空氣壓縮機(jī)是一種重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，作為能源、化工行業(yè)以及國(guó)防軍事領(lǐng)域的“心臟設(shè)備”，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有非常重要的地位。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)空氣壓縮機(jī)需求趨向于高轉(zhuǎn)速、大流量、高壓差等性能，空氣壓縮機(jī)的大型化已經(jīng)成為了必然的趨勢(shì)。大型離心壓縮機(jī)是一種制造技術(shù)難度大，科技含量高的機(jī)械產(chǎn)品，其性能的優(yōu)劣是評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家裝備制造水平的重要標(biāo)志。

葉輪是空氣壓縮機(jī)的核心部件，從空氣壓縮機(jī)的工作原理來(lái)看，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體做功以提高氣體的流動(dòng)速度，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的動(dòng)能；同時(shí)，葉輪也是壓縮機(jī)中的主要承力結(jié)構(gòu)，尤其是在大型空氣壓縮機(jī)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的葉輪的動(dòng)力環(huán)境非常復(fù)雜，基本的力學(xué)載荷為離心力和穩(wěn)定氣流的反作用力，除此之外葉輪還承受尾跡干涉、蝸殼內(nèi)氣流反彈等多種非穩(wěn)定氣體載荷的共同作用。因此，葉輪作為空氣壓縮機(jī)的核心部件，其剛度、強(qiáng)度和疲勞性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)是提高空氣壓縮機(jī)性能的關(guān)鍵問(wèn)題。

空氣壓縮機(jī)失效故障事故的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，葉輪的疲勞斷裂是葉輪最主要的破壞形式，并已經(jīng)成為影響空氣壓縮機(jī)性能及可靠性的關(guān)鍵因素之一。一旦葉輪發(fā)生疲勞斷裂，空氣壓縮機(jī)無(wú)法正常工作，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始關(guān)注葉輪疲勞性能的研究上，促進(jìn)了關(guān)于葉輪載荷形式以及疲勞壽命預(yù)測(cè)等相關(guān)理論研究的不斷開(kāi)展。大量理論研究表明：在空氣壓縮機(jī)使用壽命期限內(nèi)，葉輪主要載荷形式包括壓縮機(jī)在頻繁的啟停操作和小流量工況下所發(fā)生的旋轉(zhuǎn)失速和喘振、轉(zhuǎn)子的振動(dòng)、壓縮機(jī)阻塞、前導(dǎo)葉氣流尾跡激振等。在這些復(fù)雜、變化的載荷形式作用下極易導(dǎo)致葉輪的疲勞斷裂，尤其是在空氣壓縮機(jī)頻繁啟停、轉(zhuǎn)速失穩(wěn)等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，葉輪會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障。旋轉(zhuǎn)速度的突變會(huì)導(dǎo)致氣流產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)和非定常脈動(dòng)，產(chǎn)生額外的附加變載荷，造成葉輪高應(yīng)力點(diǎn)處發(fā)生疲勞斷裂問(wèn)題。在破損葉輪的觀(guān)察中，人們發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋往往萌生于結(jié)構(gòu)的外表面，然后在交變應(yīng)力的作用下擴(kuò)展。因此，輪蓋的外緣是整個(gè)葉輪結(jié)構(gòu)中最薄弱環(huán)節(jié)，因此葉輪應(yīng)力狀態(tài)和變化規(guī)律(包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力)應(yīng)主要考慮輪蓋外緣處?？傮w來(lái)講，葉輪的失效主要發(fā)生在葉輪的輪蓋外緣處，引起其疲勞的載荷形式是靜應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)力組合的方式，在頻繁啟停、轉(zhuǎn)速失穩(wěn)時(shí)葉輪發(fā)生疲勞斷裂的機(jī)率非常大。

葉輪疲勞性能的提升對(duì)大型離心壓縮機(jī)的性能有非常重要意義，工作過(guò)程中的葉輪一旦發(fā)生疲勞斷裂，造成的經(jīng)濟(jì)損失是不可估量的，如何將葉輪疲勞失效問(wèn)題在葉輪的設(shè)計(jì)階段解決是研究人員面臨的核心挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著機(jī)械零件的再制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)失效葉輪的再制造技術(shù)也受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，但再制造完成的葉輪性能，尤其是疲勞性能的檢測(cè)仍然是現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)上的問(wèn)題。對(duì)葉輪的疲勞性能進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)價(jià)和再設(shè)計(jì)對(duì)提升空氣壓縮機(jī)的整體性能、降低經(jīng)濟(jì)損失具有非常重要的意義。

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