压缩机叶轮强度的定性分析

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压缩机叶轮受力比较复杂，主要受自身旋转离心力的作用。




因此，我们着重分析这个主要的作用力，而不考虑其他作用力的影响。压缩机叶轮的结构形状复杂，受离心力作用后产生的应力情况也比较复杂，为了能浅显地说明问题，这里仅定性分析压缩机叶轮受力特点。



　　

厚圆环受力情况如图3-16所示。由于旋转离心力的作用，在截面上会产生应力，该应力是拉伸和弯曲的综合结果。



由于弯曲应力使内圆受拉、外圆受压，整个截面上受的应力是不均匀的，最大的切向应力产生在内径处，无论是拉伸还是弯曲，都是旋转离心力作用的结果，因此，总的切向应力应大致与ρu2成正比。这两点结论很重要，如果忽略压缩机叶轮结构的复杂性并仅考虑旋转离心力作用的话，那么厚圆环的这两个结构对压缩机叶轮也是适用的。

　　

从上面简单分析可以推论：对等厚度圆环来说，如果内径加大，则平均直径就加大，因而圆周速度加大，内径处的切向应力就加大。

 


如果将等厚度圆环的外缘削薄，减轻外圆附近的材料，圆环的重心当然要向中心移，将使切向应力减小。

 


通过上述分析，可以得出适应于压缩机叶轮强度定性分析的一些结论。①轮盘、轮盖主要受自身旋转离心力的作用，叶片旋转产生的离心力，也附加作用在轮盘和轮盖上。


一般认为，在轮盘上铣出叶片的轮盘，叶片离心力全部作用在轮盘上；单独加工的叶片，其离心力由轮盘和轮盖共同承担。


②由于主要受自身旋转离心力的作用，所以切向应力大致与材料密度和轮缘圆周速度的平方乘积成正比，即σt与 ρu22成正比。



由于切向应力本身与材料密度成正比，因此衡量材料的强度不应当单纯地看屈服点σs的大小，而应当用综合指标σs/ρ 来衡量，因而采用某些轻合金作压缩机叶轮的材料从强度上看是有利的。



如表3-3列出三种材料为例，从中可以看出材料34CrNi3Mo的σs虽然比LD5、LD10大，但密度也大，故综合指标 σs/ρ 反而比它们小。


③轮盘、轮盖旋转产生的切向应力与它们的形状和结构尺寸有关，一般内孔处应力最大。



外圆削薄对减小应力有利，内孔直径加大，切向应力值增加，因此，由于轮盖内孔直径较轮盘大，一般轮盖内孔处切向应力最大（图3-17），是压缩机叶轮强度上的薄弱环节，限制了压缩机叶轮圆周速度的提高。



对闭式压缩机叶轮来说，工业用离心式压缩机压缩机叶轮轮缘圆周速度限制在320m/s以内。半开式压缩机叶轮，由于取消了轮盖，强度可以提高。这种压缩机叶轮多用于运输式压缩机，圆周速度限制在450～50m/s以内。



　　
值得指出：只从静应力来分析压缩机叶轮主要零件的可靠性是不够的，许多经验表明，这些零件的损坏，常常并不一定是静强度不够，而是由于运动中产生交变应力引起的。



压缩机叶轮的零件中，轮盖损坏的事故比较多，而且大多数在轮盖外圆，过去铆接压缩机叶轮轮盖损坏的事故常发生，而且通常先在最外一个铆钉孔处发生裂纹并向外延伸，以至撕碎。叶片损坏的事故也很多，损坏常常也发生在压缩机叶轮出口边。至于铆钉头操作事故就更为普遍。



轮盘损坏的事故要相对少些。事故产生的裂痕多属于疲劳损伤所致，可见是由于在这些零件上产生的交变应力过大造成的。


压缩机叶轮运行中存在许多激振因素，如叶片扩压器中叶片对流动的扰动、压缩机叶轮出口气流的不均匀性形成的气流脉动、壁面涡引起的气流脉动等，都会激起压缩机叶轮的振动。



因此，还必须分析压缩机叶轮的振动和动应力情况，只有这样，才能全面衡量压缩机叶轮的可靠性。


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