PL232251B1 - Sposób wykonania koła wirnikowego sprężarki promieniowej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonania koła wirnikowego do sprężarki promieniowej.

Znane są ze stanu techniki 3 technologie wykonania kół wirnikowych typu zakrytego do promieniowych sprężarek przepływowych. Koło wirnikowe typu zakrytego w swej konstrukcji posiada tarczę z piastą koła, łopatki oraz pokrywę. Łopatki wykonuje się metodą frezowania z materiału tarczy lub materiału pokrywy lub jako oddzielne. Następnie pokrywa lub tarcza jest łączona z łopatkami za pomocą:

• Spawania - metodą łukową, metodą TIG lub MAG • Nitowania - nity wykonywane z materiału łopatki lub jako oddzielne elementy • Lutowania próżniowego - lutowanie przy użyciu lutu na bazie 82% niklu i 18% złota

Każda z powyższych metod posiada szereg pewnych wad i ograniczeń, które eliminują możliwość jej dowolnego stosowania w każdej aplikacji koła lub jej stosowanie prowadzi do obniżenia sprawności lub wytrzymałości koła wirnikowego. Z punktu widzenia parametrów pracy koła wirnikowego najbardziej sprawnym oraz wytrzymałym jest wykonanie łączenia pokrywy z tarczą za pomocą lutowania próżniowego. Metoda ta ma jednak ograniczenia w postaci maksymalnej średnicy koła wirnikowego - praktycznie możliwe jest wykonanie do średnicy zewnętrznej kół wirnikowych 0 850 mm oraz nie może być stosowana w przypadku niektórych płynów, gdzie może dochodzić do korozji elektrochemicznej na styku łączonych warstw.

Łączenie elementów koła wirnikowego za pomocą nitowania jest najstarszą z metod i w obecnych nowoczesnych konstrukcjach stosowaną jedynie przy kołach wirnikowych największych gabarytów, gdzie łopatki są wykonywane jako oddzielnie profilowane w kształcie „Z” lub „C”. Taki kształt łopatek oraz ich sposób wykonania wpływa negatywnie na sprawność wewnętrzną koła wirnikowego, W niektórych aplikacjach stosowane jest nitowanie za pomocą oddzielnych nitów przechodzących na wskroś przez całą długość łopatki, nity zakuwane są wtedy zarówno od strony tarczy jak i od strony pokrywy. Jednak w przypadku tej technologii grubość łopatki jest zasadniczo większa niż wynikałoby to z samej konstrukcji kanału przepływowego i w ten sposób zmniejsza przelotność koła i powoduje obniżenie sprawności wewnętrznej. Koła wirnikowe w konstrukcji nitowanej mają obniżoną wytrzymałość.

Łączenie elementów koła metodą spawania tradycyjnego (spawanie elektrodą otuloną lub w osłonie gazów ochronnych) jest metodą mającą najszersze spektrum zastosowań. Wadą jednak tej metody są deformacje elementów koła wirnikowego podczas spawania - wprowadzana jest duża ilość energii cieplnej, co wpływa bardzo negatywnie na dokładności wykonania takich kół wirnikowych. Dodatkowo podczas spawania wprowadzane są naprężenia wewnętrzne po-spawalnicze i konieczne jest wykonywanie obróbki cieplnej odprężającej. W większości przypadków po spawaniu konieczne jest wykonywanie długotrwałej i skomplikowanej obróbki mechanicznej samego spawu, co podnosi koszty wykonania i wpływa negatywnie na dokładności wykonawcze. Metoda ta nie daje poza tym najlepszych efektów pod względem wytrzymałości złącza.

Z uwagi na występujące bardzo duże naprężenia wewnętrzne w kołach wirnikowych (koła wirnikowe poddawane są bardzo dużym obciążeniom od sił odśrodkowych, a prędkości liniowe zewnętrzne dochodzą do 340 m/s) celowym byłoby opracowanie konstrukcji koła wirnikowego, która pozwalałaby całkowicie wykorzystać właściwości wytrzymałościowe stosowanych materiałów, bez ograniczeń ze względu na metodę łączenia, tak, aby możliwe było uzyskanie wymaganych prędkości obrotowych dla koła przy zastosowaniu w szerokim spektrum mediów.

Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja koła wirnikowego zakrytego, złożona z tarczy wirnikowej wykonanej wraz z łopatkami metodą frezowania z materiału kutego i połączonej z pokrywą wykonaną również z materiału kutego za pomocą łączonego sposobu, polegającego na wstępnym lutowaniu próżniowym pokrywy do łopatek za pomocą spoiwa zawierającego 82% niklu i 18% złota, a następnie wykonaniu spawania próżniowego wiązką elektronów poprzez pokrywę, warstwę lutu oraz łopatki. Przy czym spawanie wykonywane jest w taki sposób, że warstwa przetopu nie jest ciągła na całej długości łopatki i składa się z kilku przetopów o ściśle określonej długości od 5 mm do 8 mm, pokazanych na Fig. 2 jako długość L. Pierwszy przetop od średnicy zewnętrznej koła wirnikowego zaczyna się w odległości 1 L do 1,5 L, a następnie odległości pomiędzy poszczególnymi przetopami wynoszą od 2 L do 3 L.

Korzystnie, konstrukcja elementów koła wirnikowego jest wykonana z kutego bloku stalowego o podwyższonej wytrzymałości poddanego obróbce skrawaniem.

Korzystnie, połączenie pokrywy koła z tarczą jest wykonane w próżni, co wpływa na czystość procesu i brak możliwości utleniania powierzchni koła wirnikowego.

PL 232 251 B1

Korzystnie, połączenie pokrywy koła z tarczą jest wykonywane za pomocą lutowania próżniowego oraz próżniowego spawania wiązką elektronów, co wpływa na zwiększenie wytrzymałości połączenia do wartości wytrzymałości materiału rodzimego koła wirnikowego.

Korzystnie, wykonanie próżniowego spawania wiązką elektronów powoduje wprowadzenie ujemnego rozkładu naprężeń wewnętrznych w strefie łączonych elementów, który wpływa na zmniejszenie stanu naprężeń podczas pracy koła wirnikowego w sprężarce przy obrotach nominalnych.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia koło wirnikowe typu zakrytego w widoku ogólnym.

Fig. 2 przedstawia widok tarczy koła wirnikowego z zaznaczonym rozkładem warstw przetopu oraz przekrojem przez połączenie pokrywy z łopatką.

Fig. 3 przedstawia widok przekroju połączenia koła wirnikowego.

Fig. 1 przedstawia schematycznie budowę kota wirnikowego typu promieniowego do sprężarki przepływowej. Na konstrukcję koła składa się tarcza koła wraz piastą, na której koło osadzane jest na wale sprężarki. Zasadniczym elementem funkcjonalnym koła wirnikowego są łopatki, które wykonywane są poprzez frezowanie z jednolitego materiału kutego wraz z tarczą koła. Oddzielnym elementem koła jest pokrywa, która zamyka kanał przepływowy w kole.

