设计安国滔大型再制造离心式压缩机叶轮建模

1、Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityThe Ming andysis of LargeRemanufacturing Centrifugal CompressorImpellerUndergraduate： An Guotao Supervisor： Prof. Cao HuajunMajor： Mechanical Design & Manufacturing& AutomationCollege of Mechanical Engineering Chongqing UniversityJune 2014摘要摘要离心式压缩机被广

2、泛应用于机械、化工、航天、生物等部门，对国家经济的发展有非常重要的影响。随着时代的进步和社会的发展，为实现可持续发展，对离心压缩机实行再制造已势在必行，它回收废旧机床产品，恢复具有高附加值的产品，在能源节约和环境保护方面有绝对的优势。离心式压缩机作为从在提高流体压力的时候，多数需要耗费比较多的能源，特别是大型的工程系列，例如近年来的万吨氯气压缩化工工程，对于较多消耗的大流量压缩机的设计、研发都能明显影响到企业的效益，也影响到国家倡导的绿色环保节能理念。本文针对大型离心压缩机叶轮动力比较大和无法进行现场试验等特点，结合某型号离心式压缩机叶轮，进行建模与仿真分析，使课题更加实用，本文的主要内容如下

3、：首先，论述了课题的目的、意义，并对国内外再制造产业现状、国内外压缩机及叶轮的现状进行分析。其次，在了解离心式压缩机的工作原理的基础上，掌握叶轮的结构特点、用途和制造工艺，分析再制造叶轮的修复方法。再次，利用 CAD 三维建模技术，结合具体型号离心式压缩机，进行叶轮失效分析，并建立离心式压缩机新品叶轮模型及离心式压缩机叶轮再制造模型。最后，通过 ANSYS 软件建立再制造离心式压缩机叶轮的有限元模型，分析典型载荷下的叶轮服役。：再制造，离心式压缩机，叶轮，建模，仿真分析IABSTACTABSTRACTCentrifugal compressor is widely used in mechan

4、ical, biological, chemical andaerospace department. It plays a very important role in develonational economy.Along with the progress and the development of the society, In order to achievesustainable development, to carry on centrifugal compressor remanufacture has beenimperative. It recycle used pr

5、oduct, rethe products with high value- added, hasabsolute advantage in energy saving and environment protection.As a motivation in improving fluid prere, centrifugal compressor requires muchenergy. In large projects, for example, compressing ten thousand of chlorine gas project in recent years. It i

6、s important to research and develop compressor of big flow and large er consuming, which can increase the entrise economic benefit and achievegreen environmental protection and energy saving., the article discusses the topic research pure, significance, and thenysespresent research situation on rema

7、nufacturing industry and the research situation of Centrifugal compressor impeller of domestic and foreign.Second, understand the operation principle of the centrifugal compressor, thenmaster the impeller structure features, application and manufacture proand impeller manufacture repair methods.s,ys

8、isThen, with the use of 3d ming technology of CAD, on the basis of specifictype of centrifugal compressor, make failureproduct ms and remanufacturing mysis of impeller,and establish theLast, uses ANSYS to make the typical load service lifeysis on theremanufacturing m.Key words：remanufacture ,ysiscen

9、trifugal compressor, impeller, ming, simulationII目录目录摘要IABSTRACTII1绪论1目的、意义11.11.2 相关领域的国内外的现状21.2.1 国内外再制造产业现状21.2.2 国内外离心压缩机及叶轮现状3的主要内容51.31.4 本章小结6离心式压缩机叶轮7离心式压缩机的工作原理7叶轮的结构，工作原理及制造工艺8叶轮的结构8叶轮的工作原理102.2.2 叶轮的制造工艺12再制造叶轮的工艺修复方法14本章小结17新品叶轮模型和再制造模型的建立18离心式压缩机叶轮的失效分析18叶轮的疲劳失效分析18233.1.2 叶轮的疲劳分析19离心式

10、压缩机叶轮的新品叶轮模型的建立20Pro/E 软件简介20基于 Pro/E 叶轮的三维建模20离心式压缩机叶轮的再制造模型的建立24本章小结25再制造叶轮的有限元分析26有限元分析方法简介26有限元分析方法264III目录4.1.2 ANSYS 软件简介26再制造叶轮有限元模型建立28ICEMCFD 软件简介28叶轮的建模与网格划分28再制造叶轮有限元分析29再制造叶轮离心力分析29再制造叶轮模态分析31本章小结32结 论335参考文献34致谢35IV1 绪论1绪论1.1目的、意义120 世纪以来，随着全球经济的进步，一个国家的进步和发展越来越离不开一个国家的制造业，一个国家制造业的水平是评价

11、一个国家是否强大的重要指标。为了跟上世界发展的节奏，开放后，中国制造业持续高速发展，成为经济持续快速发展的主要拉动力量。但同时，制造业的发展也给全世界以及中国带来了资源浪费和短缺、生态的破坏、环境食物污染等严重问题。高速发展的制造业，带来了消费品的大量普及，于是产品的周期也大大缩短，废弃产品的数量急剧上升，因此如何处理这些废弃消费品并对环境产生更少的污染成了现在的问题。统计资料显示，造成全球环境污染的排放物 70%以上来造业，制造业产品每年约产生 7 亿吨有害废物和 55 亿吨无害废物1。就汽车行业而言，全球每年大约有 2600 万辆汽车报废，我国 2007 年报废汽车达到 300 万辆左右，

