ротор турбины компрессора

Когда говорят про ротор турбины компрессора, часто думают, что главное — балансировка и аэродинамика. Но на деле, если отливка кривая или материал не выдерживает циклических нагрузок, все эти расчеты — впустую. У нас в цехе случалось, что роторы из шаровидного графита трескались после 200 часов работы — не из-за конструкции, а из-за скрытых раковин в отливке.

Литейные дефекты и их влияние на ротор

Взяли как-то партию отливок от АО Шаньси Боин Литье — вроде бы по спецификации всё сходилось, высокопрочный чугун, но при фрезеровке лабиринтных уплотнений заметили неоднородность структуры. Металлограф показал, что в зоне ступицы есть участки с ликвацией графита. Для ротора турбины компрессора это критично: при раскрутке до 12–15 тысяч об/мин такие неоднородности ведут к вибрациям, которые не устранить балансировкой.

Пришлось дорабатывать техпроцесс — увеличили время выдержки в форме, добавили контролируемое охлаждение. Кстати, на их сайте https://www.byzz.ru указано, что они делают отливки для воздушных компрессоров, но по факту нужно всегда проверять, подходят ли их марки чугуна именно для роторных применений. У них есть серый чугун СЧ20, но для динамических нагрузок лучше брать ВЧ50 или ВЧ60 — прочность на разрыв выше.

Один раз попробовали сэкономить — заказали роторы из СЧ25 для малонагруженного винтового компрессора. Через три месяца эксплуатации лопнула лопатка. Разбор показал: усталостная трещина пошла от раковины размером всего 0,8 мм. Вывод — даже для низкооборотных роторов нельзя игнорировать контроль литья ультразвуком.

Балансировка и монтажные допуски

Балансируем роторы обычно в двух плоскостях, но если геометрия отливки неидеальна — например, конусность вала больше 0,02 мм на 100 мм длины — то даже идеальная балансировка не поможет. При нагреве до рабочих 120–150°C появляется биение, которое давит на подшипники. Особенно это заметно на турбокомпрессорах с частотой вращения свыше 20 тыс. об/мин.

Как-то раз собирали агрегат для газоперекачки — ротор от АО Шаньси Боин Литье вроде прошел приемку, но при первом пуске пошла вибрация на 2-й гармонике. Оказалось, проблема в посадочных поверхностях под диски — при термоусадочной сборке возникли микросмещения. Пришлось шлифовать вал по месту, терять время.

Сейчас всегда требуем от литейщиков прикладывать протоколы контроля твёрдости по сечениям. Если в теле ротора разброс больше 20–25 HB, это прямой риск для ресурса. У них в ассортименте есть высокопрочный чугун с шаровидным графитом — в теории он должен давать стабильные характеристики, но на практике нужно проверять каждую плавку.

Термообработка и остаточные напряжения

После литья роторы всегда нормализуют — но если режим не выдержан, возникают напряжения, которые потом ?ведут? деталь при механической обработке. Был случай: проточили вал под посадку рабочего колеса, через сутки замеры показали +0,05 мм на диаметре — отпускные напряжения сработали.

Для ответственных роторов турбины компрессора мы теперь дополнительно делаем стабилизирующий отжиг — держим при 550–600°C часов 6–8. Это удорожает процесс, но снижает брак при финишной обработке. Кстати, у АО Шаньси Боин Литье в описании продукции не указано, делают ли они термообработку в печах с защитной атмосферой — а это важно для избежания обезуглероживания поверхностей.

Ещё нюанс — при закалке ТВЧ шеек вала иногда появляются микротрещины в зонах перехода. Обнаружили только после травления — визуально не видно. Теперь перед сборкой обязательно делаем магнитопорошковый контроль даже для роторов неответственных компрессоров.

Эксплуатационные проблемы и доработки

На газоперекачивающих станциях часто сталкиваемся с эрозией лопаток — особенно если в газе есть примеси. Ставили роторы из ВЧ60 — держались неплохо, но через 2–3 года всё равно нужна наплавка. Пробовали наплавлять стеллитом, но это дорого и требует перебалансировки.

Один раз экспериментировали с ротором, где диски были выполнены как отдельные отливки, а затем напрессованы на вал. Конструкция в теории ремонтопригоднее, но на практике появились фреттинг-коррозия в местах посадки. Пришлось переходить на цельнолитые варианты — моноблоки хоть и сложнее в изготовлении, но надёжнее.

Сейчас многие пытаются переходить на стальные роторы для высокоскоростных применений, но чугун всё ещё выигрывает по демпфирующим свойствам — вибрации гасятся лучше. Для винтовых компрессоров среднего давления, думаю, высокопрочный чугун останется основным материалом ещё лет 10–15.

Контроль качества и приёмочные испытания

Всегда спорю с ОТК — они требуют проверять роторы по чертежу, но некоторые дефекты проявляются только в работе. Например, дисбаланс, который возникает после прогрева — его не поймаешь на холодной балансировочной машине. Пришлось внедрить горячую обкатку на стенде — крутим 2 часа под нагрузкой, потом замеряем биение.

У АО Шаньси Боин Литье вроде есть своя лаборатория, но по опыту — лучше дублировать ключевые испытания у себя. Особенно проверку ударной вязкости — для роторов, работающих в условиях пульсирующих нагрузок, это критичный параметр.

Сейчас вот внедряем акустическую эмиссию для контроля роторов после механической обработки — метод дорогой, но позволяет выявить микротрещины, которые УЗИ не всегда видит. Для ротора турбины компрессора с частотой вращения под 30 тыс. об/мин такой контроль уже не роскошь, а необходимость.