автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка эффективных режимов скоростного индукционного нагрева изделий с учетом термических напряжений

На правах рукописи

Лепешкин Александр Роальдович

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ СКОРОСТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ С УЧЕТОМ ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05 09 10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2007

003060981

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) и в Центральном институте авиационного моторостроения им ПИ Баранова

Научный консультант

Доктор технических наук. профессор Ку валдин Александр Борисович Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Волохонский Лев Аврамович Доктор технических наук, профессор Чередниченко Владимир Семенович Доктор технических наук профессор Качалов Александр Николаевич

Ведущая организация - ОАО НПО "ЦНИИТМАДГ

Защита диссертации состоится « 28 » сентября 2007 г в 14 час 00 мин в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212 157 02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу г Москва, ул Красноказарменная, д 13

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу 111250, Москва, ул Красноказарменная, д 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан « » _2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 157 02 кандидат технических наук, доцент

С А Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Применение электротермического оборудования дает возможность интенсифицировать технологические процессы с одновременным улучшением качества продукции и, во многих случаях, снижением материале- и энергоемкости Среди различных видов электронагревь видное место занимает индукционный нагрев (ИН) материалов, который имеет рад преимуществ перед другими видами нагрева

Большой вклад в развитие теории и техники индукционного нагрева внесли (В Г! Вологдин, А Е Слухоцкий, А В Донской, А С Васильев, В А Бо-дажков, АН Шамов, В С Немков, ЭЯ Рапопорт, КЗ Шепеляковский, И.Н Кидин, А Б Кувалдин, A M Вайнберг, В С Чередниченко, С В Дресвин, В Б Демидович, JIС Зимин и др )

Выдающийся русский физик H А Умов создал общую теорию термоупр>-гих явлений в 1881 г Экспериментальные методы определения остаточных напряжений в деталях разработаны металлургом H В Калакуцким в 1887 г и усовершенствованы в 30-х годах H H Давиденковым, а в 60-х годах И А Бир-гером и др

Начиная с 20-30-х г до 70-х г прошлого века теория температурных напряжений развита в работах И А Одинга, С П Тимошенко, H H Лебедева, H Ю Тайца, И А Биргера и Б Ф Шорра и за рубежом Б Боли, Дж Уэйнера, Б Гейтвуда, Г Паркуса, С Мэнсона и др В последующие годы появились многие другие работы по расчету термонапряжений, в том числе и с использованием современных программных комплексов

Впервые аналитические расчеты ИН с учетом упругих термонапряжений Г И. Бабат и M H Родигин провели в 1950 г

В 70-х годах в работах С А Яицкова, Ю И Сосинова, П M Чайкина и др и в 90-х годах в работах H Д Морозкина рассматривались процессы ИН с учетом упругих термических напряжений в цилиндрических изделиях В работах А С Васильева, В Б Демидовича, В В Царевского также учитывались термонапряжения

В конце 80-х были проведены расчеты процессов ИН и термонапряжений в цилиндрических заготовках с использованием численных методов в работах Р П Хичке и В Андре технического университета Ильменау (Германия) В данных работах не проводились исследования режимов нагрева и не даются какие-либо практические рекомендации по ограничению скорости индукционного нагрева с учет ом термонапряжений

В начале 90-х годов в работах ЭЯ Рапопорта рассмотрены вопросы

управления индукционным нагревом изделий с учетом упругих термонапряжений При решении указанных задач мощности и длительности стадий нагрева, температуры и термонапряжения в изделиях оценивались приближенно без учета теплового и термонапряженного состояния кромок прямоугольного сечения

В указанных выше работах можно отметить следующее

1) расчеты параметров электромагнитного поля, полей температур и термонапряжений в изделиях в большинстве задач проводились с использованием аналитических методов, что ограничивало учет свойств материалов (теп-лофизические свойства, модуль упругости, коэффициент термического расширения и др) в зависимости от температуры В частности, в некоторых случаях указанные зависимости не учитывались, расчеты термонапряжений осуществлялись в упругой области,

2) в выполненных расчетах в качестве ограничений на упругие термонапряжения использовался предел прочности материалов,

3) расчеты выполнялись для относительно невысоких значений скоростей и удельных мощностей нагрева в технологических процессах,

4) рассматривался ограниченный круг материалов и сплавов,

5) недостаточно использовались возможности вычислительной техники и численных методов,

6) в расчетах термонапряжений в деталях не учитывались сложная форма сечения, углы и т д

В настоящее время для увеличения производительности, которая приводит к повышенным значениям термических напряжений, применяется скоростной индукционный нагрев (СИН)

При применении СИН, в первую очередь, при ускоренном изотермическом нагреве иод обработку давлением или при нагреве под поверхностную закалку, особо важно учитывать термические напряжения, возникающие в изделиях из-за больших температурных перепадов