12、据，在未来几年，我国的机床，工程机械，家电等机电产品将进入高速淘汰阶段。至 2020 年左右，全世界乃至我国大多数问题将进一步得到加重，我国经济的高速和可持续性发展将得到严重制约2。面对，再制造产业发展计划应运而生，根据发达国家的再制造经验，我国提出了具有的 4R 体系，即减量化 Reduce、再利用 Reuse、再循环 Recycle、再制 Remanufacture，这成为了我国目前可持续经济发展的重要支撑3。目前对再制造的定义还没有一个 的说法 的学者 4认为再制造是通过一系列工业过程，将报废的产品拆卸，通过再制造技术修复零部件，使其性能与 期望值达到或优于原零部件的性能与 ； 认为再制

13、造是以产品全 周期理论为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和 生产为 ，进行修复、改造废旧设备产品的一系列技术措施或过程活动的总称5。早期，压缩机基本只用来压缩空气，且仅仅适用于中、低压力以及气量很大的场合，所以没有引起学者的关注。但是由于后期化工工业的发展，离心压缩机成为了压缩各种化学气体的重要机械，于是其才引起了学者们的广泛关注，在国家经济的发展中占据重要地位。随着原材料路线的改变、机械设备研制工作的发展以及生产生活的需要，离心式压缩机也向着大型化不断前行。离心压缩机的工作原理是通过叶轮的旋转对气体做功，在叶轮的推动下，经过扩压器，利用离心升压作用和降速扩压作用，将叶轮

14、的机械能转化为气体的压1 绪论1.2 相关领域的国内外的现状1.2.1 国内外再制造产业现状20 世纪 80 年代也提出了再生工厂技术的概念。再制造十几年前形成了雏形。1996 年Robert T.d 教授主持了对的再制造业的深入调研，撰写了再制造业：潜在的巨人，建立了一个庞大的再制造公司的数据库：环日 于 2000 年也提出了循环型社会即3R（Reuse，Remanufacture，Recycle）表明，世界上发达工业国家部门已经对再制造的给予了高度重视。1984 大的再制造受益者。已于 2010 年明确将再制造列入为国防制造工业的优先发到目前为止，拥有专业化再制造公司近 10 万家，占全球

15、的 70%，德国汽而在国内，近期由 12 位中国工程院和 12 位组成的咨询项目课题组 咨询项目绿色再制造工程及其在我国的应用前景。目前，再制造设计和成形技术的应用已经列入国家先进制造技术发展前瞻、项目。2国内在再制造应用方面已初有成效。兰州化学物理结合国情提出再制造工程的概念并引进了系统的论证，完成了中国工程院 2000 年车汽车维修零部 90%都是再制造产品，发达国家都把再制造产业当成发展绿色工业的有力抓手。循环经济产业是各工业国未来发展制造业的一个大方向。展的新重点。年开始设计，1962 年投产使用，经过 1980 年、1996 年两次技术升级改造及再制造的B-52H 型轰炸机，预计可延

16、长到 2030 年。目前是世界上最行动的构想，制定了多部相关法律，如家用电器再生法建设再生法等。资料专业化再制造公司数量超过 7.3 万个，每年的销售额超过 530 亿，直接从事48 万人。2000 年 11 月 15 日，宣布将当日定为再循 1984 年首次提出了再制造这一概念，开始提倡旧品翻新或再生。力能6。由此可知，离心压缩机用于压缩气体的主要部件是高速旋转的叶轮和流通面积逐渐增大的扩压器。其中，叶轮是部件，它的各项性能指标对离心压缩机的可靠性和起着最重要的影响。在离心压缩机的运行过程中，由于其正常运行的工作环境区域较窄，如果工况发生变化就会加大对资源的消耗，重则就会发生喘振，而喘振则会

17、加大对叶轮的破坏，从而对离心压缩机造成影响。同时，离心式压缩机叶轮叶片是旋转式周期性结构，由于高速运转时，叶轮叶片内有很大的应力产生,是造成破坏的主要原因。综上所述，离心压缩机是工业生产的重要机械，而叶轮又是离心压缩机的重要部件，因此，熟悉叶轮的构造用途，对大型再制造离心式压缩机叶轮的进行三维建模，同时对典型载荷下的叶轮进行有限元分析， 其的疲劳 以及可靠性设计是非常有必要的。本课题将针对具体某型号离心压缩机叶轮进行三维建模和仿真分析。1 绪论所等使用表面工程技术引进设备零部件的再制造和应用，对重载车辆的延寿做了大量的试验和工作。在舰船上推广新型电弧喷涂防腐技术，使钢构件的防腐大大提高由 5

18、年提高到 15 年；应用等离子喷涂技术对重载车辆零件进行再制造修复，经考核证明，经再制造的零部件比新品的提高了 23 倍。与再制造工程有关项目的也取得了一定进度。交通大学开展的国家自然科学基金项目，基于回收性的汽车绿色设计若干基本问题，着重于以设计的角度考虑汽车的回收和环保处理。开展的机电产品绿色设计理论及方法国家重点项目，项目着重以产品设计阶段，即产品的前半生来考虑对环境的影响，而通过在产品后半生中废旧产品的再制造，可实现废品的资源化，获得产品的最优化利用和循环，提高产品性能，减少环境污染，增强可持续发展能力。国内的再制造工业也首先在汽车领域得到了发展。1994 年经国家有关部门批转，中国重

19、型汽车公司与英国Sandwell 公司于 1996 年合资创办了济南复强动力优先公司，专门从事重载汽车柴油发再制造。大众联合发展再保证与新机一样的性引进了德国大众发能、质量、配件，已纳入再制造技术和标准。再制造发和索赔条件，并打上再制造产品的标记，作为大众纯正大众汽车销售公司的销售及维修服务网络。我国在 2002 年 2 月学习读本21 世纪科技修养必备一书的中，明确要求工程师在设计产品时，把再制造作为一个目标，使产品的某些部件达到再制造的标准。再制造工程在我国的基础理论实践中。再制造基础理论与自然科学基金重点项目。处于起步阶段，尚未深入到再制造的生产已经通过立项，并与 2002 年被批准为国

