CN1072754A - 超速运行中叶轮应力的改进 - Google Patents

Abstract

一种改进旋转物体抵抗旋转时产生应力的方法， 该方法通过在物体的指定位置加入残余压缩应力来 抵抗由于旋转产生的稳定拉应力。该方法包括以一 系列连续递增超过设计速度的峰值速度旋转该物体， 在每一个承受稳定拉应力高于选定点的位置上引进 允许屈服应力和残余压缩应力，该连续过程从承受高 于指定点位置的稳定拉应力的位置进行到承受低于 指定点位置的稳定拉应力的位置。然后物体旋转至 更高峰速，在指定点引进可允许屈服应力和残余压缩 应力。

Description

本发明涉及一种改进旋转物体的工作应力性能的方法，更具体地说涉及一种在透平机叶轮上某个指定位置施加残余可用应力的方法，叶轮上该指定位置的工作应力是我们所关注的。

限制提高透平机性能的因素一般是机器的叶轮所能承受的旋转速度。叶轮上产生的应力水平经常阻碍了能提供良好性能的高速操作，在设计叶轮时，结构上的考虑通常与空气动力学上的考虑背道而驰，空气动力学上的优良性能，诸如：薄叶片、叶片壳、叶背曲面和减小叶轮重量的方法都比较保守性能产生更高的操作应力，因而导致减小可能的操作速度。相应具备这种优良性能的叶轮价格也很高，并且适合的材料与制造方法都受到限制。因而有必要在这种叶轮上降低操作应力水平，以便能以较高旋转速度运转。

在透平机叶轮的运转中，由于外力及叶轮的构造所造成的初级和二级应力的组合，使叶轮之上的应力不断地产生和变化。初级应力来自加在叶轮上的负荷，如：旋转叶轮产生的离心力。初级应力的一个基本特性就是它不可以自限制，初级应力大大地超过叶轮材料的屈服力会导致叶轮严重的变形和破裂，可称为叶轮失效。

二级叶轮上应力由相邻零件或叶轮本身的限制，也就是自限制所产生。二级应力的基本特性就是它的自限制。局部的屈服与变形是二级应力所致，但二级应力不会导致失效。残余应力自然是二级应力，它可以通过施加于叶轮上的初级和二级应力而产生。

运转中，抖晃应力也由叶轮的动态环境产生，并加于静态应力之上。抖晃应力可快速导致叶轮的疲劳折断。

这里“残余应力”指存在于材料的内部应力而无处部力，它源于材料本身，也就是材料中的自约束力。

这里“压缩应力”指一种应力，它可使材料在受力方向上缩短，而产生压力。

这里“拉伸应力”指一种应力，它可使材料在受力的方向上伸长产生应力。

这里“恒定应力”指一种应力，在所有外力都恒定，也就是说外力不随时间变化时，该应力也不随时间变化。这可区别于变动力或抖晃力。

这里“屈服”指应力产生的塑性变形或物体在形状或尺寸上的永久变化而无折断。

这里“允许屈服”指其屈服变形只能到不使物体不适合于其以后的功用的程度，例如：屈服变形不应使物体的形状、尺寸及平衡程度的变化不适合于以后指定的用途。

本发明可适用于任何结构与装置，所加负载创建一个分布的初级应力区，也即具有很高的彼此分离的初级应力与二级应力的局部区域。彼此分离是指它们彼此没有能共同的几何限定条件。此外，结构或装置的材料必须有相应的塑性以允许合理的屈服或塑性变形而不致失效。典型的金属透平机叶轮就是这样一种结构。

典型金属透平机叶轮在工作中的恒定应力可通过例如有限元分析的已知方法计算。恒定应力来源于叶轮旋转过程中的离心力、叶轮不同区域的温差和接触叶轮的气流产生的动态压力。

在叶轮的旋转中，在叶轮的不同位置出现应力的峰值，这些特定位置抵抗应力能力的增强强化了叶轮的工作能力。一种增加特定位置抵抗旋转应力的能力的方法就是引进该位置的有用残余应力。既然峰值应力通常为拉伸，引发残余压缩应力通常是有用的。在特定位置引发残余压缩应力就是在该位置施加过应力以使该位置发生局部屈服变形。一旦消除短暂过应力，围绕已屈服变形材料的末屈服变形材料对已屈服变形的材料施加残余压缩应力。这可通过旋转叶轮至高于设计速度的一个峰值速度，以在叶轮的特定位置产生在该位置引发允许局部屈服的拉伸应力而在叶轮上经历最高平稳拉伸应用的位置上完成的。

