НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ РОТОРНОГО КОМПРЕССОРА ТИПА «РУТС»

В качестве предпосылки к постановке задачи для проектирования воздуходувки Рутса можно принять запрос о возможности изготовления данного оборудования, поступивший в службу маркетинга ОАО «СНПО им. М.В. Фрунзе» из Старо Оскольского металлургического комбината. В номенклатуре ОАО «СНПО им. М.В. Фрунзе» есть компрессорное оборудование, к которому относится и воздуходувка Рутса. Однако такие изделия как воздуходувки ранее не выпускались. После проведения предварительных исследований выяснилось, что на запрашиваемые параметры (производительность – 101,6 м3/мин., перепад давления – 0,933 кгс/см2, частота вращения роторов – 985 об./мин., потребляемая мощность – 208 кВт, температура на входе - 57С) они не разрабатывались и в странах, входивших в СССР. Исследовательские работы проводились, однако дальше единичных образцов, предназначенных больше для эксперимента, чем для серийного производства в СНГ не пошли. На металлургических комбинатах, где по технологической схеме возникала необходимость подачи и переброски большого количества воздуха или газа, использовались воздуходувки импортного производства. Высокие требования к технологии производства и точности станочного оборудования были основной причиной отказа выпуска воздуходувок отечественной промышленностью.

Специалистам нашего предприятия была поставлена задача в короткие сроки в условиях жесткой конкуренции с зарубежными фирмами, провести исследования, сделать расчеты и разработать техническую и конструкторскую документацию воздуходувки на заданные заказчиком параметры.

Для детального изучения вопроса в Старый Оскол выехали представители конструкторского подразделения ОАО «СНПО им. М.В. Фрунзе» и на месте ознакомились с условиями работы воздуходувок, установленных в технологической линии подготовки сырья для выплавки стали. Тяжелые режимы работы данного оборудования и дополнительные требования заказчика, стали основными моментами, определившими в дальнейшем конструкцию и выбор материалов проточной части. Необходимость беспрерывного поддержания технологического процесса, высокий износ внутренней поверхности в результате прохождения горячей пылегазовой смеси по каналам, и как следствие выход из строя оборудования определили основные требования заказчика – высокая надежность, соответствие параметров, ремонтопригодность и точная привязка к технологической схеме. По результатам поездки было составлено техническое задание, определены вопросы финансирования и уточнены сроки выполнения заказа.

После изучения материалов договора и технического задания возникла необходимость провести обзор всей доступной технической информации по данной тематике. В результате был внесен на обсуждение и проанализирован ряд технических решений, определивших объем и направления работ. Была предложена трехлопастная («тройка» с окружным профилем зацепления) форма ротора в отличие от двухлопастной «восьмерки», примененной в воздуходувке немецкого производства, установленной в Старом Осколе. Такая конструкция дает ряд преимуществ в части улучшения вибрационных характеристик. Однако при этом возникают сложности в точном изготовлении рабочей поверхности (рис. 1) «тройки». Решение этой задачи определяет эффективность работы машины.

На всех фазах поворота ротора должна обеспечиваться необходимая степень разобщенности полостей (с учетом впрыска воды). При этом во избежание появления источников вибрации зазор между рабочими поверхностями корпуса и ведущего и ведомого роторов должен оставаться постоянным по всей длине [1]. Большой объем параметрических и прочностных расчетов, необходимость разработки пространственной модели проточной части потребовали применения новых программ. В короткие сроки они были разработаны и протестированы. С помощью графических редакторов, позволяющих «обкатать» роторы на всех углах их взаимного положения были уточнены все точки поверхности. Произведены расчеты тепловых расширений, что должно обеспечивать функциональность и эффективность работы воздуходувки при указанных температурных режимах. Были произведены прочностные расчеты элементов конструкции всей машины и расчеты гидравлических систем подачи масла в зоны синхронизирующих шестерен, опорных подшипников, системы охлаждения и запирания торцовых уплотнений, подачи воды в лабиринтные уплотнения и впрыск воды в рабочую полость воздуходувки.

Для того чтобы сохранить производительность, равную воздуходувкам с двухлопастными роторами, потребовалось увеличивать длину и наружный диаметр трехлопастных роторов. Это повлекло за собой внесение ряда новых конструктивных решений позволивших сохранить все присоединительные размеры с минимальными отклонениями в габаритах машины. На этом этапе технического проектирования были внесены существенные изменения, в конструкцию позволившие (по требованию заказчика) создать роторные и статорные части воздуходувки из нержавеющей стали. Сложность в решении этой задачи определялась технологичностью изготовления литых деталей корпуса и проставок, в которых установлены торцовые уплотнения. Эти детали массивные и имеют сложную конфигурацию с системой ребер жесткости, перемычек (максимально облегчающих конструкцию с сохранением ее прочности) и мест установки крепежа и центровки роторов. К тому же в проставках предусмотрена система переводных каналов для подвода, сбора и отвода технологических жидкостей. При разработке технического проекта были учтены все требования заказчика по доступности и ремонтопригодности узлов воздуходувки, хотя некоторые из них привели к усложнению конструкции и принятию нестандартных решений. Была решена и важнейшая задача центровки и взаимного расположения роторов со статорной частью. Фланцевое соединение корпусных деталей, не предусматривает установку уплотнений и изготовления посадочных поверхностей. Это привело к необходимости точной и надежной центровки. Решение было найдено за счет применения конических штифтов. Для подачи масла в гидравлические системы первой и второй ступеней воздуходувок применен шестеренный маслонасос из номенклатуры завода. Он крепится на крышке корпуса и приводится в движение за счет муфтового соединения с ведомым ротором воздуходувки.