20、家1.2.2 国内外离心压缩机及叶轮现状大型压缩机属于高科技产品，是衡量一个国家装备制造业发展水平的标志性设备之一9。从 1900 年法国制造出世界第一台离心压缩机开始，在洲出现了离心压缩机的生产热潮。二十世纪 50 年代，为适应化肥工业的高压工艺需要，离心式压缩机又获得了飞跃发展。目前国际上能够生产制造大型离心和欧压缩机组的主要厂商有：GE、西门子、三菱重工、沈阳鼓风机等。目前世界上正在运行的最大规模乙烯生产装置是127 万吨/年生产线，正在设计建设中单机系列规模最大是伊朗在Assaluyeh 地区建造的 140 万吨/年乙烯装置10。我国压缩机行业起步较晚，前基本属于空白。上世纪 60 年

21、代，当时的沈阳鼓风机厂生产出了我国第一台小型单轴离心式压缩机。70 年代，沈阳鼓风机厂引进意大利一台压缩机之后，经过和创新，使鼓风机的发展达到了很高的水平。开放之后，特别是最近 5 年，我国重工业的迅速崛起和国民经济的快速发展，为31 绪论我国大型装备制造业快速成长提供了有利条件和机遇，特别是能源、化工领域的“心脏设备”离心压缩机制造业发展迅猛，我国己经初步具备了与国外同类产品的竞争能力。但是也为大型装备制造业提出了新的，不断发现许多科学问题，特别是叶轮的设计与评估技术急需得到解决。为目前我国离心压缩机行业龙头企业、风机行业排头兵，特别是大型离心压缩机、大型离心鼓风机和大型离心通风机等主导产品

22、代表了我国在该领域的技术发展水平，在压缩机设计、制造技术业处于国内领先地位。目前主品大型离心式压缩机，占国内市场的 85%。从离心压缩机的整个发展历史来看，大型化是一个重要趋势，但是大型化带来了机组设计、制造、运行和可靠性评估等一系列问题，尤其是高速旋转的部件叶轮的设计与分析问题更为突出，其问题成为制约大型离心式压缩机叶轮可靠运行的技术瓶颈。目前离心式压缩机向着高转速、高压比、多级、大流量方向发展，安全、高效、可靠和经济运行是现代大型压缩机械设计与制造的技术关键和难点。由于转速高、功率大，离心压缩机的制造精度、制造工艺和运行管理的要求也越来越高。其设计和制造涉及到流体力学、固体力学、热力学、现

23、代节能理论、控制和摩擦学等诸多领域10-11，是集成各学科知识和现代技术的高科技系统。叶轮作为离心压缩机的运转是保证压缩机正常工作的重要基础。大型离心式压缩机及其叶轮再制造属于再制造领域部件，其安全、稳定的的新兴课题和学术前沿领域。与机床、工程机械、汽车等产品再制造零件相比，大型离心式压缩机再制造叶轮结构更加复杂、工况更为特殊，因此难度大大增加。2011 年以离心压缩机再制造为对象的国家 973 基础项目“机械装备再制造基础科学问题、大连理工大学、山东大学、”获得批准立项。联合、兵哈尔滨工程大学、重庆大学、合肥工业大学、沈阳鼓风机、济南复强动力有限公司等相关院校及压缩机及叶轮再制造开展相关方面

24、的。是国内第一支专门从事大型离心的国家级队伍。目前关于大型离心压缩机及叶轮再制造的仍然较少。国内外对大型离心压缩机及其叶轮的主要集中在新品叶轮了离心压缩机的工作等12人全面上面。学者 Hanlo和我国学者原理、结构设计理论及安装方法等内容，为离心压缩机的设计与使用提供了参考依据；韩国学者 Labib M.N 等和学者Abraham Engeda 等离心压缩机叶轮几何参数对叶轮性能的影响规律；波兰学者 J.Nowacki 等了离心压缩机叶轮的钎焊技术及不锈钢焊接叶轮强度性能等问题；学者S.Sivaprasad 等采用断口观测、能谱分析、金相显微等方式对离心压缩机叶轮及断口进行失效分析，论证了41

25、 绪论交变载荷促进材料缺陷扩展造成离心压缩机叶轮断裂失效的结论。然而关于离心压缩机再制造叶轮相关的却未见文献公开。1.3的主要本课题所在内容拥有较好的科研基础，拥有多种计算机软、硬件及仪器设备，同时课题组从属于国家 973 项目“机械装备再制造的基础科学问题”项目组，围绕目标，内容如下：第一章，阐述了课题目的及意义，介绍了再制造领域、压缩机、再制造压缩机以及叶轮领域的现状。第二章，分析了离心式压缩机的工作原理，介绍了叶轮的结构、工作原理、用途及其常用的制造工艺。同时详细介绍了再制造叶轮的工艺修复方法，为叶轮的再制造提供信息资料。第三章，针对某型号的离心式压缩机叶轮进行了失效分析和分析。简单介绍

26、了 Pro/E 三维建模技术，利用 Pro/E 建立了压缩机新品叶轮模型及离心式压缩机叶轮再制造模型。第四章，离心式压缩机叶轮的有限元分析。简单介绍有限元方法及所用的ANSYS 软件，面完成的三维建模基础上，利用有限元对再制造模型进行分析评价，分析典型载荷下的叶轮服役的内容流程如下图所示：。分析叶轮离心压缩机的工作原理，叶轮的用途了解叶轮的制造工艺，再制造修复方法分析叶轮的疲劳失效以及疲劳采用ProE软件建立新品和再制造叶轮的三维模型采用ANSYS软件对再制造模型进行有限元分析，进行离心力分析和模态分析图 1.1内容流程图51 绪论1.4 本章小结本章概述了课题的目的和意义，相关领域的国内外现