Совершенствование методик расчета СИН, а также систем управления и конструкций индукторов для специализированных автоматических линий, установок и стендов позволяет повысить производительность установок ИН с использованием больших тепловых потоков, качество продукции, экономию электроэнергии и уменьшить тепловые потери

Для решения указанных задач требуется разработка критериев достижения эффективных режимов СИН изделий с учетом термических напряжений на базе современной вычислительной техники

Цель работы. Разработка эффективных режимов скоростного индукционного нагрева изделий с сечениями различной формы с учетом упруго-пластических термических напряжений в них для различных электротехнологических процессов, включая моделирование теплового и термонапряженного состояния дисков и лопаток авиадвигателей с учетом требований и условий эксплуатации, а также конструкций оборудования, систем нагрева и питания

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи

1 разработка методики определения скоростного индукционного нагрева в несколько стадий с учетом термонапряжений

2 разработка комплекса математических моделей для расчета скоростных режимов нагрева и охлаждения с учетом термических и остаточных напряжений

3 теоретическое обобщение основных закономерностей СИН изделий

4 разработка методики оптимального моделирования многозонного нагрева изделий и дисков авиадвигателей с использованием СИН

5 разработка методик термоциклических испытаний дисков и лопаток авиадвигателей и термонагружения изделий для обрыва лопаток

6 разработка конструкций индукторов, индукционных устройств и испытательных систем для СИН изделий

Методы исследования. Исследования скоростных режимов ИН изделий проводились методами математической физики и вычислительной математики Разработанные математические модели базировались на методах конечных элементов и разностей, оптимизации, численного интегрирования и их комбинациях Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанных методик на специальных установках и стендах

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов базируются на корректном использовании известных численных методов и подтверждены хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных

Научная новизна. В диссертационной работе

1 предложена и разработана общая методика расчета СИН в несколько стадий с учетом допустимых термонапряжений (по критерию предела текучести) и перепадов температуры по сечению изделий, реализованная в виде комплекса программ для расчета параметров электромагнитного поля, тепловых и механических величин Даны рекомендации по выбору удельных мощ-

ностей на каждой стадии в зависимости от частоты тока, теплопроводности, размеров изделий

2 разработаны рекомендации в виде обобщенных данных о допустимых скоростях индукционного сквозного нагрева изделий и перепадах температуры в зависимости от формы и размеров сечения изделия, теплофизических и механических характеристик Даны рекомендации по выбору минимального числа и продолжительности стадий (этапов) СИН

3 разработана методика комплексного расчета режимов нагрева и охлаждения при скоростной поверхностной закалке с учетом термических и остаточных напряжений Исследовано влияние удельных мощностей СИН и режимов охлаждения на тепловое состояние, термические и остаточные напряжения в деталях

4 разработана методика оптимального моделирования многозонного нагрева и термонапряженного состояния дисков авиационных I азотурбинных двигателей (ГТД) с источниками переменной частоты при стендовых испытаниях с использованием СИН и с учетом эксплуатационных условий термона-гружения

5 разработаны методики термоциклических испытаний дисков и лопаток ГТД и термонагружения изделий для обрыва лопаток с использованием скоростного индукционного нагрева и индукционные устройства

Практическая ценность работы заключается в следующем

1 На основе предложенной методики расчета создан пакет программ для расчета параметров нагрева и охлаждения изделий с учетом термонапряжений, отличающийся удобством интерфейса ввода и вывода, вводом количества стадий нагрева и охлаждения и исходной информации на каждой стадии

2 Разработанный пакет программ дает возможность реализовать в инженерной практике методики определения оптимальных скоростных режимов ИН и охлаждения с учетом термонапряжений в изделиях, выявлять обобщенные закономерности СИН С использованием разработанного пакета программ могут быть получены результаты расчета СИН, позволяющие экономить электроэнергию

3 Разработаны рекомендации по применению пакета программ для расчета режимов СИН заготовок круглого и прямоугольного сечения (под обработку давлением и др) и под поверхностную закалку с учетом ограничений на термические и остаточные напряжения для повышения производительности установок ИН и качества продукции.

4 Разработаны рекомендации по применению пакета программ для расчета режимов СИН при моделировании теплового и термонапряженного состояния деталей авиадвигателей Разработаны методики СИН изделий с выбором частот тока и скоростей нагреза, методики термоциклических испытаний, оригинальные конструкции индукторов, индукционные устройства и испытательные системы, метод термонагружения изделий с использованием индукционного нагрева для обеспечения обрыва лопаток при специальных испытаниях На основе этих исследований и оптимизации многозонного индукционного нагрева повышена точность воспроизведения термонапряженного состояния деталей при физическом моделировании на стендах и определения ресурса деталей авиадвигателей, сокращены сроки испытаний и расход электроэнергии