就叶轮来讲，特别受到动态应力大进而导致疲劳失效的位置是在最长叶片长度的位置称作叶轮“眼”。因而在这个位置上通常有必要引发残余压缩应力以降低旋转中产生的稳定拉伸应力，以增强该位置上的抗动态应力的能力。可是，该“眼”位置通常并非旋转中最高拉伸应力发生的位置，叶轮上其它位置通常比“眼”益承受较高的稳定拉伸应力。如果试验通过使“眼”位的屈服变形而在该位立即产生残余压缩应力，则过量屈服变形会出现在叶轮承受较高稳定拉伸应力的其它位置而使叶轮无法再用。

本发明的目的是提供一种提高旋转物体工作应力能力的方法。

本发明的一个特点就是：通过在物体具有高局部应力水平的所选位置引进有用残余应力，以提高在旋转中物体上工作应力的能力。

本发明的另一个特点就是：通过在物体具有较高应力水平的位置引进允许的局部屈服变形，以提高在旋转中物体上工作应力的能力。

本发明的优越之处还在于：仅以比设计速度更高的所选峰值速度，作一系列旋转，简单地提高旋转物体上工作应力的能力。

本发明的优越之处还在于：当所选位置并非承受最高局部稳定拉应力的位置时，物体所选位置上工作应力的能力也能有提高。

本发明提出了通过在物体所选位置上引发残余压缩应力以抵抗旋转物体在该所选位置承受的稳定拉伸应力，进而提高物体抵抗旋转中承受应力的能力的一种方法。该方法包括：以连续增长的峰值速度旋转物体，从而在每个比所选位置承受更高稳定拉伸应力的位置产生允许的屈服变形和残余压缩应力。这种连续过程从承受最高稳定拉伸应力的位置到具有承受最低稳定拉伸应力的位置。当残余压缩应力被加载于所有这些位置上，将不存在承受稳定拉伸应力高于承受极限的位置。以一个峰值速度通过旋转物体，在所选位置产生允许的屈服变形和残余压缩应力。

图1是应用本发明方法的一个实例的叶轮的断面;

图2是图1所示的叶轮的部分在设计旋转速度时通过有限元分析获得的稳定拉伸应力;

图3应力变形图，表示了本项发明方法运用于图1的叶轮的内叶片位置的性能;

图4是应力变形图，表示了本发明方法运用于图1的叶轮叶载位置的性能。

图5是应力变形图，表示了本发明方法运用于图1的叶轮的称为“眼”位的所选位置的特性。

图6为图1叶轮组成材料的古得曼（Goodman）图，它是本发明方法运用“眼”位的结果显示。

图1描绘了一个典型的叶轮结构，叶轮10有一个叶毂12安装在轴上（未示出）。内部边界14和外部壳16被叶片18局部连接形成多个同样的气流通道。每一通道末端有一个轴向对齐的大流动区20用以流量流动，称为叶轮的“眼”。每一通道另一端有小流动区22与流量流动成径向对齐。每一叶片通道的流动区从“眼”位开始，不断地减小至通道的另一未端的最小区。当叶轮被用作压缩机时，气流进入叶轮的眼位，然后在叶轮中被加速，当叶轮被用作透平机时，气流从叶轮的“眼”位22被放出并在叶轮中减速。

无论何种情况，叶轮“眼”位的24为分析应力的重点位置，“眼”位24通常并非在叶轮中承受最高的稳定应力，可是在“眼”位区域的叶片有一不被支撑的长度，所以它对能引起抖晃应力的气流扰动及其它强激发非常敏感，并导致叶轮快速变形失效。所以在叶轮的特定位置有必要提高抗应力能力。

叶轮被设计为工作在一个最大的趋向稳定的工作速度，该速度被称为设计速度。在诸如“眼”位等选定位置，如果施加有用残余压应力，可通过旋转叶轮到一个速度，直接使眼位产生足够的屈服变形，其它位置将在旋转中承受更高的稳定拉应力，并发生过多的屈服变形。过多的屈服变形指扭曲变形、不均衡的变形或是叶轮的开裂。本发明方法消除了这个极端的难点。

为阐述方便，本发明将被描述为用于7175-774铝，一种极普通的叶轮材料，装配而成的叶轮上。这种材料可塑性好，并在最终开裂之前，可局部屈服或变形，满足本发明的实际要求。如图2所示，通过有限元分析可以测定，设计旋转速度为23580转/分，“眼”位24被选定施加有用残余压应力，承受10300帕的稳定压力。然而，有限元分析指出了两个经受比“眼”位高的稳定应力。承受比“眼”位24更高的稳定应力的位置之一是内叶片位26，承受稳定位伸应力14680帕。位置之二是叶毂位28，承受稳定位伸力12100帕（Psi）。

