3D печать для повышения эффективности малорасходных турбомашин

В настоящее время в газовой, нефтехимической и холодильной промышленности эксплуатируется большое количество компрессорного оборудования для транспортирования газа, циркуляции хладагентов, значительная часть которого относится к центробежным компрессорам. Для повышения эффективности применяемого парка компрессорного оборудования необходимо тщательно исследовать и внедрять во все элементы компрессорной системы конструктивные мероприятия, обеспечивающие снижение капитальных и эксплуатационных расходов.

К способам снижения капитальных затрат помимо повышения эффективности приводов (электрического, газотурбинного, дизельного и т.п.) техники относится снижение стоимости изготовления и снижение стоимости применяемых материалов, либо минимизация используемых дорогих материалов с помощью аддитивных технологий без ухудшения эксплуатационных характеристик оборудования.

Во многих отраслях промышленности вместо деталей из металлов могут применяться детали из полимерных и композиционных материалов, которые обладают достаточными механическими свойствами, не подвержены коррозии, имеют меньшую массу и низкую себестоимость. Для снижения стоимости изготовления технологически сложных деталей и уменьшения количества сборочных единиц в различных технических областях настоящее время активно внедряется технологии 3D-печати.

Эффективное применение технологии 3D печати подразумевает использование разработанных методами цифрового проектирования непосредственно 3D моделей, минуя стадию разработки большого объема классической конструкторской и технологической документации по ЕСКД и ЕСТД, что может сократить сроки и стоимость разработки, изготовления и испытания изделий, однако при этом в ходе цифрового проектирования 3D модели каждой детали и изделия в целом необходимо на стадии выпуска 3D модели проводить многопараметрическую верификацию и топологическую оптимизацию как с точки зрения массогабаритных характеристик, соответствия техническим параметрам, прочности, долговечности, стойкости к внешним воздействиям, так и с точки зрения аддитивности технологии 3D печати.

В рамках мирового опыта применительно к турбокомпрессоростроению можно отметить внедрение и использование как отдельных частей компрессора, выполненных методом 3D-печати, так и компрессора целиком.

Например, в 2015 году компания GEAviation внедрила в авиационные двигатели, созданные методом 3D-печати такие детали, как корпус температурного датчика на входе в компрессор и топливную форсунку. При одинаковой прочности оригинала и модели, выполненной на 3D принтере, последняя на 25% оказалась легче [1]. В том же году в Австралии на 3D принтере был напечатан первый в мире действующий реактивный двигатель [2]. Немногим позже миниатюрный турбореактивный двигатель был напечатан компанией GEAviation и представляет собой модифицированную версию силового агрегата, который используется в радиоуправляемых моделях самолетов [3].

В 2017 году компания GEAviation создала первый в истории коммерческий авиационный двигатель, который более чем на треть состоит из компонентов, напечатанных на 3D-принтере. Инженерам удалось снизить количество отдельных деталей с 855 до 12 штук. Данный двигатель был разработан специально для пассажирского одномоторного самолета бизнес-класса. Использование такого двигателя уменьшает вес самолета на 5%, что в свою очередь уменьшает расход топлива при сохранении той же скорости [4].

На отечественных предприятиях авиаракетостроения изучаются вопросы аддитивных технологий изготовления ответственных технологически сложных деталей (рабочих колес турбонасосных агрегатов, камер сгорания [5], деталей газотурбинного двигателя [6]) в качестве материалов используются как нержавеющая и жаростойкая сталь, так и титан.

Таким образом, стоит отметить широкое внедрение 3D-печати отдельных деталей и узлов в авиации и турбостроении. Подобную технологию целесообразно использовать в такой динамично развивающейся отрасли, как компрессоростроение.

Одной из актуальных областей применения машин динамического вытеснения с вращающимися рабочими органами, в частности центробежных нагнетателей, является получение сжатого газа низкого давления и перекачка различных газов в газовой, металлургической, атомной, нефтехимической и холодильной промышленности [7].

ООО «Компрессор Газ» в 2019г. для атомной промышленности разработало нестандартные дожимные компрессорные установки для циркуляции гелия в охлаждающем контуре без загрязнения среды маслом ДКУ-ГЦ 0,52/3,31/3,41 и ДКУ-ГЦ 0,15/0,9/1,0. Требуемые параметры установок приведены в таблице 1.

Таблица 1. Газодинамические параметры центробежных гелиевых компрессоров

Для решения нестандартной задачи и снижения минимального уровня утечек были предложены следующие технические решения [8]:

• погружная схема размещения компрессора с минимальным количеством стыков;

• встроенный высокооборотный электродвигатель для уменьшения размера;

• сухие газодинамические подшипники, для исключения необходимости смазки.

