Выбор материала для аддитивного производства рабочего колеса закрытого типа высокоскоростного центробежного компрессора

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.

1. Robust 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.2019.01.549

2. Micro 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.2021.676853

3. Banihabib R., Assadi M. The Role of Micro Gas Turbines in Energy Transition. Energies 2022; 15(21): 80 – 84. https://doi.org/10.3390/en15218084

4. Large 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/aerospace6050055

5. Футин В. А. К определению запаса динамической прочности рабочих колес центробежных компрессоров. Компрессорная техника и пневматика 2019; (4): 19 – 22.

6. 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-y

7. Jebieshia T. R. Aerodynamic and Structural Characteristics of a Centrifugal Compressor Impeller. Applied Sciences 2019; 9(16): 1 – 11. https://doi.org/10.3390/app9163416

8. Radgolchin M. Fatigue failure of centrifugal compressor impellers: A comprehensive review. Engineering Failure Analysis 2023; 153: 1 – 29.

9. 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_25

10. Manufacturing 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/1012/1/012039

11. Tepylo N. Laser-Based Additive Manufacturing Technologies for Aerospace Applications. Adv. Eng. Mater 2019; 21(11): 1438 – 1656.

12. 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/10.1063/5.0026905

13. 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).

14. 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).

15. 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).

16. 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).

17. 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.