空气压缩机离心叶轮的低周疲劳 (LCF) 是一种关键的失效机制，其主要原因是高应力幅值和相对较低的循环次数（通常小于 10⁵）。与由共振振动引起的高周疲劳 (HCF) 不同，LCF 主要受应力集中点处的整体塑性应变控制。
以下是这些部件低周疲劳的主要原因：
1. 启停循环（瞬态运行）
LCF 最常见的原因是启动和停机过程中承受的循环载荷。
离心载荷：当转子从静止加速到运行速度时，由于离心力的作用，叶轮叶片和轮毂会承受巨大的径向拉应力。每次启停循环都构成一个从零到最大（或接近最大）应力的巨大应力循环。
塑性变形：如果在这些瞬态过程中，应力集中点（例如圆角或叶根）处的材料屈服强度被超过，则会发生塑性应变累积。反复循环会导致裂纹萌生。
2. 气动激励和共振
气动激励通常与高周疲劳相关，但如果振幅过高或机器频繁在共振工况下运行，气动力也会诱发低周疲劳。
流动不稳定性：旋转失速、喘振或入口畸变等现象会在叶片上产生波动的气动压力。这些波动会在叶片上施加交变弯曲应力。
非设计工况运行：压缩机频繁在非设计工况（低流量或高流量）下运行会产生较高的交变应力，这些应力与平均离心应力叠加，会导致低周疲劳。
3. 热梯度（热机械疲劳）
在高压或高速空气压缩机（包括整体齿轮式压缩机或高压缩比压缩机）中，会出现显著的温差。
瞬态过程：启动时，轮毂（中心）升温速度快于外壳或壳体。这种温度梯度会在轮毂上产生压缩热应力，在周边产生拉伸应力。
膨胀不匹配：不同材料（例如，钢轴配铝或钛叶轮）或温度分布不均会导致热膨胀受限，进而导致叶轮孔或叶片连接处产生循环塑性应变。
4. 材料缺陷和制造残余应力
低周疲劳的起始位置几乎总是应力集中区域。
表面粗糙度/缺口：叶根圆角处的锐角、加工痕迹或焊接修复痕迹会造成应力集中。在循环离心载荷作用下，这些缺口会集中应力，导致局部屈服。
残余应力：制造工艺（例如焊接、热处理或机械加工）会留下残余应力。如果这些残余应力为拉应力，并与运行中的拉应力叠加，则有效平均应力会增加，从而加速低周疲劳裂纹的扩展。
夹杂物：锻件或铸件中的材料杂质（非金属夹杂物）在循环载荷作用下会成为微孔和裂纹的萌生点。
5. 腐蚀和环境影响
虽然空气压缩机通常处理环境空气，但某些特定环境会加速低周疲劳。
腐蚀疲劳：如果进气中含有水分、盐分或工业污染物（例如硫化氢或氯化物），则会发生点蚀。点蚀会成为应力集中点。与纯机械疲劳相比，腐蚀环境和循环应力的共同作用会显著降低疲劳强度。
氢脆：在极少数情况下，如果在制造过程中使用了不当的电镀或清洗工艺，氢脆会导致在持续拉伸载荷和循环载荷作用下突然开裂。
6. 机械损伤和微动磨损
微动磨损疲劳：在组装好的叶轮（叶片插入轮盘，或叶轮通过过盈配合安装在轴上）中，循环载荷作用下会发生微动。这种微动磨损会磨损表面，去除保护性氧化层，并产生局部应力集中，这些应力集中点会成为低周疲劳裂纹的萌生点。
异物损伤 (FOD)：碎屑（水垢、管道内残留工具或冷凝液）的冲击会造成微小的凹痕或裂纹。这些不连续性会成为应力集中点，显著降低低周疲劳寿命。
7. 超速事件
虽然并非传统意义上的“循环”，但偶尔发生的超速事件（超过最大连续转速）会导致局部塑性变形。随后的正常启停循环会导致该塑性变形区域在远低于设计寿命时发生低周疲劳失效。
失效演进概述
在离心叶轮中，低周疲劳通常遵循以下模式：
萌生：由于高平均应力（离心力）和交变应力（启停或振动），在应力集中处（圆角、夹杂物、异物）萌生。
微裂纹扩展：沿最大剪应力面扩展（阶段 I）。
宏观裂纹扩展：垂直于最大主应力（离心力）方向扩展（阶段 II），最终导致叶片或轮毂的贯穿裂纹。
缓解策略通常包括精确控制启动/关闭周期（避免快速启动）、使用有限元分析 (FEA) 优化圆角半径以减少应力集中因素、应用表面处理（喷丸处理）以产生压缩残余应力以及严格的材料质量控制。
