Рабочие колеса закрытого типа

Вот уже лет десять работаю с рабочими колесами закрытого типа, а до сих пор встречаю инженеров, уверенных, будто главное в них — исключительно геометрия лопаток. На деле же, если брать наш последний проект для насосов теплообменных станций, именно сварные соединения спирального отвода оказались критичнее любого CFD-моделирования. Помню, в 2019-м на испытаниях в Новосибирске как раз из-за микротрещин в зоне примыкания к ступице мы потеряли 12% КПД — и это при идеально просчитанных углах атаки.

Конструкционные особенности, которые не всегда очевидны

Когда говорят про рабочие колеса закрытого типа, часто упускают разницу в обработке торцевых уплотнений. У нас на производстве в ООО Дунгуань Кэхуатун Электроника Технологии для серии HTR-340, например, пришлось вводить дополнительную операцию — полировку с контролем шероховатости Ra 0.4. Без этого при оборотах выше 6000 в минуту начиналась кавитация даже на чистой воде.

Кстати, про материалы: импортозамещение заставило пересмотреть подход к литью. Вместо стандартного G-X40CrNiMo27 перешли на 20Х13Л, но пришлось корректировать режимы термообработки — иначе на границах лопаток появлялись ликвационные полосы. На сайте dgkhtparts.ru мы выложили сравнительные тесты по усталостной прочности, там видно, где новые образцы выигрывают, а где проигрывают.

Еще один нюанс — балансировка. Закрытая конструкция усложняет доступ к противовесам, поэтому мы давно перешли на систему съемных технологических окон. Не идеально, конечно: бывает, после сборки приходится разбирать, если дисбаланс выходит за 0.5 г·мм/кг. Зато ремонтопригодность выше.

Ошибки монтажа, которые дорого обходятся

В прошлом году поставили партию рабочих колес закрытого типа для нефтехимического комбината под Омском. Через три месяца — звонок: вибрация нарастает с каждой неделей. Приехали, вскрыли — оказалось, монтажники не выдержали зазор между задним диском и корпусом насоса, уперли колесо в уплотнение. Результат — эллипсность посадочного места и необходимость замены всего узла.

Теперь всегда в техзадании прописываем не только допуски, но и последовательность затяжки крепежа. Кстати, наш отдел разработки даже сделал памятку с типовыми косяками — она доступна на dgkhtparts.ru в разделе документации. Там, среди прочего, разобраны случаи неправильной установки стопорных колец и последствия перетяжки шпоночных соединений.

Еще из практики: никогда не доверяйте контрольные замеры монтажникам. В том же омском случае зазоры проверяли штангенциркулем, хотя по паспорту нужен был нутромер с ценой деления 0.01 мм. Разница всего в полмиллиметра — и насос вместо заявленных 85% КПД выдавал не более 72%.

Специфика применения в разных отраслях

Для химической промышленности рабочие колеса закрытого типа — часто единственный вариант из-за требований к герметичности. Но здесь своя головная боль — стойкость к агрессивным средам. Мы как-то ставили эксперимент с покрытием из карбида вольфрама: в лаборатории держал прекрасно, а в реальных условиях с сернокислотными растворами через полгода началось отслоение по кромкам лопаток.

Совсем другие требования в ЖКХ — там важнее стойкость к абразивному износу. Для водопроводных станций мы стали делать напыление из карбида хрома, но и тут не без компромиссов: толщина слоя съедает проточный зазор, приходится заранее закладывать поправку в геометрию.

А вот для судовых систем охлаждения главная проблема — кавитация в условиях качки. Тут стандартные рабочие колеса закрытого типа не всегда подходят, приходится увеличивать угол наклона лопаток в периферийной зоне. Правда, это снижает напорные характеристики — вечный компромисс.

Технологические ограничения и как их обходить

Литье по выплавляемым моделям — классика для рабочих колес закрытого типа, но с крупными диаметрами (от 500 мм) начинаются проблемы с усадочными раковинами. Мы в ООО Дунгуань Кэхуатун Электроника Технологии для таких случаев разработали систему подпитки с компьютерным моделированием тепловых полей. Не дешево, зато брак упал с 18% до 3-4%.

Еще сложнее с прецизионной обработкой каналов. Пятиосевые станки решают не все — например, в зоне перехода от входа к лопаткам часто остаются следы от переустановки. Приходится дополнять ручной доводкой, что, конечно, удорожает конструкцию часов на 20-30 нормо-часов.

Кстати, про точность: многие заказчики требуют соблюдения 7-й степени точности по ГОСТ, но на практике для большинства применений хватает и 8-й. Разницу в КПД там в пределах погрешности измерений, а стоимость производства ниже на 15-20%. Мы на dgkhtparts.ru даже выкладывали сравнительную таблицу — специально для тех, кто хочет сэкономить без потери функциональности.

Перспективы и тупиковые ветви развития

Сейчас многие увлеклись аддитивными технологиями для рабочих колес закрытого типа. Мы тоже пробовали — напечатали несколько вариантов из инконеля. По прочности вышло неплохо, но шероховатость внутренних полостей не позволяет использовать без последующей механической обработки. А она сводит на нет все преимущества 3D-печати.

Более перспективным кажется направление гибридных конструкций — когда ступицу и лопатки делают разными методами, потом соединяют диффузионной сваркой. Правда, пока это дорого и требует спецоборудования, которое есть далеко не на каждом производстве. В нашем центре в Сунху Чжигу как раз ведем НИР по этой теме — если получится снизить себестоимость, может совершить маленькую революцию в отрасли.

А вот от идеи композитных рабочих колес закрытого типа для высоконапорных применений мы постепенно отказываемся. Слишком много проблем с ползучестью материала и адгезией к металлическим втулкам. Лучше уж работать над оптимизацией проверенных решений — теми же методами топологической оптимизации можно выжать еще 2-3% КПД без радикального изменения конструкции.

Взаимодействие с другими компонентами системы

Частая ошибка — рассматривать рабочие колеса закрытого типа как независимый компонент. На деле их характеристики сильно зависят от подводящего устройства. Мы как-то поставили партию для циркуляционных насосов — все по чертежам, все в допусках. А при испытаниях оказалось, что предвключенный обратный клапан создает такое закрученное течение, что КПД проседает на 7%.

Еще важнее согласование с уплотнениями. С механическими торцевыми уплотнениями проблем меньше, а вот с сальниковыми набивками бывают нюансы — особенно если вал имеет осевое смещение при температурных деформациях. Для таких случаев мы рекомендуем увеличивать зазор между задним диском и корпусом на 0.1-0.15 мм против стандартного.

И никогда не экономьте на присоединительных размерах. Был случай, когда заказчик сэкономил на шпоночных пазах — сделал по старому ГОСТ вместо указанного в ТУ. Вроде мелочь, а пришлось переделывать всю партию — из-за биения на рабочих режимах появилась усталостная трещина в районе ступицы.