Как было указано выше, при разработке конструкции необходимо было учитывать возможности технологии. Таким образом, параллельно решались два вопроса – функциональность и технологичность конструкции, с учетом возможного серийного производства. При необходимости реализации такой перспективы необходимо будет решить ряд дополнительных вопросов, что позволит произвести модернизацию и уменьшение себестоимости воздуходувки типа «Рутса».

Это вопросы:

- получения качественного литья корпусных деталей из нержавеющей стали;

- повышения точности механической обработки сложных геометрических поверхностей большой площади;

- повышения качества и технологичности сборки всей конструкции и ее отдельных узлов.

На данном этапе эти вопросы были успешно решены в максимальном объеме.

Разработка конструкторской документации и изготовление нового оборудования тесно связаны со всеми предыдущими этапами в части получения конечного продукта.

После выдачи документации и расцеховки проводился авторский надзор за изготовлением наиболее важных элементов конструкции воздуходувки. Отмечались недостатки технологии и фиксировались конструкторские недоработки. Такой подход позволил устранить ряд неточностей и составить перечень вопросов и методы их решения на этапе возможного дальнейшего освоения выпуска данной новой продукции.

В качестве примера приведем процесс изготовления корпуса воздуходувки. С целью приведения в соответствие с требованиями заказчика массогабаритных показателей машины и уменьшения припусков на механическую обработку корпус изготавливался с минимально-необходимой толщиной стенок. Для сохранения жесткости были применены внешние элементы конструкции в виде ребер, обеспечившие достаточную прочность корпуса после сборки. Однако процесс изготовления осложнялся тем, что отдельно корпус не имеет прочности гарантирующей сохранение геометрии на различных технологических циклах. После литейных и сварочных работ проводились термообработки для снятия внутренних напряжений. Механическая обработка корпуса, обеспечивающая точность сборки и функциональность рабочих органов, проводилась с применением приспособлений по строгой расчетной технологической схеме.

Маршрут изготовления сварно-литого корпуса был выбран с учетом обеспечения минимальных припусков при мехобработке и определения оптимальных схем наложения валиков при сварке патрубков и лап для уменьшения пластических и остаточных деформаций. Для этого кафедрой Динамика машин и прочность Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» под руководством д.т.н. проф. Львова Г.И. был выполнен расчет напряженно-деформированного состояния корпуса компрессора с использованием твердотельной модели (рис. 2).

Были успешно решены сложные технологические задачи по изготовлению роторов и торцевых уплотнений [2].

После изготовления опытного образца была уточнена, разработанная ранее, программа и методика испытаний воздуходувки Рутса, подготовлен стенд, позволяющий в наиболее полном объеме исследовать работу всех узлов и деталей. Было решено проводить испытание изделия на частоте меньшей от номинальной (750 об./мин.) с последующим пересчетом параметров на частоту эксплуатации. На первом этапе отмечалась повышенная вибрация, причины которой были выявлены и устранены. Проведена проверка работоспособности воздуходувки в течение 72 часов, отрегулирована подача масла и воды. После обкатки проведены параметрические испытания в присутствии представителя заказчика. Каждый этап испытаний завершался ревизией деталей. Разрушений и деформаций не обнаружено. При этом подтвердилась возможность многократной разборки, контроля и доступа к основным деталям, без ухудшения общей характеристики машины. Воздуходувка тип «Рутс» (рис. 3) показала совпадение расчетных и экспериментальных параметров, на основании чего был составлен и подписан акт приемки.

В соответствии с условиями договора была проведена поставка воздуходувки на Старо Оскольский металлургический комбинат и ее монтаж специалистами изготовителя в линию подачи газа. После пробных запусков в натурных условиях эксплуатации выявились незначительные отклонения, которые были устранены с помощью доработок и регулировок.

Отмечена стабильность в работе и значительное снижение уровня шума, по сравнению с двухлопастными воздуходувками. По результатам обкатки машины в номинальном режиме представителями заказчика и изготовителя составлен и подписан акт приемки оборудования.

По результатам проведенных работ составлен отчет с анализом функциональности деталей, узлов и конструкции в целом. Такой подход позволит в дальнейшем внести ряд изменений в конструкцию воздуходувки повышающих ее надежность и технологичность.

Много трудностей было связано с постановкой нового оборудования на производство, однако наработанный опыт позволяет с уверенностью заявить о возможности успешного освоения данной продукции на ОАО «СНПО им. М.В. Фрунзе». В перспективе возможен выпуск новых машин, разработки конструкций которых уже ведутся.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004