Низконапорные турбины из композита

Уровень развития турбомашиностроения наряду с другими техническими и экономическими показателями определяет степень промышленного развития и интеллектуальный потенциал любой экономически развитой системы.

Низконапорные турбины осевого или центробежного типа находят широкое применение во всех отраслях хозяйственной деятельности в качестве рабочего органа вентиляторов, насосов, турбокомпрессоров и т.п.

До недавнего времени рабочие лопатки осевых вентиляторов местного и главного проветривания шахт, метрополитенов, тоннелей - выполнялись из стали, магниевых или алюминиевых сплавов. Рабочие колеса насосов, как правило отливаются из стали или чугуна. Основными недостатками подобных конструкций служат трудоемкость изготовления и большая масса турбины.

В ООО СКБ «Мысль» в течение последних 2-х лет проведена большая работа по исследованию, проектированию, изготовлению и испытаниям рабочих лопаток осевых вентиляторов и рабочим колесам центробежного типа для вентиляторов и насосов из композиционных материалов (стеклопластиков).

Расчет напряженно-деформированного состояния рабочей лопасти осевого вентилятора диаметром 2,4 метра, выполненной с использованием программы APM Structure 3D, показал, что уровень численных значений напряжений ни в одном расчетном случае не превысил допускаемых значений, а запас прочности превышает 200% - для самого критичного случая нагружения лопаток (рис.1)

При этом рассчитывались различные варианты изготовления лопастей: обычный, усиленный и облегченный (пустотелый). Под эти же варианты лопаток была разработана технология изготовления, включающая как варианты ручного ламинирования при единичном или мелкосерийном производстве, так и вариант массового производства методом прессования.

Проведены испытания лопаток на термостойкость, электро-искро-безопасность и прочностные испытания материала на предмет соответствия различных типов стеклонаполнителей (рогожи, стеклоткань, стекломат, ровинг) требуемым критериям прочности.

Изготовленные лопатки для разных типов вентиляторов подвергались испытаниям на разрывном стенде, имитирующим действие центробежных нагрузок при вращении ротора вентилятора. Испытания подтвердили результаты расчетов и показали высокую прочность лопаток, многократно превышающую требуемые характеристики.

В настоящее время мы производим лопасти для различных типов вентиляторов с диаметром рабочего колеса от 0,5 до 2,4 м небольшими сериями методом прессования, и лопасти градирни длиной до 2-х метров - методом ламинирования (рис. 2).

Работа наших лопаток в течение 3-х лет, подкрепленная положительными отзывами потребителей, при условии непрерывного совершенствования технологии производства, оптимизации структуры материала и расширении функциональных возможностей путем применения специальных видов покрытий, подтверждают правильность изначально заложенных в конструкцию технического потенциала и направлений развития данного вида изделий. Обобщая накопленный опыт, мы приступили к разработке вентиляторов нового типа – облегченной конструкции по новой конструктивной схеме с повышенными эксплутационными показателями.

Нами подготовлено к промышленным испытаниям рабочее колесо насоса осевого типа, предназначенного для перекачки загрязненных жидкостей на химическом производстве, вместо эксплуатировавшегося ранее колеса из нержавеющей стали.

Отдельная и очень интересная тема исследований и разработок, это тема изготовления рабочих колес центробежного типа для вентиляторов и насосов.

В этом плане в СКБ «Мысль» также накоплен большой научный и производственный опыт в практическом внедрении рабочих колес центробежного типа из композитов.

Совместно с ООО «Полифэн», мы разработали конструкцию, изготовили и провели сертификационные, включая аэродинамические испытания центробежного вентилятора с диаметром рабочего колеса 0,3 метра, выполненного целиком из композиционных материалов (рис 3).

Испытания подтвердили соответствие вентилятора выбранной аэродинамической схеме, при этом по сравнению с металлическим аналогом, было отмечено снижение уровня звуковой мощности, более высокие значения удельной гидравлической мощности, значительно меньшие значения передаваемой вибрационной мощности за счет снижения массы рабочего колеса и демпфирующих свойств рамы вентилятора, выполненной из композита. Отпадает необходимость в электрозащите конструкция вентилятора, т.к. материал обладает необходимой диэлектрической прочностью и защищает человека от несанкционированного перехода напряжения на конструкцию.

Однако, на наш взгляд, перспектива широкого использования вентиляторов из композиционных материалов связана не только с лучшими эксплутационными характеристиками по сравнению с вентиляторами выполненными из металла, а возможностью, варьируя составом композита, получать конструкции максимально соответствующие условиям эксплуатации и характеристикам перекачиваемой среды; искробезопасные, химстойкие, негорючие, антиадгезионные, износоустойчивые, и т.п., или сочетающими перечисленные свойства..

Вентиляторы, предназначенные для работы с химически активными газами, традиционно выполняются из нержавеющей стали, алюминиевых сплавов или титана. Последние – очень дороги. Вентиляторы из нержавеющей стали подвержены интенсивному химическому разрушению в области сварных швов, не смотря на все достижения в области оптимизации сварочного процесса. Алюминиевые вентиляторы могут работать не во всех средах, подвержены окислению в случаях наличия абразива в воздушной среде и т.п.

Вентиляторы из химстойкого композита лишены всех вышеперечисленных недостатков, а по химической стойкости практически не имеют себе аналогов. Важно отметить и существенное снижение стоимости вентиляторов из композита по сравнению с нержавеющими, алюминиевыми, и тем более, титановыми исполнениями.

В настоящее время нами изготовлены и проводятся промышленные испытания рабочие колеса из химстойкого композита диаметром 1,3 метра на откачке газов от ванн травления (рис.4). Аналог из нержавеющей стали, проработал в данных условиях около 2-х лет, при этом приходилось регулярно восстанавливать сварные соединения и чистить колесо от налипания. Первые замеры параметров вентилятора с новым рабочим колесом показали повышение на 10% производительности вентилятора, что может быть объяснено оптимизацией проточной части колеса, снижением уровня гидравлических потерь в вентиляторе.

Директор ООО СКБ «Мысль», к.т.н. Холодников Ю.В.