5 Разработанные методики и рекомендации по оборудованию использованы в практике ЦИАМ Результаты экспериментальных исследований и испытаний, полученные с применением разработанных методик на стендах и установках ЦИАМ для испытаний деталей авиационных ГТД, приведены в 15 научно-технических отчетах ЦИАМ, в том числе (2000-2004 г г), а также б 16 патентах РФ на конструкции оборудования

На защит}' выносятся следующие основные положения

1 методики определения скоростного индукционного нагрева в несколько стадий с учетом термонапряжений

2 комплекс математических моделей для расчета скоростных режимов нагрева и охлаждения с учетом термических и остаточных напряжений

3 теоретическое обобщение основных закономерностей скоростного индукционного нагрева изделий с учетом ограничений по термическим напряжениям на основе проведенных расчетах и экспериментальных исследованиях

4 методика оптимального моделирования многозонного нагрева изделий и дисков авиадвигателей с использованием скоростного индукционного нагрева

5 методики термоциклических испытаний дисков и лопаток авиадвигателей и термонагружения изделий для обрыва лопаток

6 конструкции индукторов, индукционные устройства и испытательные системы для скоростного индукционного нагрева изделий

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих основных международных конгрессах, конференциях, симпозиумах коллоквиумах, семинарах и совещаниях Международной конференции

«Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «Исследования в электротехнологии» (Катовице, Польша 2005), Международных коллоквиумах (Иль-менау, Германия, 2002, 2006), IV Среднеевропейской Международной конференции "Компьютерные методы и системы в автоматике и электротехнике" (Ченстохова, Польша, 2001) Международных симпозиумах по индукционному и диэлектрическому нагреву (Падуя, Италия, 2001, 2004, 2007), Всероссийских электротехнических конгрессах - ВЭЛК-99, ВЭЛК-2005 (Москва, 1999, 2005), Международных конференциях «Электромеханика и электротехнологии» (Клязьма, 1998. 2000, Алушта, 2003), Международных конференциях (Тверь, 2001, 2004), Международных конференциях "Энерго и ресурсо-сбережение-ХХ1 век" (Орел, 2001, 2002, 2003. 2006), Международных конференциях "Авиационные технологии - 21 века" (Жуковский, 1995, 1997, 1999,

2001), Научно-технических сессиях по проблемам газовых турбин (Рыбинск, 1993. Санкт-Петербург, 1994, 1996, 1998, Москва, 1995, 1997, Самара, 1999, Пермь, 2000), Международных Конгрессах двигателестроителей (Крым, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005. 2006), Научно-технических совещаниях по проблемам прочности двигателей (Москва, 1994, Самара, 1996, Москва, 1999

2002), Международных н -т совещаниях по конструкционной прочности двигателей (Самара, 1996, 1999. 2001, 2003), Международной конференции "Ре-сурс-2000'" (Киев, 2000), Международных конференциях «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ, 2000, 2005), II н -т конференция с межд уч "Электротехника, Электромеханика и электротехнологии" - (Новосибирск, НГТУ 2005), Всероссийской конференции "Новые материалы и технологии -НМТ-2004" (Москва, 2004), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий» - АПЭЭТ-06 (Екатеринбург, 2006)

Работа докладывалась на кафедре Физики электроматериалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов МЭИ (ТУ) в марте 2005 г в июне 2006 г и апреле 2007 г, на семинаре ЦИАМ "Проблемы конструкционной прочности газотурбинных двигагелей и энергетических установок" в январе 2007 г

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты связаны с выполнением работ в рамках НИР ЦИАМ им П И Баранова, кафедры ФЗМАЭК МЭИ (ТУ), а также в рамках ряда программ Российского авиационно-космического агентства и Министерства науки и промышленности РФ развития гражданской авиации, совершенствования экспе-

риментальных методов и средств испытаний узлов авиационных двигателей, фундаментальных исследований в области теплообмена и прочности и др

Основные теоретические положения и рекомендации работы внедрены в промышленности и использовались в учебном процессе в вузах

- при разработке методик скоростною индукционного нагрева изделий с учетом термонапряжений,

- при совершенствовании и модернизации уникальных стендов для прочностных испытаний изделий,

- при внедрении разработанных методик, оригинальных конструкций индукторов и устройств в технологических процессах и термоциклических испытаниях изделий, дисков, лопаток с повышением производительности электротермических индукционных установок и точности воспроизведения термонапряженного состояния изделий,

- в учебном процессе МЭИ (ТУ) при чтении лекций по курсу "Теория электронагрева', курсу "Установки индукционного и диэлектрического нагрева" и при выполнении курсового и дипломного проектирования в МЭИ (ТУ) и "МАШ"- РГТУ им К Э Циолковского

В 2002 году автор награжден медалью "Лауреат Всероссийского Выставочного Центра" за разработку системы с конструкциями индукторов для нагрева вращающихся деталей

