2.5 叶片失效分析
综上所述,可以看出风机叶片断口存在明显的疲劳弧线,疲劳弧线之间分布着均匀细密的疲劳条带,为典型的高低周复合疲劳断裂特征。在叶片叶根受力最大位置处存在一定的表面缺陷(叶根圆弧过渡处的表面孔洞、凹坑及气孔等缺陷诱发了疲劳裂纹),使得在该位置萌生疲劳裂纹,裂纹在疲劳应力作用下扩展至一定阶段后,叶片剩余有效承载面积减小到不足以承受工作应力而发生风机叶片瞬断,该疲劳应力主要是风机叶片旋转产生的离心力叠加振动应力,从而造成叶片的高低周复合疲劳断裂。
3 台架模拟试验
针对断裂分析的结果,进行台架模拟试验,工作状态完全模拟实车安装方式,台架试验共计43.5h、循环冲击580次,在风机转速由低速向高速上升的过程中,风机叶片失效,与实车失效情况一致,观察疲劳裂纹为线源,有一叶片的疲劳区贯穿整个截面,叶片有效承载面积减小到不足以承受工作应力而发生瞬断,此台架试验结果与断裂分析的结果相吻合,验证了风机叶片断裂系高低周复合疲劳断裂。
4 改进措施
1) 将斜流式风机静子支撑筋截面做成机翼型,一方面有效削弱卡门涡街的强度,减少其对叶片的冲击,另一方面改变卡门涡街的特征长度,从而改变其脱落频率,使其远离风机叶片的自振频率。
2) 增大斜流式风机叶片根部圆角尺寸,以增加叶片根部强度和叶片自振频率。
3) 增大斜流式风机静子支撑筋与叶片进口之间的安装距离(靠近轮毂处),消除彼此影响,减少不均匀气流的进入。
采取上述改进措施后,进行台架试验500h,循环冲击5 013次,系统工作正常。说明改进后的风机静子支撑筋产生的卡门涡街对叶片的冲击已大大改善。并且通过频率测试,在工作转速范围内,改进后的叶片的固有频率,与气动激振频率已避开。