2 　　叶轮断裂失效的原因分析

　　国内对金属失效分析最有权威的金属研究所失效分析中心，对断裂叶轮进行了取样分析。
　　检验结果说明，叶轮前盖掉块断口均是由焊缝热影响区附近开裂，扩展形成弧形的疲劳，这种弧线形称为贝壳线，是疲劳断口的典型特征。这种损伤与焊缝液化裂纹有对应关系。一般认为，液化裂纹多发生在母材近缝区或多层焊缝层间金属的晶界处。由于焊缝和母材金属都有碳、铬、镍、钼等合金元素，一旦焊接工艺控制不当，就会在焊缝中形成这些元素在晶界的富集，使晶界熔点较晶内偏低，在焊接热循环中造成母材近缝区或多层焊缝的层间晶界发生局部液化。加之焊接时的快冷快热，特别是工艺不当时，容易造成较大的温度梯度和快速的热应变，使液化晶界变成裂纹，形成所谓的液化裂纹。
　　断口观察说明，断裂是疲劳裂纹扩展所致。叶轮前盘在工作时受到交变应力的作用，这种应力与气动力和叶轮的振动共同作用有关。由于焊缝中存在的液化裂纹是一种应力集中源使局部受力增加，另外从叶轮结构上分析，一般叶轮最大应力在进口叶片和前、后盘焊道上，叶轮外缘应力相对较小，但该处的变形拘束力较大。它们在交变应力的作用下，疲劳裂纹就会在该处萌生。当疲劳裂纹扩展到肉眼可见或导致掉块时，就造成叶轮的失效。
　　叶轮材料强度高，工艺难以控制，叶轮平衡采用去重方法将前、后盘磨掉的厚度和面积相对较大，而且多处去重等因素也是造成上述失效的因素之一。
　　通过化学成份分析，符合材质的要求，从叶轮前盘失效原因说明，成份微小差异对失效没有明显影响。
　　分析结论：
　　（1) 叶轮前盘的断裂属于疲劳失效；
　　(2)叶轮前盘的疲劳失效与其角焊缝处的液化裂纹有对应关系；
　　(3)叶轮工作时，其前盘受到交变应力的作用，导致以液化裂纹为源萌生疲劳裂纹并扩展，造成叶轮前盘断裂而导致失效；
　　(4) 叶轮结构有限元分析（图3），叶轮进口处应力大于出口处应力，但前盘出口处掉块和裂纹错位（图4），说明该处变形拘束力很大，易受气动力和振动力偏摆及高速旋转交变应力的影响，造成应力集中点失效；
　（5）叶轮平衡采用去重法，去掉的厚度和面积相对较大，使前盘厚度不均，强度和应力偏移集中产生失效。

3 　防止叶轮断裂失效的措施
　　（1）选择强度高、塑性好、工艺性好的新材料。

2）结构设计时叶轮在正常计算强度的基础上额外在叶轮前盘和后盘的0.5DX 处及叶轮出口处
虑增加刚性补强环和出口补强环，以对电机功率和转动惯量不受影响为宜（图5和图6）。

图 6 叶轮加刚性补强环和出口补强环结构示意图

注：①刚性补强环和出口补强环厚度以不超出前、后盘出口厚度或等厚为宜，宽度根据叶轮直径大小在80～100mm范围内自然平滑车削加工出即可。
　　②刚性补强环断面为弧形，用于图6的易失稳窄叶轮，如叶轮刚度好，此环也可不加；必须加出口补强环，断面为三角形。
　　③刚性补强环和出口补强环可在平衡时均匀打磨去重，以保证前、后盘不受损伤和破坏。
　　④以上防止叶轮 断裂失效的措施是指在 用户工况系统正常情况下的有效措施，如用户工况系统在异常情况下，则可能导致叶轮快速严重断裂失效。