Публикании. По теме диссертации опубликовано более 120 печатных работ, в том числе одна монография, 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК «Электричество», «Электротехника», «Электрометаллургия», «Вестник МЭИ», статьи в журналах «Авиакосмическая техника и технология», «Вестник двигателестроения», а также 32 патента на изобретения

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 296 страниц текста, 111 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 238 наименований и приложения на 21 страницах

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая характеристика проблемы и современного состояния техники и режимов индукционного нагрева с учетом термических напряжений в изделиях, обосновывается актуальность исследований в диссертационной работе, формулируется цель и задачи работы, объясняется структура диссертационной работы, приводятся основные положения, выдвигаемые на защиту

В первой главе рассматриваются вопросы исследования и расчета термических напряжений, которые имеют большое значение в связи с проблемами, возникающими при нагреве заготовок и деталей в технологических процессах, а также при специальных испытаниях изделий и деталей с использованием различного испытательного оборудования и индукционного нагрева в машиностроении Детали указанных конструкций работают в условиях неравномерного и нестационарного нагрева

Приводится обзор отечественных и зарубежных работ в области расчета и исследования ИН заготовок, изделий и деталей с учетом термических напряжений при технологических процессах и специальных испытаниях Выявлены нерешенные задачи в указанных работах В большинстве работ проводились расчеты режимов ИН с небольшими тепловыми потоками и термонапряжений в упругой области, что приводило к увеличению обще! о времени нагрева заготовок и снижению производительности установок ИН Мало освещены вопросы математического моделирования ИН при закалке изделий с учетом термических напряжений

На разгонных и специальных стендах выбор необходимых режимов нагрева и других параметров термонагружения деталей (дисков и лопаток) авиационных двигателей производится, в основном, экспериментально В результате требуются значительные затраты времени на отработку методики экспериментальных исследований для обеспечения заданных условий термонапряженного состояния дисков и лопаток при термонагружении Отсутствие расчетных исследований ИН с учетом термонапряжений в зависимости от скоростей нагрева и частоты тока, несовершенные конструкции индукторов и недостаточные экспериментальные исследования понижают точность моделирования термонапряженного состояния и определения ресурса дисков увеличивают сроки испытаний и снижают производительность установок ИН При использовании метода обрыва лопаток с использованием взрыва появляются дополнительные нагрузки и значительные удлинения, не соответствующие условиям эксплуатации

На основе проведенных обзоров сформулированы основные задачи исследований, выполненных в диссертационной работе

Во второй главе рассматривается комплекс разработанных математических моделей для расчета режимов ИН и термических напряжений в изделиях при технологических процессах

Общий алгоритм электротеплового расчета основывается на сопряженном численном решении дифференциальных \ равнений электромагнитных и теп-

ловых процессов

Электромагнитная задача процесса ИН изделий или заготовок описывается нелинейным дифференциальным уравнением относительно напряженности магнитного поля

Р

Напряженность магнитного поля на поверхности изделия определяется током индуктора и геометрией системы индуктор-изделие Электромагнитная задача решается с использованием метода конечных элементов

Тепловая задача определения температуры в изделии описывается нестационарным уравнением теплопроводности в общем виде

& - , , (2) су—- с!1У(-А§гас Г) + р 4

дт

с учетом граничных условий теплообмена на поверхности

4-а, (<„-',) (3)

В уравнениях (1) - (3) Н - напряженность магнитного поля, со - круговая частота электрического тока, р = р(Ц - удельное электрическое сопротивление материала, - магнитная постоянная, /.г - Н) - относительная магнитная проницаемость материала, г - температура, с = с(г), у = у(г), к - Цг) - теплоемкость, плотность, теплопроводность материала, рК = рК (г, х, у, г) -удельная мощность внутренних источников тепла, о1 - тепловой поток, ад = Ок + Ои - суммарный коэффициент теплоотдачи, а* и аи - коэффициенты теплоотдачи конвективного теплообмена и теплообмена излучением, г„ и -температуры поверхности и окружающей среды, г - время, х, у, г - координаты

Выбор шага по времени определяется требуемой точностью расчета и темпом изменения внутренних источников тепла В алгоритмах расчета параметров электромагнитного поля, режимов ИН и теплового состояния изделий и заготовок использован метод конечных элементов

Вычислительный алгоритм тепловой задачи в двумерной конечно-элементной постановке в условиях ИН изделий сводится к минимизации функционала

-я

ом

d¿)

ду j

+ с/?

