energsecurityНадежность и безопасность энергетикиSafety and Reliability of Power Industry1999-55552542-2057ООО «НПО Энергобезопасность»10.24223/1999-5555-2024-17-4-272-279energsecurity-979Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЯ, РАСЧЕТЫDESIGN, RESEARCH, CALCULATIONSВыбор материала для аддитивного производства рабочего колеса закрытого типа высокоскоростного центробежного компрессораМaterial Selection for Additive Manufacturing of the Shrouded Impeller of a High-Speed Centrifugal CompressorЧуВ. Ч.ChuV. Ch.

ул. Политехническая, д. 29 литера Б, 195251, г. Санкт-Петербург 

Politekhnicheskaya street 29, 195251, St. Petersburg 

Басати ПанахМ.Basati PanahM.

ул. Политехническая, д. 29 литера Б, 195251, г. Санкт-Петербург 

Politekhnicheskaya street 29, 195251, St. Petersburg 

mehdibp.energy@gmail.comСухановА. И.SuhanovA. I.

ул. Политехническая, д. 29 литера Б, 195251, г. Санкт-Петербург 

Politekhnicheskaya street 29, 195251, St. Petersburg 

ФамТ. К.PhamT. Q.

ул. Политехническая, д. 29 литера Б, 195251, г. Санкт-Петербург 

Politekhnicheskaya street 29, 195251, St. Petersburg 

РассохинВ. А.RassokhinV. V.

ул. Политехническая, д. 29 литера Б, 195251, г. Санкт-Петербург 

Politekhnicheskaya street 29, 195251, St. Petersburg 

БарсковВ. В.BarskovV. V.

ул. Политехническая, д. 29 литера Б, 195251, г. Санкт-Петербург 

Politekhnicheskaya street 29, 195251, St. Petersburg 

МатвеевЮ. В.MatveevY. V.

ул. Политехническая, д. 29 литера Б, 195251, г. Санкт-Петербург 

Politekhnicheskaya street 29, 195251, St. Petersburg 

Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Energy instituteRussian Federation202414022025174272279Copyright © Чу В., Басати Панах М., Суханов А.И., Фам Т.К., Рассохин В.А., Барсков В.В., Матвеев Ю.В., 20252025Чу В., Басати Панах М., Суханов А.И., Фам Т.К., Рассохин В.А., Барсков В.В., Матвеев Ю.В.Chu V., Basati Panah M., Suhanov A.I., Pham T.Q., Rassokhin V.V., Barskov V.V., Matveev Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sigma08.ru/jour/article/view/979

Традиционная технология изготовления закрытых рабочих колес центробежных компрессоров характеризуется как многоэтапный процесс, включающий в себя закрепление лопаток на рабочем колесе и приварку покрывающего диска к лопаткам. Несмотря на большой опыт традиционных методов изготовления, включающих в себя лазерную сварку, переход к использованию технологии аддитивного производства дает значительные преимущества: получение конструкции закрытого рабочего колеса как единой детали, где нет никаких соединений и мала вероятность наличия дефектов. Рассмотрено напряженное и деформированное состояние закрытого рабочего колеса центробежного компрессора при высоком числе оборотов (60400 об/мин). Для прочностного расчета рабочего колеса была построена трехмерная модель и выполнен прочностной анализ. Расчеты выполнялись в пакете ANSYS Workbench 2019. В результате расчетов было определено расположение области максимальной концентрации напряжений. Указанные области расположены на расстоянии 30…40% длины лопаток и в области входных кромок сплитеров. В областях концентрации напряжений учитывалась пластичность материала колеса. Были заданы основные механические свойства аддитивных материалов, используемых для рабочего колеса — нержавеющей стали марки 316, алюминиевого сплава AlSi10Mg, титанового сплава Ti-6Al-4V, мартенситной стали 17-4PH. Выполненные расчеты показали, что титановой сплав Ti-6Al-4V наилучшим образом удовлетворяет как прочностным, так и технологическим требованиям. Проведенный анализ позволил подобрать материал для вращающихся компонентов высокооборотной турбомашины.

