Details

Объектом исследования является рабочее колесо центробежного компрессора. Предметом исследования являются конструктивные параметры ступицы рабочего колеса и их влияние на прочностные и технологические характеристики. Цель работы — снижение массы рабочего колеса центробежного компрессора за счёт совершенствования геометрии ступицы при обеспечении прочности, динамической устойчивости и технологичности изготовления. Выполнены одномерное проектирование и газодинамический (CFD) расчёт проточной части, конечно-элементный анализ напряжённо-деформированного состояния и модальный анализ исходного рабочего колеса. По выявленным зонам концентрации напряжений изменена геометрия ступицы: уменьшены толщина стенки и радиусы скругления, а в зоне сопряжения лопаток со ступицей введено переменное скругление. В результате масса колеса снижена с 29,52 до 23,31 кг (на 6,2 кг, около 21 %). Применение переменного скругления уменьшило максимальные эквивалентные напряжения со 123 до 113 МПа, что соответствует запасу по пределу текучести около 1,6. Сравнение диаграмм Кэмпбелла исходной и облегчённой конструкций подтвердило отсутствие резонансных режимов в рабочем диапазоне частот вращения, при этом собственные частоты повысились примерно на 10 Гц. Оценка технологичности показала реализуемость предложенных решений методами штамповки и последующей механической обработки. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и модернизации рабочих колёс центробежных компрессоров в машиностроении и энергетике. Область применения — компрессоростроение, энергетическое машиностроение, системы транспортировки газов.

The object of the study is the impeller of a centrifugal compressor. The subject of the study is the structural parameters of the impeller hub and their influence on strength and manufacturability characteristics. The purpose of the work is to reduce the mass of a centrifugal compressor impeller by improving the hub geometry while maintaining strength, dynamic stability and manufacturability. One-dimensional design, computational fluid dynamics (CFD) analysis of the flow path, finite-element analysis of the stress-strain state and modal analysis of the original impeller were performed. Based on the identified stress concentration zones, the hub geometry was modified: the wall thickness and fillet radii were reduced, and a variable fillet was introduced at the blade-to-hub junction. As a result, the impeller mass was reduced from 29.52 to 23.31 kg (by 6.2 kg, about 21%). The variable fillet decreased the maximum von Mises stresses from 123 to 113 MPa, corresponding to a yield safety factor of about 1.6. Comparison of the Campbell diagrams of the original and lightened designs confirmed the absence of resonance within the operating speed range, while the natural frequencies increased by approximately 10 Hz. The manufacturability assessment confirmed the feasibility of the proposed solutions using forming and machining processes. The obtained results can be used in the design and modernization of centrifugal compressor impellers in mechanical engineering and the energy industry. Field of application — compressor engineering, power engineering, gas transportation systems.