有限元计算结果给出的单点应力（处于很小的区域）在数值上有一定的差异。
2叶轮开裂的失效机理
2.1宏观分析
(a)试样一
(b)试样二
图6裂纹试样
由图1看出，5个叶片的开裂位置和形