27、状，以及简单概括了本的主要内容。62 离心式压缩机机叶轮2离心式压缩机叶轮2.1 离心式压缩机的工作原理离心式压缩机的工作原理是通过叶轮对气体做功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转换为气体压力能。具体来说，气体由吸气室吸入，通过叶轮对气体做功，使气体压力、速度、温度提高。然后流入扩压器，使速度降低，压力提高。弯道和回流器主要起导向作用，使气体流入下一级继续压缩。最后，由末级出来的高压气体经涡室和出气管输出。1.弯道 2.回流器 3.涡室 4.密封 5.平衡盘 6.叶轮 7.扩压器 8.吸气室图 2.1 离心式压缩机简图通常，由于气体在压缩过程中温度升高，而气体

28、在高温下压缩，消耗功将会增大，为了减少压缩耗功，故对压力较高的离心式压缩机在压缩过程中采用中间冷却器（图 2.1 未画出冷却器），即由某中间级出口的气体，不直接进入下一级，而是通过蜗室和出气管，引到外面的中间冷却器进行冷却，冷却后的低温气体，再经吸气室进入下级压缩。72 离心式压缩机机叶轮2.2 叶轮的结构，工作原理及制造工艺2.2.1 叶轮的结构叶轮也称为工作轮，它是压缩机中最重要的一个部件。气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮做高速的旋转。而气体由于受旋转离心力的作用以及在叶轮里的扩压，使气体通过叶轮后的压力得到了提高。此外，气体的速度能也同样在叶轮里得到了提高。因此可以认为叶轮是使气体提高能

29、量的唯一途径。且由于叶轮是高速回转件，所以对叶轮的设计、材料和制造要求都很高。在结构上,叶轮典型的有三种型式13：（1）闭式叶轮：由、轮盖、叶片三部分组成。漏气量小，性能好，效率高，因轮盖影响叶轮强度，使叶轮的圆周速度受到限制。（2）半开式叶轮：无轮盖、只有、叶片。效率较低，但强度较高，叶轮做功量大，单级增压高。图 2.2 为某种型号的半开式后弯叶轮；（3）双面进气式叶轮：两套轮盖、两套叶片，共用一个轮轴向力本身得到平衡。适应大流量，且叶图 2.2某种型号的半开式后弯叶轮叶轮的结构以叶片的弯曲形式来分：前弯叶片式叶轮：叶片弯曲方向与叶轮的旋转方向相同叶片出口角90；后弯叶片式叶轮：叶片弯曲方向

30、与叶轮的旋转方向相反叶片出口角90，后弯式叶片是最常用的。 图 2.2 为某种型号的半开式后弯叶轮。82 离心式压缩机机叶轮（3） 径向叶片式叶轮：叶片出口方向与叶轮的半径方向一致叶片出口角90。按照工艺方法的不同，叶轮又可以分为铆接叶轮，焊接叶轮，铣制焊接叶轮和整体铸造叶轮。前面提到叶轮由、叶片和轮盖三者组成。下面本文将重点介绍后弯式叶轮主参数以及叶片的绘制方法。叶轮主参数为：图 2.3 后弯式闭式叶轮主参数 叶轮外径； 叶轮叶片进口直径； 叶轮进口外径； 叶轮进口轮壳直径； 叶片厚度； 叶轮外径； 叶片进口安装角； 叶片出口安装角； 叶片进口斜角； 轮盖进口圆角直径； 叶轮叶片出口宽度；

31、叶片进口宽度；92 离心式压缩机机叶轮 叶轮的轮盖斜度， （ ），从叶轮的强度来考虑， 最好是小于 。 其中叶片进口宽度 是指叶片轮盖侧面边缘 AB 延长到 C 点（叶片进口中心点的直径 D 处），所得到的宽度。在轮盖 AB 为曲线的时候，可以俺 B 点做曲线 AB 的切线进行延长。叶片进口角的斜角，一般为 。叶片型线的绘制（圆弧叶片）：叶轮的叶型一般都是用单圆弧绘制的。实验表明，在强后弯型叶轮（出口安装角在 ）上采用的三圆弧叶片性能，不如单圆弧叶片好。在叶片的安装角 ， 和叶轮的外径 和内径 确定之后，就可以确定一下的关系：曲率半径 R，圆心半径 和叶片弧长 。 （ ） （ ） 叶片的弧长L

32、： 注：公式中出现的所有字母参数参考图 2.32.2.2 叶轮的工作原理叶轮对气体做功，使气体获得能量，是通过离心升压作用。本节，将通过几个重要方程式来阐述叶片的一系列运行原理。（1）方程方程用来计算原通过轴和叶轮将机械能转换给流体的能量。当流体作一元定常，流经恒速旋转的叶轮时，离心叶轮的方程为： 102 离心式压缩机机叶轮 在叶轮流道中，1kg 气体得到的能量，成为理论能量头； , ， ， ， ， 和出口绝对速度和出口绝对速度的圆周分速度；和出口绝对速度的径向分速度；和出口相对速度和出口圆周速度方程的物理意义:方程叶轮与流体之间的能量转换关系，它遵循能量转换与守恒定律；只要知道叶轮出口的流体

33、速度，即可计算出 1 千克流体与叶轮之间机械能转换的大小，而不管叶轮内部的情况；适用于任何气体或液体，既适用于叶轮式的压缩机也适用于叶轮式的泵；推而广之只需要将等式右边各项的（如汽轮机、燃气轮机）。符号调换一下，亦适用于叶轮式的原流体通常流入压缩机或泵的叶轮进口处时并无预旋，即 =0.（2）能量方程能量方程用来计算气流温度（或焓）的增加和速度的变化。根据能量转换与守恒定律，外界对级内气体所做的机械功和输入的能量应转化为级内气体热焓和能量的增加，对级内一千克气体而言，其能量方程的表达式为： 定比传热容；h比焓； ， 和出口温度； 1kg 流体由外界传入的热量； 1kg 流体外界对它做的移动功；方