дг

t-P.t

,dxdy

+ (<05а, г2-а г,г)сИ Л

п Р

где 5 - площадь сечения изделия, П -контур поверхности изделия, х,у -координата изделия, <& -отрезок длины контура, ав - коэффициент теплоотдачи, обусловленный конвекцией и излучением, рк - внутренние источники теплоты, р - удельная поверхностная мощность индукционного нагрева, 8 -зазор между индуктором и поверхностью изделия, ц - КПД индукционного нагрева, I - температура изделия, х - время, р, с, Я - плотность, теплоемкость, теплопроводность материала изделия

Задача сопряженного расчета электромагнитных и тепловых полей приводится к системам алгебраических уравнений, каждое из которых решается методом сопряженных градиентов

На основе полученных распределений температур в тепловой задаче в каждый момент времени рассчитываются распределения термонапряжений в изделии. В алгоритмах расчета упруго-пластического термонапряженного состояния изделий круглого, прямоугольного или сложного сечения использован мегод переменных параметров упругости

В алгоритме расчета термонапряжений в цилиндрических изделиях соотношения для вычисления осевых аг. радиальных ог, и тангенциальных (окружных) о0 напряжений в конечно-разностной форме имеют вид

О,

где

- + а

к—1

lj l-v -

ezn

- (е2

.ь

2(1

ai "Щи !Ры>

-v)

е„

• а»-1

а;

<4

15)

: Rfo ! Ra

R6.-281SIF» R¡

bn

■2W,.

2 EA> R6n ■

i

jfc-i

n

•У. E,R.

-1 F, i

а*,3, а*-1 представляют собой начальные на-

При к ~ 1 значения а2 пряжения В соотношениях (5). Е - модуль упругости, ¥ - площадь, 6 - тепловое расширение (деформация) г - номер слоя изделия V - коэффициент Пуассона, к - номер этапа по времени

Для проведения исследования разработан комплекс программ для расчета режимов индукционного нагрева, теплового и термонапряженного состояния

изделий и заготовок

Блок-схема пакета программ приведена на рис 1

Комплекс программ предоставляет пользователю широкие возможности для проведения расчетов и получения визуальной информации о процессе ИН с использованием развитого I рафического интерфейса при изменении геометрии изделия, конструкции индуктора и любом изменении физических свойств материала Шаг сетки в поверхностных слоях заготовки автоматически меняется в зависимости от частоты тока (глубины проникновения электромагнитной волны)

Рис 1 Блок-схема расчета электромагнитной задачи теплового и гермонапряженного состояния изделий

Выводятся результаты расчета выводятся в числовом или графическом виде, информация о параметрах электромагнитного поля и тепловом состоянии заготовки с визуализацией векторного поля тока изолиний напряженности магнитного поля, внутренних источников тепла и температур Выводятся также распределения окружных и радиальных термонапряжений по радиусу детали или распределение термонапряжений по сечению изделия

Проверка адекватности математических моделей для расчета параметров электромагнитного тюля, нестационарного теплового и термонапряженного состояния изделий осуществлялась путем сравнения численных расчетов с расчетными результатами, полученными по известным математическим моделям, и с результатами экспериментов на физических моделях

Результаты проверки адекватности электротеплового моделирования на примере расчета СИН изделия с диаметром 160 мм из стали 45 в сравнении с литературными экспериментальными данными показывают, что максимальная абсолютная и относительная погрешности вычислений не превышают 42 °С и 5,7 %. а их средние значения - 18 °С и 2,6 % Кроме того, анализ результатов проведенных расчетов одностадийного нашева по разработанной электротепловой модели в сравнении с результатами, полученными по программе В Б Демидовича, показывает, что расчеты нестационарного нагрева изделия прямоугольного сечения размерами 700 х 1580 мм2 из алюминиевого сплава А6 были выполнены с точностью, не превышающей 2,5 % , при температурах 400-500 °С и цилиндрического изделия й = 60 мм из стали Х18Н10Т - 1% при 1000-1200 °С Проверка адекватности моделирования термических и остаточных напряжений проводилась на примере поверхностной индукционной закалки детали с диаметром 65 мм из стали 45 Результаты этой проверки показывают, что максимальная абсолютная и относительная погрешности вычислений не превышают 70 МПа и 12.7%, а их средние значения - 30 МПа и 5,4%

В третьей I лаве с использованием разработанного пакета программ рассчитываются и исследуются скоростные режимы сквозного ИН нагрева изделий круглого и прямоугольного сечения с учетом термонапряжений На основе исследуемых режимов определяются обобщенные зависимости СИН изделий

Процесс скоростного индукционного сквозного нагрева металлических заготовок из титана, аустенитной стали и других подобных материалов предлагается проводить по разработанной методике в несколько стадий для повышения производительности установок ИН с учетом термонапряжений в нагреваемых изделиях Выбор числа стадий зависит от режима нагрева, свойств материала и формы сечения изделий

Методика скоростного нагрева заготовок на средней частоте тока отличается от методики нагрева на промышленной частоте

В соответствий с методикой нагрева на средней частоте тока на первой стадии осуществляется нагрев с максимальной удельной поверхностной мощностью до момента достижения допустимого максимального перепада температуры по поперечному сечению заготовки, те Л1 = Адол. На второй стадии удельная поверхностная мощность понижается для обеспечения допустимого перепада температуры до момента достижения заданной температуры нагрева поверхности заготовки На третьей стадии с необходимой ми-

