基于断裂力学的离心压缩机叶片疲劳寿命研究

发布时间：2017-08-14 11:13

  本文关键词：基于断裂力学的离心压缩机叶片疲劳寿命研究

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【摘要】：离心式压缩机在天然气运输中占有重要地位,其设计制造水平标志着国家重大制造装备业的水平。压缩机叶片的制造代表着压缩机水平的最高技术,叶轮中的叶片是压缩机故障的主要发生部位。叶片的主要故障以裂纹的形式出现,其疲劳寿命是压缩机设计过程中比需要解决的问题。 本文针对某大型离心式压缩机叶轮叶片,采用FLUENT模拟压缩机工作下的叶片上的载荷分布,并将得到的结果在ANSYS中与叶轮模型进行耦合,分析叶轮叶片在不同工况下的应力分布,并且对叶片在正常工况、失速和喘振发生时的应力也进行分析,得到了叶片的基本应力情况,发现叶片与叶盘及盖盘的连接处应力比较大,属于危险区域。 叶片疲劳裂纹扩展主要的影响因素是裂纹尖端的场的分布,包括应力场及位移场。在对裂纹尖端场的影响因素中应力强度因子是决定裂纹开裂及停止的主要因素。本文针对该型号压缩机,对叶轮叶片在有裂纹情况下的裂纹尖端的场的分布进行研究,得到边缘及内部裂纹尖端场的分布情况,发现内部裂纹尖端场的情况与边缘裂纹相似,并比边缘裂纹减小30%-45%。 本文的第四章、第五章在基于断裂力学的基础上,通过分析叶片的断面图像,总结出叶片疲劳裂纹萌生的位置及断口特征。针对PCL81型压缩机叶片通过实验的方法求得其S-N曲线,通过建立裂纹扩展速率模型分析该叶片在不同应力比下的裂纹扩展速率、疲劳寿命及剩余疲劳强度,发现压缩机在正常工况下裂纹扩展比较缓慢,在失速和喘振工况下,裂纹扩展比较快。 本文的研究成果不仅求得了裂纹在不同工况下的扩展速率,而且对压缩机的设计与制造具有一定的参考意义。
【关键词】：离心式压缩机 失速和喘振 应力强度因子 裂纹扩展速率 疲劳寿命
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH452
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 研究意义及目的8-9
• 1.2 国内外裂纹扩展研究现状9-10
• 1.3 疲劳寿命研究进展10-11
• 1.4 论文的主要工作11-13
• 2 离心式压缩机载荷分析13-32
• 2.1 流体计算方程和模型13-16
• 2.1.1 流场的控制方程13-15
• 2.1.2 湍流模型简介与选取15-16
• 2.2 离心式压缩机正常工作应力分析16-21
• 2.2.1 正常状况下的叶片载荷分析16-19
• 2.2.2 叶轮正常工作下的应力分析19-21
• 2.3 叶轮在旋转失速状况下的分析21-26
• 2.3.1 旋转失速原理及机理21-23
• 2.3.2 旋转失速的流场分析23-25
• 2.3.3 旋转失速应力分析25-26
• 2.4 叶轮在喘振状况下的分析26-30
• 2.4.1 喘振原理与机理26-27
• 2.4.2 喘振的气动分析27-29
• 2.4.3 喘振的应力分析29-30
• 2.5 本章小结30-32
• 3 叶片损伤周围的应力场-位移场分析32-45
• 3.1 线弹性断裂力学32-33
• 3.2 叶片边缘裂纹的解析解33-40
• 3.2.1 叶片边缘裂纹的应力场35-37
• 3.2.2 叶片边缘裂纹的位移场37-38
• 3.2.3 叶片边缘裂纹的应力强度因子38-40
• 3.3 叶片内部损伤裂纹的解析解40-44
• 3.3.1 叶片内部损伤裂纹的应力场40-41
• 3.3.2 叶片内部损伤裂纹的位移场41-42
• 3.3.3 叶片内部损伤裂纹的应力强度因子42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 压缩机叶轮疲劳行为与机理45-60
• 4.1 叶轮疲劳断裂机理分析45-49
• 4.1.1 叶轮高周疲劳裂纹萌生46
• 4.1.2 叶轮高周疲劳裂纹扩展46-48
• 4.1.3 叶轮材料高周疲劳S-N曲线48-49
• 4.2 疲劳裂纹扩展速率分析49-59
• 4.2.1 叶片断裂韧度49-51
• 4.2.2 叶片裂纹扩展门槛值51-52
• 4.2.3 叶片裂纹扩展速率52-55
• 4.2.4 平均应力对疲劳裂纹扩展速率的影响55-56
• 4.2.5 过载峰对疲劳裂纹扩展速率的影响56-59
• 4.3 本章小结59-60
• 5 压缩机叶片疲劳寿命及剩余强度分析60-70
• 5.1 压缩机叶片疲劳寿命分析60-62
• 5.1.1 叶片材料疲劳断裂寿命分析60-61
• 5.1.2 叶片关键部位裂纹扩展寿命评估61-62
• 5.2 叶轮材料疲劳强度的预测62-69
• 5.2.1 裂纹对材料强度的影响62-67
• 5.2.2 考虑氢影响条件下的疲劳强度67
• 5.2.3 夹杂物尺寸疲劳强度的影响67-68
• 5.2.4 裂纹纯疲劳扩展后剩余疲劳强度68-69
• 5.3 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况75-76
• 致谢76-77

【参考文献】

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本文编号：672349