34、程的物理意义：表示由叶轮所做的机械功，转化为级内气体温度的升高和动能的增加；对有粘无粘的气体均适用，因为对有粘气体所引起的能量损失也以热量形式传递给气体，从而使气体温度（焓）升高；可认为气体在机器内做绝热运动，q=0；该方程适用于一级，也适用于多级整机或其中任一通流部件，这由所取的进出口截面决定。（3）应用方程方程将流体所获得的能量区分为有用能量和能量损失，并压112 离心式压缩机机叶轮缩机中所最关注的压力参数，以显示压力的增加。叶轮所做的机械功还可与级内表征流体压力升高的静压能联系起来，表达成通用的伯努力方程，对叶轮而言有： 静压能头的增量，第三项 表示级内式中，右边第一项表示叶轮损失。方程

35、的物理意义：的表示叶轮所做机械功转换为流体的有用能量（静压能和动能的增加）的同时，还需付出一部分能量克服损失或其它损失；建立了机械能与气体压力p、流速 c 和能量损失之间的关系；对于不可压缩流体来说就用方程计算压力的升高是方便的。而对于可压缩流体，尚需获知压力和密度的函数关系才能求解静压头积分，这还要联系热力学的基础知识加以解决。（4）压缩过程与压缩功应用特定的热力过程方程可求解上述静压能量头增量的积分，从而计算出压缩功或压力升高的多少。多变压缩过程即过程存在损失，可与外界有热交换或者无热交换，多变过程方程式为 常数。当 时，即定熵压缩过程；当 m=1 时，即等温压缩过程。与定熵过程类似，可以

36、得到多变压缩功： 式中， 称为多变压缩有效能量头，简称多变能量头。2.2.2 叶轮的制造工艺叶片一般用低合金钢的热轧钢制造，如 2Cr13，20Cr 和 30nSi 等。对于材质的要求是：（1）机械性能高，以便承受工作时离心力产生的弯曲应力；（2）在热态下具有良好的塑形，以便模压成型；（3）耐磨，以免在介质中的硬质微粒摩擦力下产生较大的磨损。有时还要有耐腐蚀要求。（4）材质必须光滑、无裂痕、剥层、夹层及其它影响强度的缺陷。几种叶轮制造工艺方案如下：1.叶轮锻造工艺由于工艺上的要求，锻造的和轮盖的余量是很大的。在选择钢锭的尺寸时，首先要根据叶轮的锻坯外形计算它的重量。计算时，应以锻坯的基本尺寸加

37、上正公差，由于上、下残料及锻造火耗的影响，钢锭的重量应大得多。叶轮的锻造工艺为：切割钢锭镦粗冲孔切出轮毂压出轮面122 离心式压缩机机叶轮中间退火切出第二轮面修整到需要高度退火2.叶轮铸造工艺叶轮是压缩机的主要零件，压缩机的性能与叶轮设计和制造的好坏密切相关。叶轮的叶片比较薄，其根部比较厚，而同一个叶片由于其部位不同，其厚薄相差较大，因此，从铸造工艺上要保证浇注成型，不产生较严重的疏松、收缩、热裂，这是铸造工艺应首先考虑的第一个特点。铸造时铸铁的体收缩较大，叶轮铸件的铸造工艺主要是如何考虑防止裂纹和收缩缺陷。叶轮采用砂型铸造方法，由于浇注温度较高，厚度不均的铸壁连接处宜用合适的圆角过渡。按照顺

38、序凝固原则设计叶轮的浇注系统，采用侧口浇注和补缩。叶轮的铸造工艺如图 2.2。图 2.2 叶轮的铸造工艺图高，不利于机械切削加工的进行，叶轮进行机加工前应铸铁叶轮的硬度进行退火软化处理，退火后获得的组织为粒状珠光体基体及二次碳化物，具有较好的可加工性。机加工可在普通车进行。为了获得优良的抗磨耐腐蚀组织与性能，机械加工后的叶轮还应进行淬火及回火处理，可有效消除叶轮零件的应力并改善其韧性。3.叶轮焊接的工艺由于三元理论的应用，促进了离心压缩机叶轮结构的改进，同时对叶轮制造工艺方法提出了更高的要求，焊接工艺使三元空间型叶片的叶轮制造得到顺利地实现。目前，在叶轮制造工艺中，焊接叶轮占主导地位。其中：(

39、1)国内应大力开展特种焊在叶轮焊接中的应用，如以适应产品销售市场的需要。焊、扩散焊和激光焊，(2)国内应加强对钎焊叶轮工艺的试验，使这种工艺方法发挥更大的作用，推132 离心式压缩机机叶轮动焊接叶轮向高质量、高精度方向发展。(3)国内应大力推广新材料在叶轮制造中的应用，比如低合金高强钢 15Cr2Mol、低碳贝氏体钢、HQ 系列等高强钢，加强工艺试验开拓风机的应用范围。4.整体叶轮的特种加工工艺随着新材料的采用、叶轮小型化以及叶轮构造复杂化，特种加工有其独有的技术特点，越来越显示出其优越性。小间隙整体叶轮电解加工的精度很高，可以达到叶片型面精度 0.03mm，位置精度高于士 0.05mm，表面