施加残余压应力于“眼”位的第一步就是：旋转叶轮至峰值速度，使内叶片位置有足够的局部屈服变形以产生残余压缩应力以使该位置能抵抗所选的相继的较高速度，在其它位置其中包括“眼”位施加残余压缩应力。屈服变形必须是允许的，也就是限制叶轮的变形，使其不致不平衡或产生畸变，不平衡将导致在相继的高旋转速度上不能工作，畸变将便叶轮报废。一个通常有用的标准是限制屈服变形在组成叶轮材料的拉伸率的25%以内。这需要选择一个峰值速度，使产生的屈服变形在材料的拉伸率的25%或更少，可是7175-774铝可塑性很好，且伸缩率为12%，所以其伸缩率的25%即是3%，该值是产生不平衡或不可接受弯曲的极限值。一种可替换的标准就是限制叶轮材料屈服变形到1%的应变，该应变在这种情况被认为是导致允许的屈服应变。这就需要选择一个峰值速度，使其导致材料的屈服变形产生1%或更少的应变。实际上，挑选的旋转速度等于或小于一个最低速度，该最低速度导致材料伸缩率的25%的变形或导致材料屈服变形的1%应变。

在7175-774铝材料中，56550帕的应力可产生1%的变形。通过已知的离心力即应力正比于转速的平方的关系可计算出产生如此大的应力需要的相应的转速。使用有限元分析预测出的内叶片位置上的设计点应力作为基础可得出在该位置产生56550帕的应力所需的转速为：

$\mathrm{N=Nd}\sqrt{\frac{\sigma }{{\sigma }_d}}\mathrm{=23580}\sqrt{\mathrm{56550/14680}}\mathrm{=46200转／分}$

其中：

N为转速

Nd是设计转速

δ是应力

δd是设计转速下的应力

从此公式中得出转速的保守数字大约在45000转/分左右，相应的从已给出的公式中得出该转速在内部叶片位置可产生53500帕的应力。

方法的第一步是：在由机械真空泵抽成真空的旋转槽中旋转叶轮至第一峰速45000转/分。机械预抽真空泵将会产生一个压力，通常此压力至少要小于0.1毫米汞柱，一般为0.005毫米汞柱到0.02毫米汞柱之间。这种减弱了的压力会减缓粘滞脉动的影响，也就是涡流和绝热加热对叶轮的影响。旋转至第一峰速可产生一个在内部叶片位置上的容许的局部屈服变形。在应力变形图中所描述的内部叶轮位置上的变化曲线，如图3所示，旋转叶轮至一级峰速可得出7175-774型铝材料的应力变形曲线是由点1过渡到点2。点2在应力变形曲线的拐点上可以说明，此时材料已超出弹性极限，开始屈服变形。

人为地，我们可以将叶轮的转速降低至屈服刚刚开始或零速。在零速，外加在叶轮上的荷载被释放，叶轮以线性弹性方式从图3的点2到点3去载。位于内叶片位置的屈服材料被邻近的未变形的材料强制成一种残余压缩应力状态。因此，内叶片位置产生如图3中所示的一个7500帕的残余压缩应力。图3中点3位置是考虑内叶片位置上的材料周围的力平衡估算出的，在该点位置上发生屈服同时存在压缩残余应力。周围的材料提供了一个相等相反的应力，同时也经受了相等的变形。因此屈服材料的应力位于零应力以上并和未屈服变形材料的压缩应力须位于零应力线以上，距离零应力线同等距离。图3中，发生屈服变形的应力点3′在未屈服变形的压缩残余应力点3之上。

用已给出的平方关系，可得出达峰速时位于轮毂位置和位于“眼”位置的应力分别为：44200和37700帕，两个应力分别在图4中点2标出了轮毂的应力，在图5中标出了“眼”位的应力。这些应力均小于材料的屈服应力，因此，在这些位置，当离心力被释放时，不产生压缩应力。

方法的第二步是在某一位置上产生一个残余压缩应力，如果存在这么一个位置，使其在设计速度下承受一个最高稳定的拉应力。在该实例中，这个位置位于轮毂位置。我们将用于内叶片位置的分析方法同样用于分析轮毂位置，因此方法的第2步选择的峰速为50000转/分。为引起轮毂点的可允许屈服，叶轮必须旋转至第二峰速50000转/分，即如图3，4，5中示出的点4。