Принципиальная схема погружного центробежного компрессора приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема погружного центробежного компрессора

Вариантный расчет показал, что для компрессора №1 оптимален одноступенчатый вариант, а для компрессора №2 – двухступенчатый вариант. Оба компрессора с консольным расположением рабочих колес на валу приводного электродвигателя. Все ступени концевого типа с осерадиальными полуоткрытыми рабочими колесами и безлопаточными диффузорами. В связи с незначительным изменением плотности обе ступени компрессора №2 могут быть идентичными, но с разным направлением вращения.

Исследование вариантов обоих компрессоров показало, что близким к оптимальному может быть решение на основе ступени с параметрами проектирования Ф_расч=0,095 и ψ_трасч=0,57. Расчет с реалистичной оценкой КПД произведен по 6-й версии программы метода универсального моделирования [9].

Необходимо учесть, что осевая сила у компрессора №1 может создать недопустимую нагрузку на подшипники приводного двигателя. Эта проблема отсутствует у двухступенчатого компрессора №2 с рабочими колесами, расположенными «спина к спине». Поэтому, такое решение возможно применить и для компрессора №1, если сделать двухступенчатый вариант или двухпоточный вариант. Результаты расчета компрессоров представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты предварительного расчета компрессоров

Одним из наиболее нагруженных элементов компрессора является рабочее колесо. При производстве таких колес с использованием аддитивных технологий появляется возможность значительно уменьшить массу, соблюдая условие прочности.

Для максимально полного использования возможностей аддитивных технологий необходимо применять новые подходы к проектированию деталей, один из которых основан на принципах топологической оптимизации. Топологическая оптимизация – это подход к улучшению конструкции, направленный на поиск наилучшего распределения материала в заданной области для заданных нагрузок и граничных условий. Применение топологической оптимизации на этапе проектирования помогает найти вариант дизайна конструкции с наиболее рациональным распределением материала и пустот в объёме, таким образом, заметно снизив его массу [7].

Рассмотрим создание рабочего колеса центробежного компрессора, входящего в состав роторной системы ГТД 100. Масса изделия – 120 г, рабочее вращение –
125000 об/мин. Материал изделия Титан ВТ6.

На рисунке 2 представлен внешний вид колеса компрессора, полученный в результате газодинамического расчета, а также поля давлений газа в МПа и поля распределения температур в град. С, полученные в результате теплового стационарного расчета.

Рис.2. Поля давлений газа в МПа слева, поля температур в °С справа

На первом этапе оптимизации в прикладной программе выполнен прочностной расчет исходного изделия по методу конечных элементов от воздействия одной из нагрузок, а именно инерционных сил, вызванными вращением [6]. Результаты расчета приведены на рисунке 3. Максимальное эквивалентное напряжение достигает значения 532 МПа. Перемещения лопастей – 0,14 мм.

Рис. 3. Распределение напряжений в рабочем колесе до оптимизации

На втором этапе, с помощью инструментов топологической оптимизации, определены области детали, которые в меньшей степени участвуют в восприятии нагрузок (см. рисунок 4). В качестве целевой функции выбрана масса детали, ограничения по сохраняемому объему – 50%.

Рис. 4. Результаты топологической оптимизации

Из полученного результата топологической оптимизации можно сделать вывод о необходимости создания ребер жесткости при удалении области материала. Для решения этой задачи ребра жесткости созданы как продление лопаток до внутренней стенки втулки. Толщина сохраняемой оболочки колеса – 0,3 мм. Необходимо заметить, что топологическая оптимизация является только вспомогательным инструментом при проектировании. Полученная геометрия не является итоговой и нуждается в последующей обработке.

В процессе изготовления оптимизированного колеса при помощи аддитивных технологий необходимо создать дополнительную поддержку для сохранения геометрии наружной оболочки толщиной 0,3 мм. При этом поддержка должна быть выполнена в виде кругового массива для исключения возможного разноса колеса. Структура создаваемой дополнительной геометрии представлена на рисунке 5. Максимальная толщина поддержки – 0,4 мм, длина – 2,1 мм, процент заполнения свободной области –
16 %.

Рис. 5. Геометрия колеса после создания поддержки

На следующем этапе созданы технологические отверстия для продувки металлического порошка после печати. Расположение отверстий на втулке и нижней грани колеса представлены на рисунке 6.

Рис. 6. Расположение отверстий для удаления остаточного материала на втулке (а) и на нижней грани (б)

На последнем этапе с целью получения параметров напряженно-деформированного состояния производился расчет на прочность при сочетании всех внешних воздействиях. В процессе эксплуатации на колеса компрессора воздействуют следующие виды нагрузок (см. таблицу 3): давление газа, поле температур, инерционная нагрузка, вызванная вращением.