нимапьной удельной поверхностной мощностью тепловое состояние заготовки поддерживается с заданной точностью При оптимальном подборе режима по предложенной методике достигается максимальное быстродействие нагрева заготовок с учетом ограничений на термические напряжения

На примере (рис 2) расчета скоростного ИН заготовки из аустенитной стали Х18Ш0Т с диаметром В = 60 мм на частоте 2400 Гц с удельной мощностью рог = 840 кВт/м2 (Н01 = 125 кА/м на первой стадии) продемонстрирована реализация предлагаемой методики нагрева на средней частоте тока. На рис 1 показан процесс указанного нагрева заготовки в три стадии и в табл 1 приведены результаты численного моделирования скоростного нагрева и параметры нагрева на каждой стадии

2äf;

Рис 2 Зависимости температур на поверхности (1) и в центре (2) заготовки (d = 60 мм) из стали Х18Н10Т

Таблица 1 Параметры нагрева заготовки

№ { т, с Р,х кВт/м2 ! #а к А/м ГС At, °С

1 16 840 125 350 250

2 75 800 91 1200 200

з 20 350 45 1225 50

При замене одностадийного нагрева выше рассчитанным режимом скоростного нагрева в три стадии сокращается время нагрева заготовки с 220 до 110 с и в результате повышается производительность установки в 2 раза

На рис 3 представлены результаты расчетных исследований режимов СИН заготовок из стали XI8Н1 ОТ для разных диаметров - кривые 1 - d -160мм(500кВт/м2), 2 -d — 100мм(600кВт/м2),3-d~= 60мм(800кВт/м2), 4

- й = 50 мм (1000 кВт/м2), 5-4-40 мм (1300 кВт/м2), 6 - й = 30 мм (2000 кВт/м2) при частотах тока от 500 до 10000 Гц на первой стадии процесса нагрева до достижения допустимого перепада температур Л?доп - 250 °С Обобщенная зависимость (рис 3) позволяет получить рекомендации по выбору времени нагрева %\ в зависимости от частоты, удельной мощности ИН на поверхности заготовок и диаметров заготовок при не превышении допустимого перепада температур и предельных термонапряжений

Использование допустимых перепадов температур в начале процесса нагрева позволяет уменьшить общее время нагрева заготовок и повысить производительность установок

Рис 3 Кривые времени нагрева заготовок из стали XI8ШОТ в зависимости от частоты тока, размера диаметров и удельных мощностей р0 до достижения Atmv = 250°С

В данной работе процесс нагрева заготовок на промышленной частоте тока предлагается проводить по рассчитанному режиму, когорый является оптимальным по быстродействию, в три стадии, каждой из которых соответствует свое наибольшее значение (Hoi, Ди, Дин), выбранное с учетом ограничений по упруго-пластическим термонапряжениям На второй стадии осуществляется нагрев с несколько большим значением напряженности магнитного поля, в разных вариантах расчета равным Я0ц = (11-1 3) Нт (получено на основе многочисленных вычислений для диаметров (200+500 мм) для обеспечения перепада температуры At < Aima В качестве ограничений по термонапряжениям в центре егц(1) и на поверхности crn(t) заготовки приняты пределы текучести материала на растяжение и сжатие aP(t) и crc(i)

Т, с

0 2 4 6 8 /кГц

Особенностью нагрева на промышленной частоте является то, что глубина проникновения тока сопоставима с радиусом заготовки и, кроме того, на второй стадии скорость нагрева в центре заготовки выше скорости нагрева на поверхности, поэтому на второй стадии возможно ускорить нагрев заготовки за счет увеличения Нт на ее поверхности

На примере расчета скоростного индукционного нагрева цилиндрической заготовки из жаропрочного сплава диаметром £>=500 мм на частоте 50 Гц до заданной температуры на оси ¿«.и =915 °С и на поверхности /„- 1100 °С заготовки продемонстрирована реализация предлагаемой методики на промышленной частоте тока Жаропрочный сплав содержит 9,5% Сг, 0,16% С, № -основа На рис 4 показан процесс указанного нагрева заготовки в три стадии температура и термонанряжение а, на поверхности (кривые 1) и /2 и в центре (кривые 2), пределы текучести на растяжение о3 (кривая 3) и сжатие £Г4 (кривая 4) в зависимости от температуры

а) б)

Рис 4 Зависимости от времени нагрева температур (а) и термонапряжений (б) заготовки (I) - 500 мм) из жаропрочного сплава

