叶轮材料及热处理工艺

叶轮材料及热处理工艺内容摘要：

3。 18 7 叶轮热处理工艺卡片 19 总结 20 参考文献 20 小 结 21 叶轮的应用及发展前景 1 叶轮材料及热处理工艺设计 材料 10831 邱杰 摘要 ： 本文通过对叶轮的工作环境及失效形式分析，提出了叶轮的性能要求； 经过对材 料价格、加工工艺及最终性能等多方面比较分析，确定了 叶轮的最终性能；运用了一套完整的热处理工艺； 生产 出了 符合国家标准 要求 的 叶轮。 关键词 ： 叶轮 ； 材料 ； 热处理 1 叶轮的应用及发展前景 叶轮的应用 叶轮既指装有动叶的轮盘，是 冲动式汽轮机 转子的组成 部分。 又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。 还指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。 在汽轮机运转中蒸汽喷射到叶片上，产生转动力矩经叶轮传到主轴，高速运转下的叶轮圆周速度。 叶轮主要有以下 3 种形式。 闭式 ： 由叶片与前、后盖板组成。 闭式叶轮的效率较高 ,制造难度较大 ,在离心泵中应用最多。 适于输送清水 ,溶液等黏度较小的不含颗粒的清洁液体；半开式 ： 一般有两种结构其一为前半开式 ,由后盖板与叶片组成 ,此结构叶轮效率较低 ,为提高效率需配用可调间隙的密封环另一种为后半开式 ,由前盖板与叶片组成 ,由于可应用与闭式叶轮相同的密封环 ,效率与闭式叶轮基本相同 ,且叶片除输送液体外 ,还具有 (背叶片或副叶轮的 )密封作用。 半开式叶轮适于输送含有固体颗粒、纤维等悬浮物的液体。 半开式叶轮制造难度较小 ,成本较低 ,且适应性强 ,近年来在炼油化工用离心泵中应用逐渐增多 ,并用于输送清水和近似清水的液体； 开式 ： 只有叶片及叶片加强筋 ,无前后盖板的叶轮（开式叶轮叶片数较少 25 片 )。 叶轮效率低 ,应用较少 ,主要用于输送黏度较高的液体 ,以及浆状液体。 在汽轮机中选用闭式叶轮。 叶轮的工作条件 （ 1） 汽轮机叶轮是将传动力矩传到主轴的部件。 （ 2） 转子旋转时离心作 用产生的巨大切向力和径向力及振动所产生的反复应力。 无锡职业技术学院□ 毕业设计 2 （ 3） 蒸汽的腐蚀作用。 （ 4） 长期受高温作用而引起的金属蠕变及内外缘温差所引起的热应力及叶轮与主轴配合器所产生的压紧力。 叶轮的材料要求 为了 适应上述工作条件，汽轮机叶轮材料应具有良好的综合机械性能，常温及高温强度、塑性、韧性都要求较高。 为此，汽轮机的叶轮都是在调质状态下使用的。 冶炼和锻造质量要求严格，钢锭力求纯净，锻件组织与性能要求均匀。 叶轮的失效形式分析 工作环境和断口分析 作为应力腐蚀裂纹应符合如下几个特征： （ 1） 拉应力和敏感介质共同存在，且介质对金属组织敏感； （ 2） 裂纹沿最大主应力垂直方向发生； （ 1） 在微观上裂纹是沿着材料的晶界或穿过晶粒发生的； （ 4） 裂纹不一定在应力集中处萌生； （ 5） 裂纹萌生处可能有腐蚀产物，但不一定有点蚀。 应力的影响 叶轮构件中的应力是促使裂纹从裂纹源扩展的主要动力。 根据应力产生时机和来源的不同大致可分为工艺应力和工作应力。 所谓工艺应力就是叶轮在工艺施工过程中产生的应力，根据实际的不同可分为以下几类。 （ 1）焊接残余应力 对于采用焊接结构的闭式叶轮， 在焊接接头处产 生的残余应力是相当大的（有时接近材料的屈服强度），虽然经过热消应力处理，按照理论上消除 85%残余应力计算，最终残留在接头处的应力通常也在 40MPa 以上，接头处主要表现为拉应力。 （ 2）结构刚性的热处理残余应力 应力的影响 3 由于结构及工艺过程的需要，叶片与轮盘、盖盘的厚度差很大。 这种因为结构尺寸的差异必然造成热处理冷却过程各部分的差异而引起构件的热处理残余应力。 在叶片与轮盘、盖盘的焊接接头处表现为拉应力。 这部分应力与焊接残余应力在热处理过程中达到了一个新的平衡。 这就可能引起变形或裂纹的产生。 （ 3）主轴与 叶轮安装的热胀引起的残余应力 主轴与叶轮安装过程的加热和冷却使叶轮的内孔处发生形变而产生新的应力，特别是在叶片进风口处产生的拉应力较为明显。 （ 4）叶轮的正常工作应力 叶轮在正常运转时的离心力、叶片与介质相互作用时的叶轮主要外力，通过计算可以知道，在靠近轮盖侧叶片进风口处所承受的应力最大，在局部很小的范围内，其应力值可能超过材料的屈服极限，如果恰好在这个地方存在缺陷的话，那么对于叶轮的安全运行将是致命的。 （ 5）振动引起的扰动应力 作为一套大型复杂装置，振动很难消除，因而由于振动引起的扰动应力也就 是一个值得关注的问题。 振动产生的扰动应力往往增加应力集中的幅度，并会加速裂纹的扩展。 缺陷对应力腐蚀裂纹的影响 在应力腐蚀开裂中，腐蚀常常是局部的和有选择性的，开裂源多半是所谓的点蚀。 在点蚀处材料的组织缺陷和施工工艺缺陷必然是腐蚀产生之处。 （ 1）焊缝区粗大的晶粒组织，在熔合线区明显有晶界夹杂物的聚集和组织的不均匀性。 另外，在焊接接头处，由于焊接过程局部的高能量输入和冷却过程中温差的极不均匀性，必然会造成性能分布的不均匀性，而且在熔合线附近性能下降最大可达1/4，严重地影响了其使用性能。 （ 2） 材料本身的成分偏析、轧制过程夹杂物的聚集在许多断裂失效中屡见不鲜。 （ 3）叶片与轮盖、轮盘的焊缝在焊接时所产生的咬肉、表面气孔、打磨所形成的尖角等缺陷成为腐蚀性介质聚集和应力集中的滋生之处，往往会加剧应力腐蚀裂纹的产生。 无锡职业技术学院口毕业设计 4 应力腐蚀失效的预防措施 （ 1） 材料的选择，采用低杂质的钢材。 介质的腐蚀对材料具有选择性，因而针对不同的环境可选择适当的合金钢或不同类型的不锈钢；并且采用真空精炼的低杂质（严格控制 S、 P 含量）的钢材，对于抗应力腐蚀的作用也非常明显。 （ 2） 减少焊缝工艺缺陷，尽量避免叶 轮超转后的补焊。 对于焊脚部位的打磨尽量圆滑过渡，焊接过程尽量减少表面气孔和夹渣等缺陷，夹渣是不可忽视的缺陷。 (3) 提高热处理和热装等工艺手段。 采用真空热处理的手段减少热处理过程应力集中及裂纹产生的几率。 在理论计算的基础上尽量减少叶轮轴孔的过盈量或采取过渡配合键连接的形式，以降低应力集中的可能性。 (4) 采用超声冲击等先进的工艺方法在焊接接头处产生压应力。 压应力对腐蚀裂纹的产生具有抑制作用。 采用喷砂、焊缝表面超声冲击等工艺手段在焊缝表面产生压应力，从而提高焊缝耐应力腐蚀的性能 叶轮 的发展前 景 叶轮既指装有动叶的轮盘，是 冲动式汽轮机 转子的组成 部分。 汽轮机是将蒸汽的能量转换成为 机械功 的旋转式 动力机械。 又称蒸汽透平。 主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、 风机 、压缩机和 船舶 螺旋桨等。 还可以利用汽轮机的排汽或 中间抽汽满足生产和生活上的供热需要汽轮机的出现推动了电力工业的发展，到 20 世纪初，电站汽轮机单机功率已达 10 兆瓦。 随着电力应用的日益广泛，美国 纽约 等大城市的电站 尖峰负荷 在 20 年代已接近 1000 兆瓦，如果单机功率只有 10 兆瓦，则需要装机近百台，因此 20 年代时单机功率就已增大到 60 兆瓦， 30 年代初又出现了 165兆瓦和 208 兆瓦的汽轮机。 此后的经济衰退和 第二次世界大战 期间爆发，使汽轮机单机功率的增大处于停顿状态。 50 年 代，随着战后经济发展，电力需求突飞猛进，单机功率又开始不断增大 ，陆续出现了 325～ 600 兆瓦的大型汽轮机； 60 年代制成了 1000 兆瓦汽轮机； 70 年代，制成了 1300 兆瓦汽轮机。 现在许多 国家 常用的单机功率为 300～ 600 兆瓦。 汽轮机在社会经济的各部门中都有广泛的应用。 汽轮机种类很多，并有不同的分类方法。 汽轮机的蒸汽从进口膨胀到出口，单位质量蒸汽的容积增大几百倍，甚至叶轮的发展前景 5 上千倍，因此各级叶片高度必须逐级加长。 大功率凝汽式汽轮机所需的排汽面积很大 ，末级叶片须做得很长。 汽轮机装置的热经济性用汽轮机热耗率或热效率表示。 汽轮机热耗率是每输出单位机械功所消耗的蒸汽热量，热效率是输出机械功与所耗蒸 汽热量。