40、粗糙度 Ra0.41um，加工速度每分种几毫米至十多毫米(沿叶片纵向、即叶轮径向送进)。叶片采用逐个套料式加工，为保证加工时流场均匀，每相邻叶片加工中留下一个“楔子”，直到加工完成后再将“楔子”除去。实践表明，它是等截面叶片整体叶轮加工的最佳工艺方法。除电解套料加工外，还可以采用电火花加工等截面叶片整体叶轮。尽管其加，拓宽叶轮材料的应用广度，工效率不如电解加工高，表面粗糙度也不如电解加工好，但，由于其工艺继承性，至今还采用这一工艺加工火箭上的涡轮转子。其加工电极用石墨制造，以导电粘结剂粘结在铜制的电极杆上。加工过程是先粗加工通道，然后叶盆、叶背分别用不极加工，叶片型面经电火化加工后，还需采用砂

41、带抛光。在电火花加工等截面叶片整体叶轮的基础上，出现了一种新的电火花加工扭曲叶片整体叶轮的工艺技术。其加工过程是：先以石墨电极粗加工通道，然后更换型面电极依次加工形电极作单方向送进运动很难加工进方式，其加工过程是，先在背型面。但由于叶片型面彼此覆盖，用成程度大的叶片型面。因此，要采用复合送电火花机，用两个紫钢制的成形电极，从叶轮宽度两侧面同时加工送进而实现通道粗加工，然后再采用符合背，精型面的电极，在一台由四个靠模控制而实现电极复杂成形运动的机加工叶片型面。型面加工又分半精和精加工两步进行，其中采用不同精度的工具电极。经以上过程，还有某些部分。如局部，仍不能精确成形，因此还要用小块电极补加工。

42、为达到较好的表面粗糙度，还采用成形阴极，固定式电解光整加工叶片型面。2.3 再制造叶轮的工艺修复方法零、部件的再制造主要是对其表面的损伤进行修复。主要针对达到物理、经济和技术而损伤、报废的产品，在失效分析和评估的基础上，把有剩余的损伤、报废的零部件作为再制造毛坯，进行修复加工，使其质量和性能达到或超过新品。再制造技术除包括常用的机械制造技术、粘接技术外，142 离心式压缩机机叶轮还主要涉及各种先进的表面处理技术。叶轮再制造流程如下图所示：检测叶轮原始状况叶片表面检查选择修复工艺叶片表面预处理叶片表面防腐耐磨处理修复叶轮图 2.3 叶轮再制造流程图几种再制造叶轮修复方法的描述如下：1.激光熔覆激

43、光作为一种强力、非接触、清洁的热源进人加工领域以来，解决了许多常规方法无法加工和很难加工的问题，极大地提高了生产效率和加工质量，因而被称为未来制造系统的加工。激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，利用大功率激光束能量极高的特点，瞬问使合金粉与被加工件表面一同完全熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的致密覆层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。修复叶轮是把叶轮用热套的方式安装到轴上的，叶轮热套安装不仅是为了传递扭矩的需要，同时也是避免在高速旋转下松动的要求。由于叶片通道太窄，内部焊接，就耍采用外部激光焊接的

44、方法：在轮盖(或)缺损部位和裂纹的地方，开一些与其形状一致的浅槽。在浅槽中填满焊接材料并使其熔化，这样缺损部位和裂纹的地方接触面就熔合在一起从而修复叶轮。2.堆焊修复技术堆焊是采用焊接方法在零件表面堆敷一层具有特殊性能合金层的工艺过程。其目的在于使工件表面获得具有耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能的熔敷金属层，或恢复零件的尺寸。目前可用于叶片堆焊的主要有手工电弧堆焊、激光堆焊和粉末等离子堆焊。(1)手工电弧焊手工电弧焊的设备简单、通用性强、不受焊接位置及工件表面形状的限制，适合现场作业；工艺灵活，不受位置限制，即可达性较好。手工电弧堆焊时焊条选择和焊条直径、堆焊电流及速度、零件的预热温度等，对焊接质量

45、和生产效率影响较大。在堆焊材料的选择方面，对于一般金属磨损件的表面强化与修复，应遵循等硬度原则；对承受冲击载荷的磨损表面，可综合分析以确定其堆焊材料。152 离心式压缩机机叶轮考虑堆焊层材料与基体材料的相容性，可用于叶轮堆焊修复的材料主要有：双相不锈钢型、低碳马氏体和奥氏体不锈钢型。双相不锈钢具有优良的抗应力腐蚀能力、良好的耐酸腐蚀性能和抗磨损腐蚀性能，具有较强的抗点蚀和缝隙隧洞式腐蚀的能力，但其耐热性较低，存在中温脆性区。可焊接性较好且热裂倾向小，不需焊前预热及焊后保温处理。(2)激光堆焊激光堆焊可以获得高性能的合金堆焊层，如耐磨耐蚀性能、热障性能、抗氧化性能、抗汽蚀和冲蚀磨损等。与其他堆焊

46、方式相比有着明显的优点：可以准确控制热输入量，工件加热速度快且冷却速度快(热畸变小)，涂层厚度、成份以及稀释率可控性好，组织致密，可以获得性能优越的堆焊层。激光加工属于无接触加工，焊接工艺参数的确定，能够保证焊接质量，焊接可靠性高。激光堆焊层的材料成分决定其使用性能。按材料可分为：铁基合金、钴基和镍基合金等。它们都具有低应力抗磨粒磨损能力，良好的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能等特点。铁基不仅价格低廉、经济性好，而且通过调整成分、组织，能够在较范围内改变涂层的强度、韧性、硬度、耐磨耐蚀和抗冲击等性能，是应用较多的堆焊合金。镍基合金中最常见的是NiCr-BSi 系和 N i(3)等离子堆焊oW 系。