The traditional manufacturing process for shrouded impellers in centrifugal compressors is characterized as a multi-stage process, which involves attaching blades to the impeller and welding a cover disk to the blades. Despite the extensive experience gained with traditional manufacturing methods, including laser welding, transitioning to additive manufacturing technology offers significant advantages: it enables the production of a shrouded impeller as a single, seamless part with no joints, thereby reducing the likelihood of defects. This article examines the stress and deformation behavior of a shrouded impeller in a centrifugal compressor operating at high rotational speeds (60400 rpm). A three-dimensional model was created, and a strength analysis was conducted to evaluate the structural integrity of the impeller. The calculations were performed using the ANSYS Workbench 2019 software. The results identified the locations of maximum stress concentration, which occur at 30 – 40% of the main blade length and near the leading edges of the splitters. In these regions of stress concentration, the ductility of the impeller material was considered. The primary mechanical properties of the additive materials used for the impeller — stainless steel grade 316, aluminum alloy AlSi10Mg, titanium alloy Ti-6Al-4V, and martensitic steel 17-4PH — were specified. The analysis showed that the titanium alloy Ti-6Al-4V best satisfies both the strength and technological requirements.The conducted analysis facilitated the selection of a suitable material for the rotating components of high-speed turbomachinery.

конструкционная прочностьзакрытое рабочее колесоцентробежный компрессораддитивные материалывысокоскоростные турбомашиныstructural strengthshrouded impellercentrifugal compressoradditive materialshigh-speed turbomachineryReferencesRobust Operational Optimization of a typical micro Gas Turbine. W. De Paepe, D. Coppitters, S. Abraham, P. Tsirikoglou, G. Ghorbaniasl, F. Contino. Energy Procedia 2019; 158: 5795 – 5803. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.549Robust Operational Optimization of a typical micro Gas Turbine. W. De Paepe, D. Coppitters, S. Abraham, P. Tsirikoglou, G. Ghorbaniasl, F. Contino. Energy Procedia 2019; 158: 5795 – 5803. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.549Micro Gas Turbines in the Future Smart Energy System: Fleet Monitoring, Diagnostics, and System Level Requirements. I. Aslanidou, M. Rahman, V. Zaccaria, K. G. Kyprianidis. Front. Mech. Eng 2021; 7: 1 – 14. https://doi.org/10.3389/fmech.2021.676853Micro Gas Turbines in the Future Smart Energy System: Fleet Monitoring, Diagnostics, and System Level Requirements. I. Aslanidou, M. Rahman, V. Zaccaria, K. G. Kyprianidis. Front. Mech. Eng 2021; 7: 1 – 14. https://doi.org/10.3389/fmech.2021.676853Banihabib R., Assadi M. The Role of Micro Gas Turbines in Energy Transition. Energies 2022; 15(21): 80 – 84. https://doi.org/10.3390/en15218084Banihabib R., Assadi M. The Role of Micro Gas Turbines in Energy Transition. Energies 2022; 15(21): 80 – 84. https://doi.org/10.3390/en15218084Large J. Investigation of Micro Gas Turbine Systems for High Speed Long Loiter Tactical Unmanned Air Systems. USA: Aerospace 2019; 6(5): 55. https://doi.org/10.3390/aerospace6050055Large J. Investigation of Micro Gas Turbine Systems for High Speed Long Loiter Tactical Unmanned Air Systems. USA: Aerospace 2019; 6(5): 55. https://doi.org/10.3390/aerospace6050055Футин В. А. К определению запаса динамической прочности рабочих колес центробежных компрессоров. Компрессорная техника и пневматика 2019; (4): 19 – 22.Futin V. A. To determine the dynamic strength reserve of impellers of centrifugal compressors. Compressornaya tekhnika i pnevmatika 2019; 4: 19 – 22. (In Russ.)Antipin N. A. Strength Behavior of Welded Impellers of Centrifugal Compressors Under Long-Term Operation Conditions. Strength of Materials 2021; 3(53): 111 – 117. https://doi.org/10.1007/s11223-021-00313-yAntipin N. A. Strength Behavior of Welded Impellers of Centrifugal Compressors Under Long-Term Operation Conditions. Strength of Materials 2021; 3(53): 111 – 117. https://doi.org/10.1007/s11223-021-00313-yJebieshia T. R. Aerodynamic and Structural Characteristics of a Centrifugal Compressor Impeller. Applied Sciences 2019; 9(16): 1 – 11. https://doi.org/10.3390/app9163416Jebieshia T. R. Aerodynamic and Structural Characteristics of a Centrifugal Compressor Impeller. Applied Sciences 2019; 9(16): 1 – 11. https://doi.org/10.3390/app9163416Radgolchin M. Fatigue failure of centrifugal compressor impellers: A comprehensive review. Engineering Failure Analysis 2023; 153: 1 – 29.Radgolchin M. Fatigue failure of centrifugal compressor impellers: A comprehensive review. Engineering Failure Analysis 2023; 153: 1 – 29.Effect of Voxel-Based Surface Mesh Size on Process Simulation for Metal Additive Manufacturing of Ti6Al4V Impeller of Centrifugal Compressor. A. Shaikh, A. Shinde, S. Chinchanikar, S. Deshpande In: In: Abdul Sani, A.S., et al. Enabling Industry 4.0 through Advances in Manufacturing and Materials. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Singapore 2022: 249 – 259. https://doi.org/10.1007/978-981-19-2890-1_25Effect of Voxel-Based Surface Mesh Size on Process Simulation for Metal Additive Manufacturing of Ti6Al4V Impeller of Centrifugal Compressor. A. Shaikh, A. Shinde, S. Chinchanikar, S. Deshpande In: In: Abdul Sani, A. S., et al. Enabling Industry 4.0 through Advances in Manufacturing and Materials. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Singapore 2022: 249 – 259. https://doi.org/10.1007/978-981-19-2890-1_25Manufacturing of 3 D Shrouded Impeller of a Centrifugal Compressor on 3D-Printing machine using FDM Technology. K Aruna Prabha, P Sai Rohit, SC Nitturi, B Nithin IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2021; 1012(1): 12 – 39. https://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/1012/1/012039Manufacturing of 3 D Shrouded Impeller of a Centrifugal Compressor on 3D-Printing machine using FDM Technology. K Aruna Prabha, P Sai Rohit, SC Nitturi, B Nithin IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2021;1012(1):12-39. https://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/1012/1/012039Tepylo N. Laser-Based Additive Manufacturing Technologies for Aerospace Applications. Adv. Eng. Mater 2019; 21(11): 1438 – 1656.Tepylo N. Laser-Based Additive Manufacturing Technologies for Aerospace Applications. Adv. Eng. Mater 2019; 21(11): 1438 – 1656.Application of 3D printing technology to increase efficiency of low flow rate centrifugal compressors. A. V. Burakov, A. S. Perminov, Yu. B. Galerkin, A. A. Levikhin, A. V. Pobelyansky. AIP Conference Proceedings 2020; 2285(1): 3 – 24. https://doi.org/10.1063/5.0026905Application of 3D printing technology to increase efficiency of low flow rate centrifugal compressors. A. V. Burakov, A.S. Perminov, Yu. B. Galerkin, A. A. Levikhin, A. V. Pobelyansky. AIP Conference Proceedings 2020; 2285(1): 3 – 24. https://doi.org/10.1063/5.0026905Data Sheets-Additive Manufacturing, Powders for Additive Manufacturing. [электронный доступ] – https://www.renishaw.com/en/data-sheets-additive-manufacturing-17862 (дата обращения: 11 августа 2024).Data Sheets-Additive Manufacturing, Powders for Additive Manufacturing. [электронный доступ] – https://www.renishaw.com/en/data-sheets-additive-manufacturing-17862 (дата обращения: 11 августа 2024).Data Sheets – Ti6Al 4V (grade 5) Titanium Alloy Data Sheet. [электронный доступ] – https://kyocera-sgstool.co.uk/titaniumresources/titanium-information-everything-you-need-to-know/ti-6al-4v-grade-5-titanium-alloy-data-sheet (дата обращения: 11 августа 2024).Data Sheets – Ti6Al 4V (grade 5) Titanium Alloy Data Sheet. [электронный доступ] – https://kyocera-sgstool.co.uk/titaniumresources/titanium-information-everything-you-need-to-know/ti-6al-4v-grade-5-titanium-alloy-data-sheet (дата обращения: 11 августа 2024).17-4PH stainless steel datasheet – United Performance Metals. [электронный доступ] – https://www.upmet.com/sites/default/files/datasheets/17-4-ph.pdf (дата обращения: 11 августа 2024).17-4PH stainless steel datasheet – United Performance Metals. [электронный доступ] – https://www.upmet.com/sites/default/files/datasheets/17-4-ph.pdf (дата обращения: 11 августа 2024).316 stainless steel datasheet – United Performance Metals. [электронный доступ] – https://www.upmet.com/sites/default/files/datasheets/316-316l.pdf (дата обращения: 11 августа 2024).316 stainless steel datasheet – United Performance Metals. [электронный доступ] – https://www.upmet.com/sites/default/files/datasheets/316-316l.pdf (дата обращения: 11 августа 2024).Fluid-structure interaction analyze for the centrifugal compressor 3D impellers. A. Dinilishin, A. Petrov, Y. Kozukhov, S. Kartashov, V. Ivanov, A. Zuev. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2020; 1101(1): 1 – 7.Fluid-structure interaction analyze for the centrifugal compressor 3D impellers. A. Dinilishin, A. Petrov, Y. Kozukhov, S. Kartashov, V. Ivanov, A. Zuev. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2020; 1101(1): 1 – 7.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.