Применение аддитивных технологий при изготовлении рабочих колес микротурбинных установок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7

ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ РАБОЧИХ КОЛЕС МИКРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

М. А. Ермаков, А. В. Тоньшина, И. Ю. Ермиенко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: mark.ermakov@gmail.com

Рассматривается возможность применения аддитивных технологий при изготовлении экспериментальных образцов рабочих колес и направляющих аппаратов микротурбинных установок. Применение аддитивных технологий позволяет создавать рабочие колеса с заданным профилем лопатки в кратчайшие сроки.

Ключевые слова: аддитивные технологии, FDM, SLA, 3d-печать, микротурбинные установки, физическое моделирование.

APPLICATION OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN THE MANUFACTURING OF MICROTURBINE WORKING WHEELS

M. A. Ermakov, A. V. Tonshina, I. Yu. Yermiyenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: mark.ermakov@gmail.com

Present article considers possibilities of applying additive technologies in the manufacture of experimental samples of microturbine working wheels and guiding devices. Additive technologies allows the creation of working wheels with a given blade profile in the shortest possible time.

Keywords: additive technologies, FFF, SLA, 3d-printing, microturbine units, physical modeling.

Физическое моделирование энергетических установок различных типов составляет существенную часть объема экспериментальных исследований. Основными задачами физического моделирования являются оценка энергетической эффективности, границ работоспособности и особенностей функционирования установок [1]. При этом возникают задачи проектирования и изготовления экспериментальных образцов, которые требуют оперативного решения. Аддитивные технологии позволяют в кратчайшие сроки решить данный вопрос.

В настоящей работе рассматривается применение аддитивных технологий для изготовления экспериментальных рабочих колес микротурбинных установок. Микотурбинные установки предназначены для выработки электрической энергии. В настоящее время это направление исследований является особенно актуальным в связи с наметившейся тенденцией модернизации энергетической отрасли как в России, так и за рубежом.

Основной элемент установки - рабочее колесо, которое преобразует кинетическую энергию потока в механическую энергию на валу. Вследствие компактности размеров микротурбинные установки не имеют ограничений в выборе мест для монтажа, мобильны и автономны [2].

Ввиду сложности протекающих в узлах микротурбин газодинамических процессов физический экспе-

римент является одним из основных способов их проектирования и исследования. Значительный объем вариантов конфигурации проточной части обуславливает необходимость задействования большого числа экспериментальных сборок [3]. В этой связи вопрос изготовления деталей экспериментальных микротурбинных узлов стоит особенно остро.

Одним из эффективных направлений реализации технологии изготовления деталей для экспериментальной микротурбинной установки является применение технологий прототипирования, таких как FDM-и SLA-печать.

FFF-технология (Fused Filament Fabricating, изготовление методом наплавления материала) набирающая все большую популярность в самых разных отраслях, таких как: прототипирование, макетирование, протезирование, машиностроение, авиастроение и др., представляет собой технологию, позволяющую с минимальными затратами и отходами изготовить деталь из большого спектра полимерных материалов, таких как: PLA (полилактид), ABS (акрилонитрилбу-тадиенстирол), РЕТ(полиэтилен), SBS(сополимер бутадиенстирол), HIPS (ударопрочный полистирол) и др. [4]. На рис. 1 отображается разница между идеализированной трехмерной моделью изделия и смоделированным результатом 3d-печати. На рис. 2. представлено изготовленное методом 3d-печати рабочее колесо.

Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения

Рис. 1. Сравнение идеализированной трехмерной модели рабочего колеса микротурбинной установки с результатами компьютерного моделирования 3(!-печати изделия

Рис. 2. Изготовленное методом 3Б-печати колесо микротурбинной установки

Качество, шероховатость поверхностей и отклонение прототипа от чертежа - зависит от уровня и стоимости оборудования, на котором непосредственно будет происходить изготовление. Но, тем не менее, даже З^принтеры любительского сегмента позволяют изготавливать различные изделия с отклонениями не более чем десятые доли миллиметра. Шероховатость при этом достигается химическими или слесарными методами, которые более подробно будут описаны в материалах конференции.

8ЬЛ-технология (Stereolithography, лазерная сте-реолитография) в свою очередь, использует менее известные материалы - так называемые фотополимеры, имеющее свойство отвердевать под действием ультрафиолетового излучения.

Главные преимущества этой технологии, относительно ББР - наилучшее качество поверхности и точность изготовления; недостатки - дороговизна обору-

дования и исходного материала. Технология SLA, помимо тех отраслей, в которых применяется FFF, большую известность и применение получила в медицине и протезировании [5].

Таким образом, применение аддитивных технологий позволяет качественно и в кратчайшие сроки создавать рабочие колеса микротурбинных установок с заданным профилем лопатки.

Библиографические ссылки

1. Баренбойм А. Б. Малорасходные фреоновые турбокомпрессоры. М. : Машиностроение, 1974. 224 с

2. Пфлейдерер К. Л. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М. : Гостехиздат, 1960. 684 с.

3. Теория пространственного пограничного слоя в гидродинамике турбомашин : монография / А. А. Кишкин, В. П. Назаров, Д. А. Жуйков, и др. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. 250 с.

4. Зеленко М. А., Нагайцев М. В., Добвыш В. М. Аддитивные технологии в машиностроении : пособие для инженеров. М. : ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с.

5. Шишковский И. В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. СПб. : Питер, 2015. 348 с.

References

1. Barenbojm A. B. Maloraskhodnye freonovye tur-bokompressory [Low-Flow Freon Turbochargers]. Moscow, Mashinostroenie Publ, 1974. 224 p.

2. Pflejderer K. L. Lopatochnye mashiny dlya zhid-kostej I gazov [Turbines For Liquids and Gases]. Moscow, Gostekhizdat Publ, 1960. 684 p.

3. Kishkin A. A., Nazarov V. P., Zhujkov D. A., Chernenko D. V. Teoriya prostranstvennogo pogranich-

nogo sloya v gidrodinamike turbomashin: monografiya [Theory of the spatial boundary layer in the hydrodynamics of turbomachines: monograph]; Krasnoyarsk, SIBGAU Publ, 2013. 250 p.

4. Shishkovskij I. V. Osnovy additivnyh tekhnologij vysokogo razresheniya. [Basics Of Additive Highresolution Technologies] St. Petersburg, Piter Publ, 2015. 348 p.

5. Zelenko M. A., Nagajcev M. V., Dobvysh V. M. Additivnye tekhnologii v mashinostroenii. Posobie dlya inzhenerov [Additive Technologies In Mechanical Engineering. Manual For Engineers]. Moscow, GNC RF FGUP «NAMI» Publ, 2015. 220 p.

© Ермаков М. А., Тоньшина А. В., Ермиенко И. Ю., 2018