47、等离子堆焊利用焊枪钨极作负极，工件基体作电流阳极并产生等离子弧作高温热源，将热能传送给待焊接基体，并向该热能区域送入焊接粉末材料，使得其熔化后沉积在待焊工件表面的堆焊工艺。等离子堆焊最突出的优点就是其热影响区域较小，对基体的热影响小，冲淡率低(小于 5)，使得基体热变形小；其次，等离子弧能够被精确调节，工艺控制性好，堆焊厚度可达 2mm，能够焊接较薄的工件；第三，等离子弧温度高，能量密度大且能量集中，指向性强，施焊效率高。但设备贵，劳动保护要求高，主要针对钴基、碳化钨基材料的堆焊，应用于排气阀座、玻璃模具、球阀、蝶阀、钻井工具、抗磨板、锅炉管壁等。3.表面粘涂技术表面粘涂技术是指将添加特殊材料

48、的胶粘剂涂覆与零件表面，以赋予零件表面特殊功能的一项表面工程技术，适用范围广泛，可对各种不同的材料进行施工，如、金属、陶瓷、水泥制品、橡胶制品等。涂刷厚度范围从几十微米到几十毫米，且均具有良好的结合强度。表面粘涂技术不仅能够对一般零件进行修复，尤其适用于以下特殊材料和特殊工况零件的修复：(1)采用难于或不能进行焊接加工制成的零件，如铸铁、铸铝、硬化钢板、铝合金、162 离心式压缩机机叶轮和有橡胶层的金属零部件；薄壁零件，采用热修复方法进行修复时易变形或产生裂纹；结构形状复杂的零件磨损的内孔、内外沟槽，难以采用焊补施工； (4)特殊环境及特殊部件，如储油罐、燃气罐、井下设备等(具有复。)零件的修

49、(5)需进行现场修复的部件，如难以拆卸的大型零部件，输油、输气管道以及不具备热修复条件的零部件，可采用表面粘涂技术现场修复。4.纳米颗粒复合电刷镀法微纳米技术是 21 世纪出现的 3 大高新技术之一，整体纳米化技术的应用估计还需 2030 年时间。在现阶段，将纳米颗粒弥散分布在表面涂层内，使纳米材料与传统表面工程技术相融合，发挥纳米材料的优异效果，开发了具有权的纳米表面工程技术。知识产通过在普通电刷镀液中添加纳米陶瓷颗粒，并解决纳米颗粒在盐溶液中的团聚倾向和非导电的纳米陶瓷颗粒与金属实现共沉积等两大技术难题，实现了纳米颗粒与基体金属之间牢固的化学键结合，从而依靠纳米颗粒的特殊性能，大幅度提高了

50、电刷镀层的力学、摩擦学等性能。针对汽车发的关键零部件，如曲轴、凸轮轴、连杆，利用纳米颗粒复合电刷镀技术的纳米颗粒复合电刷镀层提高了零件的耐高温、耐磨损和抗疲劳性能。该技术也成功完成了进口飞机发压气机叶片的再制造，使叶片抗微动磨损性能显著提高，300h 台架试验验证满足要术实施维修费用的 110，突破了维修技术瓶颈，求，再制造费用仅是从国获得了显著的效果。2.4 本章小结本章首先介绍了离心压缩机的原理，然后阐述了叶轮工作的原理，结构以及一部分制造工艺，最后进一步介绍了再制造叶轮的工艺修复方法。173 新品叶轮模型和再制造模型的建立3新品叶轮模型和再制造模型的建立离心式压缩机叶轮的失效分析叶轮的疲

51、劳失效分析疲劳通常指在循环载荷的反复作用下结构材料损伤、裂纹萌生扩展的过程，疲劳破坏最严重的情况是在没有明显塑性变形时突然断裂，造成的危害和经济损失。在工程上常将疲劳破坏划分为三个阶段：初期生核或裂纹开始(萌生)阶段、裂纹阶段、失稳断裂破坏或由于达到某种极限而破坏的最后阶段。断裂是近年来离心压缩机组向高端化方向发展的过程中遇到的主要失效形式，作为离心压缩运行部件的叶轮，处于高温高压的复杂工作环境，其疲劳破坏往往是多种疲劳组合造成的。造成叶轮破坏的原因，可能是基本强度不足、材料缺陷、应力腐蚀及吸入异物等，一旦破坏，危害甚大。叶轮断裂一般是由于断裂源处表面脱碳、组织异常和存在大量铁素体。运行时叶轮

52、常常受到离心力、压力以及其它非稳定形式激励的综合作用，发生剧烈振动，并产生相应的噪声，甚至会引起其。使得叶轮底盘内侧叶片附近表面脱碳和出现大量铁素体组织且使叶轮在该处硬度、强度及耐疲劳性能明显下降，难以承受压缩机工作状态对其产生的应力作用，首先在组织薄弱处形成断裂源并以疲劳方式开裂。压缩机流量的增大使得流道的宽度增大，而现代过程工业普遍要求压缩机具有宽的工况范围，为此在压缩机进口广泛的采用了可调导叶，使得流体的激振力增大。这些共同作用使得近年来压缩机叶轮断裂的事故尤为突出。图 3.1 某型号离心压缩机叶轮疲劳断裂图183 新品叶轮模型和再制造模型的建立如图 3.1 所示即为某型号离心压缩机叶轮

53、因疲劳而产生断裂的图示。此为半开式后弯式叶轮，叶轮的主要应力集中区域集中在叶沿处，且又为薄弱部分，所以容易发生疲劳断裂。3.1.2 叶轮的疲劳分析压缩机叶轮叶片疲劳设计的前提和基础是已知设备运转时叶片的应力状态和变化规律(包括静应力和动应力)以及材料的疲劳极限。前者可以通过数值计算或实验获得，后者可以在材料手册中部分查到或完全由试验获得。下面列举一些常用的疲劳分析理论公式。叶片结构的总疲劳(应力循环次数) N f 可以写成下式：N f Ni Np（式 3.1）这里， N f 为裂纹萌生疲劳(微小裂纹开始扩展前的)，主要以弹塑性分基础为断裂力学。研析为基础进行估计； N p 为裂纹扩展疲劳，其理