然后人为地将速度减至零速，即如图3，4，5中标出的点5，在图3中看出当转速为50000转/分时，在叶片内部产生一个附加屈服应力，此应力将该位置的残余压缩应力提高至28200帕。点5是由内叶轮位置周围的材料提供的拉应力。在图4中，可看出当转速为50000转/分时，轮毂点产生一个11200帕的残余压缩应力。在图5中可看出，当转速为50000转/分时“眼”位点不产生压缩应力。

在该实例中，这两个位置产生的稳定拉应力高于选定位置的拉应力。然而，会有一、二、三及至更多的点的稳定拉应力高于选定点位置的拉应力，本方法同样适用于这些位置。在上述这些能产生高于选定点拉应力的点产生一个残余压应力，名为“眼”位，在“眼”位置可以产生一个残余压缩应力。鉴于上述同样的分析，选定52500转/分为第三峰速，叶轮旋转至这一转速，在图3，4，5中点6所示，在图3中可看出，在叶片内部无附加屈服应力产生。在图4中，在轮毂点也不产生附加屈服应力，如图5所示，在“眼”位置产生了屈服应力。

将转速减至零速且叶轮又去载的情况在图3，4，5的点7所示，在图5中可看出“眼”位置，在上一级转速下产生一个残余压缩应力为5600帕，在现设计转速下，“眼”点稳定的应力为10300-5600＝4600帕，减小了45%。

通过参考图6中所示的古得曼（Goodmen）图，其中以变应力和不变应力为函数的材料失效曲线，亦评价出用本发明中提出的方法的益处，在“眼”位，在用这种方法引进有用残余应力之前，在设计转速下稳定的应力为10300帕，从图6中的古得曼曲线中的点7可看出，在稳定应力为10300帕时，这种一般由振动引起的可允许的变应力为21500帕。通过应用本发明中的方法，在“眼”点设计速度下，5600帕的残余压应力可导致4700帕的稳定应力，该稳定应力如图6中点8所示，此时允许的变应力为24200帕，增长了12.6%。

在和透平机叶轮一样复杂的结构中，某些位置在操作中会承受压缩应力，通过本发明中的实验可知这些位置会产生残余拉应力，但是通常这些位置的稳定的应力不是很高，同时这些位置产生的残余的拉应力也不是很大，因此在操作中，设计速度下，净操作应力仍然是压缩应力，在图6的古得曼曲线中7175-774铝作为一种典型的塑性材料，对于压缩应力，材料的失效曲线为平缓的。在本发明的实验中，叶轮对于变应力的任何位置上产生残余张应力的性能不会受影响。

尽管本发明是把某一具体实施例作为例子来描述的，但值得一提的是它将覆盖所附权利要求书范围内所有的改进型和等价型。

Claims (8)

1、一种改进物体抵抗旋转应力的能力的方法，该方法在上述物体的选定位置上引进允许屈服应力和残余压缩应力，所述方法的特征在于包括：

(a)以一个连续递增的峰速旋转所述物体，从而在每个旋转时承受比所述选择高的稳定的拉应力的位置引起可允许屈服应力和残余压缩应力，一个连续过程从承受高于所述选择位置的应力的最高应力的位置到承受低于所述选择位置的最低应力的位置。

(b)旋转所述物体至一个峰速，在所述选择位置引进可允许屈服应力和残余压缩应力。

2、如权利要求1所述方法，其特征在于：所述的每一个能产生屈服变形的峰值速度在所述物体所含材料中产生的伸缩率的25%或更少的屈服变形。

3、如权利要求1所述方法，其特征在于：所述每个能产生屈服变形的峰值速度在所述物体所含材料中产生1%或更少的应变的屈服变形。

4、如权利要求1所述方法，其特征在于：每一个能产生屈服变形的峰值速度必须小于或等于一个最低速度，该速度导致组成所述物体材料的伸缩率的25%的屈服变形或导致组成所述物体材料的1%的应变。

5、如权利要求1所述方法，其特征在于：在压力大约或小于0.1毫米汞柱的环境里进行所述旋转。

6、如权利要求1所述方法，其特征在于：当物旋转至峰值速度后，旋转速度将降至某一速度以下，该速度就是在增加物体至所述峰值速度时开始导致屈服变形的速度。

7、如权利要求1所述方法，其特征在于：当旋转所述物体至峰值速度之后，旋转速度将降至实际的零速度。

8、根据权利要求1所述方法加工的叶轮。

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