Таблица 3. Сочетание прикладываемых нагрузок

Максимальные напряжения возникают при полном сочетании нагрузок (сочетание Time 3) и составляют 653 МПа для рассматриваемого колес компрессора рисунок 7. С учетом опасных напряжений, равных пределу текучести материала, коэффициенты запаса будут равны 1,5, тем самым условия прочности выполнены. Анализ сочетания нагрузок, представленных в таблице 4 показывает, что наибольший вклад максимальных в напряженное состояние дает инерционная нагрузка, вызванная вращением колеса компрессора.

Таблица 4. Максимальные значения эквивалентных напряжений в МПа для рассматриваемых сочетаний нагрузок компрессора

Компоненты перемещений при сочетании нагрузок Time 1, Time 2, Time 3 представлены в таблице 5. Необходимо отметить, что наличие полостей приводит к увеличению радиальных перемещений свыше 100 мкм, однако при этом происходит существенное уменьшение осевых и угловых перемещений.

Таблица 5. Максимальные значения компонентов перемещений в мкм по абсолютной величине для рассматриваемых сочетаний нагрузок модификации компрессора

После проектирования и оптимизации данное рабочее колесо центробежного компрессора было изготовлено для дальнейшего испытания. Результат изготовления колеса представлен на рисунке 8.

Рис.8. Результат изготовления рабочего колеса центробежного компрессора

Оценку отклонения от номинальных размеров деталей в труднодоступных для контроля линейными средствами измерения местах позволило провести оптическое 3D-сканирование. Постобработка результатов сканирования в программном комплексе позволила построить поля отклонений фактических размеров по сравнению с исходными компьютерными моделями (см. рисунок 9) [10, 11, 12, 13]. Измерение параметров шероховатости поверхности производилось прибором для контроля шероховатости W10 Hommel-Etamic. Анализ результатов показал, что параметр шероховатости поверхности существенно изменяется в зависимости от точки замера. Несмотря на это, средние показатели изменения шероховатости поверхности необработанных поверхностей являются относительно стабильной величиной и составила Ra=2,5 мкм

Рис. 9. Фото полей отклонения сканированного колеса компрессора вид сверху

Анализ уровня качества полученных 3D-печатью деталей позволил сделать следующие выводы:

• значение шероховатости поверхностей и точность образцов соответствует чистовой механической обработке, при этом может потребоваться минимальная механическая обработка высокоточных поверхностей;

• сложность конфигурации практически неограниченна [5];

• не требуется изготовление технологической оснастки и приспособлений.

Таким образом, при изготовлении конструкций средней и низкой точности полученная 3D-печатью заготовка может быть использована как готовая деталь без уточняющей механической обработки. Область применения метода 3D-печати — это изготовление заготовок для единичного и мелкосерийного производства, где его конкурентоспособность очевидна.

Рассмотренный алгоритм проектирования позволяет создавать детали и элементы конструкции компрессоров для последующего производства с использованием аддитивных технологий. Для изготовления центробежных колес учитывая небольшой размер и геометрию целесообразно использовать метод 3D печати, с применением аналогичных внутренних продольных и поперечных ребер.

Взаимопересекающиеся продольные и поперечные ребра обеспечивают прочность деталей от воздействия изгибающих нагрузок, скручивающих нагрузок, внешнего давления. Толщина ребер и внешней стенки ротора выбирается исходя из соображений технологичности и предотвращения потери устойчивости.

За счет производства колес центробежных компрессоров методом трехмерной печати на 3D-принтерах достигается упрощение технологии изготовления. Могут быть использованы следующие технологии трехмерной печати: моделирование методом наплавления; лазерная стереолитография; селективное лазерное спекание; электронно-лучевая плавка.

При выборе материала руководствуются следующим: обеспечение надежной работы; наименьшая стоимость материала; наилучшие условия обработки; физические свойства сжимаемой среды [14].

Колеса центробежных компрессоров могут быть созданы из металла, полимера, композита, или иного сплава, пригодного для трехмерной печати. Основным же материалом для изготовления служат различные марки стали. При этом даже если используемый материал печати имеет низкие механические свойства, по расчету подбираются необходимый размер, количество и конфигурация внутренних ребер. Из всех полимеров наиболее подходящим по физическим свойствам является полиамид П-66, который имеет наиболее высокую температуру плавления, что позволяет использовать его для изготовления деталей, устойчивых к высоким температурам.

Данное техническое решение позволяет обеспечить требуемые рабочие параметры нагнетателя при снижении массы колес, низкую стоимость изготовления, избавиться от подгонки, доводочных операций, обеспечить стабильность размеров и параметров колес и их полную взаимозаменяемость.