54、论究表明对于大多数金属材料，特别是涡轮叶片使用的不锈钢材料， N p 远远小于Ni ，可以忽略不计。当材料进入弹塑性变形后，应力-应变循环可以用式3-2表示。公式中 为总应变变化范围， e 为弹性应变范围， p 为塑性应变范围， 应力变化范围，E为材料弹性模量。 e p对于疲劳（ = e ），弹性应力控制疲劳（式 3.2）估计的 Basquin 方程为：（式 3.3） Nbaff这里，b 为疲劳强度指数，为疲劳强度系数，两个参数均可由实验确定。对于低周疲劳，塑形应变主要控制了疲劳Manson-Coffin 公式：，估计方程可以采用 Nc（式 3.4）p ff这里，c 为疲劳延性指数， f 为疲

55、劳延性系数，两个参数均可由实验确定。汽车工程师的疲劳设计手册用下述经验公式考虑平均应力的影响： f-m (2N) (2N)bc（式 3.5）affE式中， m 为平均应力。注意到 b0，c“模型基准”“曲线”，选择“从文件”“完成”，再创建或选择曲线参照的坐标系，在出现的窗口中选择打开.ibl 文件，点击“确定”后曲线就生成了。这样就生成了叶片的中性面曲线。绘制出不同截面的中性面曲线，再由“边界混合”即 到叶片的中性面见图 3.2。图 3.2叶片中性面（4）叶片吸力面和压力面的造型由于叶片具有一定的厚度，所以还需要对叶片的压力型面和吸力型面进行造型。在中性面上各点的法向量根据一直的叶片厚度和曲

56、面等距等约束，将中性面沿各点的正、负法线方向偏移半个叶片厚度，即到吸力面和压力面的空间曲面。这一过程在Pro/E 中的实现十分方便，只需要将上一步造型的中性曲面进行“加厚”，选择叶片厚度确定即得目标实体见图 3.3。图 3.3叶片吸力面和压力面的造型（5）叶片光滑性检查及修形利用 ProE 的曲面分析工具对叶片工作面进行分析，对于不光滑的区域，修改相应位置的曲线形状，直至满足要求为止。223 新品叶轮模型和再制造模型的建立（6）叶片实体的延伸由于生成的叶片曲面并不是完整的，所以采用非均匀有理 B 样条曲线曲面延伸的方法进行处理，选取已生成的叶片实体，对其进行“延伸”至叶轮位置，这样可保证叶片的

57、完整。并选取叶片和成满足准确要求的叶轮实体模型。（7）叶片进口与出口倒圆两个基本实体，进行布尔运算生对进口边，执行操作：导圆角选择进口边圆角类型选择完全导圆角完成；对出口边，执行操作：导圆角选择出口边输入圆角半径完成。这样，整个叶片的造型即已完成。生产一定数量的叶片执行操作：编辑“ ”选择叶片实体完成；“移动”(旋转) 选择叶片实体，输入旋转角度(360Z)（Z 为叶片数）完成。使用编辑 “阵列”尺寸，选择上一步操作，数量选择(Z1) 完成。这样，就得到了 Z 个叶片。生成离心压缩机叶轮几何实体对叶片阵列和见下图：进行布尔运算，最后得到离心压缩机叶轮的三维几何实体图 3.4 新品叶轮模型233

58、 新品叶轮模型和再制造模型的建立3.3 离心式压缩机叶轮的再制造模型的建立如图 3.5 所示的某型号离心压缩机缺陷叶轮，是由高强度马氏体不锈钢材料制造。可以看到，该叶轮叶片上拥有许多因为各种原因造成的失效特征。图 3.5 某型号离心压缩机叶轮的失效特征离心压缩机再制造叶轮基体是实施再制造工艺修复前的可修复叶轮主体结构。所以首先必须构造缺陷叶轮机体，采用的方法就是在原有完整叶轮三维模型的基础上去除缺陷特征部分。得到的模型如下图 3.6。图 3.6 缺陷叶轮部分机体243 新品叶轮模型和再制造模型的建立然后利用再制造叶轮基体缺口边界曲面与完整叶片布尔运算获得再制造成形层结构几何特征。如下图 3.7

59、 所示图 3.7再制造叶轮部分显示图全图如下所示：图 3.8 再制造叶轮模型3.4 本章小结本章首先介绍了叶轮的失效分析和制造叶轮模型的建模方法。计算，然后阐述了新品叶轮模型和再254 再制造叶轮的有限元分析4再制造叶轮的有限元分析有限元分析方法简介有限元分析方法有限元法（finite element method）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由若干个有限大小的单元体的集合，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导这个求解域的总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解，这个解不是准确解，而是近似解，因此实际问题被较简单的问题所代替。由于大

60、多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析。随着矩阵理论、数值分析方法、特别是计算机科学与技术的发展，有限元法无论在理论还是在应用上都取得了巨大进步。有限元法应用的领域越来越广，从最初的结构力学到现在的热力学、流体力学、电路学、电磁学和声学等领域。从最初的简单静力分析发展到现在的动力学分析、强度刚度分析、非线性结构分析、多物理场耦合分析等复杂问题的计算。而且随着计算机技术的发展，有限元法优化分析现已经是计算机辅助设计制造的重要组成部分。从选择未知量的角度来看，有限元法可分为三类，即位移法和混合法。以节点位移为基本未知量的求解方法称为位