В табл 2 приведены параметры нагрева в три стадии

Таблица 2 Параметры нагрева заготовки

№ Ах,с кВт/м2 кА/м ц°С С 0"1- МПа Ог, МПа оз, МПа ст4, МПа

1 1800 160 100 750 400 -410 ¡790 790 -900

2 1800 280 130 1100 212 -300 ¡700 700 -340

3 360 230 Гно .. 1100 185 -50 1550 550 -340

При замене одностадийного нагрева выше рассчитанным режимом скоро-

стного нагрева в три стадии сокращается время нагрева заготовки с 2,6 часа до 1,1 часа и в результате повышается производительность установки в 2,3 раза

Значения коэффициентов теплопроводности Я металлов находятся в широких пределах от 5 до 430 Вт/м К Были исследованы режимы скоростного индукционного сквозного нагрева заготовок из нескольких характерных материалов ферромагнитной и аустенитной сталей, титановых, алюминиевых и медных сплавов с учетом допустимых скоростей нагрева и свойств материалов В частности, исследовано влияние характеристик теплопроводности и прочности на указанные режимы

Первая стадия скоростного индукционного нагрева характеризуется высокими скоростями нагрева и большими термическими напряжениями. На основе проведенных расчетных исследований для этой стадии нагрева были получены зависимости допустимых скоростей нагрева заготовок о г значения диаметра А или стороны а квадратного сечения (рис 5) для разных материалов титановых сплавов ВТО, ВТ1 (кривая 1) и аустенитной стали (кривая 2) при нагреве до 350-450 °С, титановых сплавов (кривая Г) повышенной прочности (ВТ6, ВТ9 и др) - нагрев до 450-550 °С, ферромагнитной стали (кривая 3) - до 600-750 °С, алюминиевых сплавов (кривая 4), медных сплавов (кривая 5') с коэффициентом теплопроводности Я = 300 Вт/(м К) и медных сплавов (кривая 5) с Я = 385 Вт/(м К) - до 250-400 °С

На рис 6, а представлены результаты расчетных исследований скоростного индукционного нагрева на примере заготовок диаметром 60 мм из указанных сталей и сплавов (нумерация кривых соответствует рис 5) на средней частоте тока 2400 Гц Из рис 6, а, на котором приведены зависимости допустимых перепадов температур от теплопроводности металлов и сплавов, следует, что, чем меньше X, тем больше температурные перепады и наоборот, чем больше А, тем меньше температурные перепады и меньше термические напряжения В порядке снижения температурных перепадов материалы рае-

Рис 5 Зависимости допустимых скоростей нагрева от диаметров и сторон заготовок круглого и квадратного сечения для разных материалов

полагаются следующим образом титановые сплавы, аустенитные стали, ферромагнитные стали, алюминиевые сплавы и медные сплавы Проведена обработка зависимостей (рис 6. а) с получением величин А^р/Лср - относительное изменение среднего перепада температур по сечению заготовок при Яср -среднем коэффициенте теплопроводности материала На рис б, б приведена обобщенная зависимость А(ср/Аст в функции Л^р для разных материалов

а) б)

Рис 6 Зависимости перепадов температур по сечению цилиндрических заготовок от теплопроводности металлов и сплавов (а) и кривая ДгсрДср в зависимости от Лсо

для разных материалов (б)

Из рис 6, б следует, что наибольшее относительное изменение среднего перепада температур А<ср/Лср = 12 наблюдается у титановых сплавов, а наименьшее Аг/АЛ = 0,22 - у медных сплавов при скоростном индукционном нагреве Зависимости, приведенные на рис 5 и рис 6 позволяют выбрать необходимые параметры режимов нагрева заготовок на начальном этапе расче га режимов СИН

В начале процесса ИН заготовок прямоугольного сечения из ферромагнитной стали зоны вблизи углов нагреваются до более высоких температур, чем остальная поверхность заготовки При больших температурных перепадах между углами и центром заготовки появляются большие температурные напряжения в углах Если они превысят допустимые значения, то в зонах вблизи углов заготовки могут появиться дефекты

Из расчетного анализа электромагнитного поля, теплового и термонапряженного состояний заготовок прямоугольного сечения из аустенитной стали и других немаг нитных материалов в начале нагрева следует, что при пониженной частоте основной контур прохождения электрического тока проходит внутри сечения заготовки за исключением зон вблизи углов В связи с этим

углы заготовки нагреваются меньше с меньшими термонапряжениями, по сравнению с серединами сторон сечения заготовки, которые нагревались до более высоких температур с появлением повышенных термонапряжений При значительном повышении частоты контур прохождения электрического тока приближается к углам, которые начинают нагреваться больше по сравнению с температурами в серединах сторон прямоугольного сечения заготовки При этом в начале нагрева термонапряжения в углах заготовки могут превысить допустимые значения