За счет использования эффективного внутреннего оребрения взаимопересекающимися продольными и поперечными ребрами обеспечивается прочность колес от воздействия изгибающих нагрузок, скручивающих нагрузок, внешнего давления. Помимо этого, масса колес может быть снижена в 4-6 раз, что уменьшит массу всего компрессора в целом.

Таким образом, предложенное эффективное применение 3D-печати для изготовления деталей может применяться не только в роторных нагнетателях низкого давления, но и при изготовлении центробежных колес холодильного компрессорного оборудования что позволяет уменьшить эксплуатационные затраты и снизить стоимость компрессоров.

Литература:

1. Apr 14, 2015 by Tomas KellnerThe FAA Cleared the First 3D Printed Part to Fly in a Commercial Jet Engine from GE [Электр. ресурс]. URL: https://www.ge.com/reports/post/116402870270/the-faa-cleared-the-first-3d-printed-part-to-fly-2/(дата обращения: 28.01.2020).

2. В США реактивный двигатель «напечатали» на 3D-принтере. [Электр. ресурс] URL: https://www. dialog.ua/news/55451_1431709113 (дата обращения: 22.09.2018). https://www.turbodynamics.co.uk/media/blog/3d-printed-turbocharger

3. На 3D-принтере впервые напечатали реактивный двигатель. [Электр. ресурс] URL: https://lenta.ru/news/2015/02/26/jetprinted/ (дата обращения: 22.09.2018).

4. Мэтью Ван Дюсен. 3D-печатный самолетный двигатель GE будет запущен в этом году. [Электр. ресурс] URL: https://www.ge.com/reports/mad-props-3d-printed-airplane-engine-will-run-year/ (дата обращения: 22.09.2018).

5. Каминский Я.В., Левихин А.А. Разработка камеры сгорания ЖРД малой тяги с применением аддитивных технологий // В сборнике: Молодежь. Техника. Космос труды X Общероссийской молодежной научно-технической конференции. Сер. «Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ». 2018. № 49. С. 218–222.

6. Theory Reference for the Mechanical APDL and Mechanical Applications, Release 16.2, 2016

7. J. H. Zhu, W. H. Zhang, and L. Xia, Topology optimization in aircraft and aerospace structures design, Archives of Computational Methods in Engineering, 2015.

8. Патент на полезную модель №194782 CПК F04D 17/08. Центробежный компрессорный агрегат [Текст] /Кузнецов Л.Г., Кузнецов Ю.Л., Бураков А.В., Перминов А.С., опубликован 23.12.2019. Бюллетень №36.

9. Galerkin Y., Soldatova K. Universal modeling method application for development of centrifugal compressor model stages. International Conference on Compressors and their Systems. London. City University. - UK. -2013. - P. – 477-487.

10. Андрюшкин А.Ю., Левихин А.А., Галинская О.О., Михайлов К.Н. Точность размеров и шероховатость поверхностей полученных послойным лазерным сплавлением деталей из жаропрочных никелевых сплавов // В сборнике: Инновационные технологии и технические средства специального назначения. Труды десятой общероссийской научно-практической конференции. 2018. С. 48–53.

11. Бобров А.А., Побелянский А.В. Изготовление образцов, полученных методом селективного лазерного плавления на установка отечественного производства // Молодёжь. Техника. Космос: труды XI Общероссийской молодёжной науч.-техн. конф. Т.1/Балт. гос. техн. ун-т. – СПб.: 2019. C 117-122.

12. Киршина А.А., Киршин А.Ю., Побелянский А.В. Исследование влияния режимов печати на пористость поверхности образцов, изготовленных методом аддитивного производства //Уткинские чтения: труды общерос. науч.-техн. конф. / Балт. гос. техн. ун-т. – СПб.; 2019.- C 457-463. ISBN 978-5-907054-67-07.

13. Патент на изобретение №2688098 МПК В33Y 10/00. Способ лазерного послойного синтеза объемных изделий из порошков[Текст] /Андрюшкин А.Ю., Афанасьев Е.О., Селищев П.А., Бируля М.А, Богомолов П.И., Левихин А.А., Побелянский А.В., Михайлов К.Н. Заявитель и патентообладатель: БГТУ «ВОЕНМЕХ». Заявка: 2018129403 от 10.08.2018, опубликован 17.05.2019. Бюллетень №14

15. Андрюшкин А.Ю., Левихин А.А., Преображенская М.А., Галаджун А.А. Материаловедческие аспекты повышения прочностных свойств полученных послойным лазерным сплавлением деталей из жаропрочных никелевых сплавов // В сборнике: Инновационные технологии и технические средства специального назначения. Труды десятой общероссийской научно-практической конференции. 2018. С. 53–57.