Складное рабочее колесо центробежного компрессора

Рабочее колесо является нагруженным элементом ротора центробежного компрессора. В рабочем колесе, посаженном на вал ротора с натягом, при вращении колеса с большой окружной скоростью под действием центробежных сил возникают большие внутренние напряжения. Кроме того, рабочее колесо подвергается воздействию давления, температуры, агрессивной рабочей среды, а также вибрационным нагрузкам. Для обеспечения надежной работы компрессора рабочее колесо должно обладать достаточной усталостной прочностью, коррозионной и эрозионной стойкостью, а также совершенной проточной частью для получения высокого КПД компрессора.

Специалисты «ТРИЗ» разработали конструкцию сложного рабочего колеса, которое удовлетворяет таким требованиям, как:

• — высокая эффективность;
• — возможность выбора материала в зависимости от условий эксплуатации;
• — технологичность;
• — конструкция без использования метода сварки или пайки;
• — уменьшение объема механической и термической обработки;
• — снижение себестоимости.

Сложное рабочее колесо состоит из трех частей: основного диска с фрезерованными лопатками и покрывным кольцевым элементом 1, диска 2 и горловины 3. В качестве прототипа выбрано рабочее колесо с внешним диаметром D₂= 397 мм с рабочей частотой вращения 10850 об/мин. Составные части колеса изготовлены из легированной коррозионностойкой стали 34ХН3МА, предел текучести материала σ_0,2 = 800 МПа.

Составные части сложного рабочего колеса

Диск 2 и горловина 3 соединяются с кольцевым покрывным элементом цельнофрезерованного основного диска 1 с помощью посадки с натягом. Цилиндрические поверхности составных частей колеса разделены на два пояска: внутренний 4 и внешний 5. Натяг обеспечивается по внешнему пояску 5.

Составные части сложного рабочего колеса

Горловина сложного рабочего колеса

• 1) выполнить фрезерование основного диска с лопатками и покрывным кольцевым элементом из цельной заготовки;

• 2) использовать материалы, не подлежащие сварке;

• 3) уменьшить центробежную нагрузку, действующую на основной диск и лопатки, за счет уменьшения массы цельнофрезерованного основного диска и упругой связи натяга составных частей 2 и 3 с ним (центробежная сила действует на каждую часть отдельно в соответствии с ее массой);

• 4) обеспечить прижатие составных частей 2 и 3 к лопаткам основного диска за счет посадки с натягом по внешним пояскам 5;

• 5) устранить проскальзывание составных частей 2 и 3 по посадочным местам за счет отсутствия передачи крутящего момента последними;

• 6) обеспечить компенсацию смещения центра масс основного диска с лопатками усилием от посадки с натягом диска и горловины, что позволяет уменьшить прогиб основного диска в сторону нагнетания в процессе работы рабочего колеса;

• 7) устранить основной концентратор напряжений в местах соединения горловины и лопаток за счет отсутствия жесткой связи (пайки, сварки, фрезеровки) между элементами;

• 8) уменьшить уровень напряжений в местах соединения основного диска с лопатками за счет уменьшения центробежной силы, действующей на основной диск;

• 9) исключить деформацию каналов и покрывных дисков.

После изготовления составных частей, сборки рабочего колеса, статической и динамической балансировки проведены испытания на рабочих оборотах с имитацией посадки рабочего колеса на ротор с натягом.

Цельнофрезерованный основной диск с лопатками и покрывным кольцевым элементом

Сложное рабочее колесо

Рабочее колесо в корпусе стенда для разгона