Fig. 2 przedstawia widok koła wirnikowego, będącego przedmiotem wynalazku od strony pokrywy koła oraz w przekroju przez łopatkę. W przedstawionej konstrukcji pokrywa koła jest łączona z łopatkami za pomocą metody lutowania próżniowego spoiwem na bazie 82%Ni-18%Au. Proces odbywa się w piecu próżniowym w kontrolowanej temperaturze 1030-1050^oC. W tej temperaturze spoiwo dyfunduje do materiału tarczy i materiału koła tworząc w tym miejscu spójną warstwę o wytrzymałości równej wytrzymałości materiału, z którego wykonane jest tarcza i pokrywa koła wirnikowego. Następnie po ochłodzeniu koła do temperatury minimum 50°C wykonywane jest, również w atmosferze próżni, spawanie pokrywy z tarczą za pomocą wiązki elektronów bez dodatku materiału trzeciego. Spawanie wiązką elektronów wykonywane jest w sposób ściśle kontrolowany tak, aby głębokość przetopu wynosiła 3 do 7 mm wysokości łopatki. Na widoku pokazany jest sposób wykonania ściegu poszczególnych przetopów. Dla każdej łopatki ściegi wykonywane są w sposób nieciągły, co ma na celu uzyskanie określonego p ola naprężeń w elementach łączonych. Jak pokazano na Fig. 2 każdy ścieg zaczyna się pierwszym przetopem w odległości 1 L do 1,5 L, gdzie L jest optymalną długością przetopu ciągłego i wynosi od 5 mm do 8mm. Następnie wykonywana jest przerwa w ściegu wynosząca od 2 L do 3 L, po której następuje kolejny przetop o długości L. Po tak wykonanym przetopie, w wyniku wywołanego skurczu warstwy przetapianej po ostygnięciu, następuję dodatkowe połączenie powodujące ściskanie pokrywy z łopatką. Opisana technologia wykonania przetopów jest wynikiem przeprowadzonych badań i doświadczeń i jest tak zoptymalizowana, że rozkład naprężeń ściskających w elementach łączonych jest optymalny. W wyniku tego uzyskany ujemny rozkład naprężeń powoduje obniżenie dodatniego rozkładu naprężeń rozciągających, które są następstwem sił działających na elementy kota wirnikowego podczas pracy. W ten sposób dzięki zastosowanej technologii dwu metod łączenia materiału, nowa konstrukcja koła wirnikowego uzyskuje większą wytrzymałość niż to jest możliwe w przypadku każdej innej metody. Dzięki ternu wykonane koło wirnikowe może być poddane znacznie większym obciążeniom, eta przekłada się na lepsze parametry sprężania.

Fig. 3 przedstawia przekrój koła wirnikowego poprzez warstwę wykonanego połączenia metodą lutowania próżniowego i próżniowego spawania wiązką elektronów. W przekroju widoczny jest charakterystyczny klinowy kształt przetopu wiązką elektronów. Przetop jest wykonywany przez całą grubość pokrywy koła wirnikowego oraz na głębokość od 3 mm do 7 mm od górnej krawędzi łopatki.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (7)

1. Sposób wykonania koła wirnikowego typu zakrytego do sprężarki promieniowej, składającego się z tarczy wraz ze zintegrowanymi łopatami oraz pokrywy połączonych tak, że najpierw pokrywa jest łączona z łopatkami za pomocą lutowania próżniowego lutem na bazie 82%Ni-18%Au, a następnie wykonywane jest spawanie próżniowe pokrywy wiązką elektronów.

2. Sposób wykonania koła wirnikowego według zastrz. 1, znamienny tym, że pokrywa koła wirnikowego jest łączona przy użyciu wspólnego zastosowania metody lutowania próżniowego a następnie próżniowego spawania wiązka elektronów.

PL 232 251 B1

3. Sposób wykonania koła wirnikowego według zastrz. 1, znamienny tym, że próżniowe spawanie wiązką elektronów pokrywy wykonane jest w sposób nieciągły, a poszczególne przetopy w każdym ściegu oddzielone są od siebie przerwami.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że długość poszczególnych przetopów ciągłych wynosi od 5 mm do 8 mm.

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że pierwszy przetop zaczyna się w odległości 1 L do 1,5 L, gdzie L jest długością przetopu ciągłego i wynosi od 5 mm do 8 mm.

6. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że drugi i każdy następny przetop zaczyna się w odległości 2 L do 3 L od przetopu poprzedzającego, gdzie L jest długością przetopu ciągłego i wynosi od 5 mm do 8 mm.

7. Sposób wykonania koła wirnikowego według zastrz. 1, znamienny tym, że głębokość, warstwy przetopu wykonanego metodą próżniowego spawania wiązką elektronów sięga na głębokość od 3 mm do 7 mm od górnej krawędzi łączonej łopatki.