Это иллюстрируется с учетом влияния формы сечения на примере заготовок из аустенитной стали Х18Ш0Т квадратного сечения со стороной а = 50 мм и со стороной а = 100 мм, для которых были проведены также исследования по влиянию частоты тока на тепловое и термонапряженное состояние заготовок с анализом перепадов температуры Д?; между температурой Н в середине стороны и температурой Ь в угле, т е = для одного выбранного момента времени в начале процесса нагрева, где наблюдаются повышенные значения перепадов температур и термонапряжений По результатам проведенных расчетных исследований построены зависимости указанных перепадов температуры по поверхности заготовок от частоты тока на рис 7 для моментов времени г = 15 с {а = 50 мм) и г= 45 с (а = 100 мм) По мере увеличения частоты тока значения перепадов температур проходят через ноль (особую точку), т е Лг5 = 0 при частоте = 2000 Гц для заготовки а - 100 мм и при частоте = 6000 Гц для заготовки а = 50 мм При дальнейшем увеличении частоты тока перепады температур возрастают и в области повышенных частот тока, например, после /= 15000 Гц замедляют свой рост и стабилизируются

Скоростной индукционный нагрев аустенитной стали Х18Н10Т на частотах тока свыше> 2000 Гц (а = 100 мм) и/в> 6000 Гц (а = 50 мм) может привести к появлению опасных термонапряжений в углах заготовок, превышающих предел текучести материала Поэтому на основе анализа кривых Д?,(/) (рис 7) с учетом характерных особых точек пересечения кривых с осью координат (Аг5(/)=0) осуществляется выбор частоты тока для обеспечения режимов СИН заготовок прямоугольного сечения Это позволяет уменьшить вероятность появления коробления и дефектов в углах заготовок

По результатам расчетных исследований построены также зависимости указанных перепадов температуры по поверхности заготовок от частоты тока для момента времени т- 16с для алюминиевых заготовок а = 100 мм из си-

лумина AJI4 с теплопроводностью Я = 150 Вт/м К (кривая 1) и алюминиевого сплава с Я — 80 Вт/м К (кривая 2), см на рис 8

По сравнению со сталями алюминиевые сплавы имеют высокие значения электро и теплопроводности материала В связи с этим, рассмотренные зависимости Ats(f) (рис 6) для стали Х18Н10Т отличаются от зависимостей Ats(f) (рис 8) для алюминиевых сплавов

At^cT 80:

кГц

Рис 7 Зависимости перепадов температуры Д4 на поверхности заготовки из стали Х18Н10Т от частоты тока 2- а = 50 мм, 2- а = 100 мм

5 кГц

Рис 8 Зависимости перепадов температуры Ars на поверхности заг отовки (а = 100 мм) от частоты тока и коэффициента теплопроводности алюминиевого сплава 1- 150, 2-80 Вт/м К

Однако, рассмотренные зависимости А4(/) на рис 7 и рис 8 имеют общий монотонный характер и аппроксимируются логарифмическими функциями Проведенные исследования подтверждают влияние частоты тока на контур прохождения электрического тока в зонах углов заготовок

Большие градиенты температур приводят к возникновению значительных термических в процессе закалки и остаточных напряжений (после закалки), которые следует учитывать при выборе параметров режима нагрева и охлаждения

С использованием разработанного программного пакета проведены расчетные исследования скоростного индукционного нагрева под поверхностную закалку цилиндрической детали из стали 45 диаметром 40 мм на частоте 440 кГц По результатам расчета построены кривые удельных мощностей 1-10 кВт/см2 и 10-100 кВт/см в зависимости от времени нагрева, распределения температур (рис 9, а) и осевых термонапряжений (рис 9, б) в поверхностном слое детали при нагреве поверхности до температуры 1000 °С со скоростями нагрева 2,5 103- 3,5 106 К/с (кривым 1-5 соответствуют удельные мощности 2, 20, 50, 100, 200 кВт/см2), кривые (рис 10) осевых оста-

точных напряжений (7) и глубины закаленного слоя (2) в зависимости от удельной мощности нагрева 10-100 кВт/см2 и распределения осевых остаточных напряжений по радиусу детали, соответствующие удельным мощностям нагрева 10 кВт/см2 и 100 кВт/см2, представленные на рис II, а и рис 11, б соответственно

<Т,

МПа -100 -150

-200 -< -250 -1

-300 4-

19 80 19 85 19 90 19.80 19.85 19.90

а) б)

Рис 9 Распределения температур (а) и осевых термонапряжений (б) в поверхностном слое детали (г =■ 20 мм) при ~ 1000 °С

Из рис 10 подтверждается прямое влияние параметров СИМ (удельной мощности, распределения температуры в детали и др) на режимы охлаждения и остаточные напряжения внутри технологического цикла скоростной закаяки

С уве шчением удельной мощности (скорости нагрева) деталь прогревается на меньшую глубину и, следовательно, она быстрее охлаждается за счет передачи теплоты теплопроводностью в холодные слои металла

20 40 60 ВО р.,

кет/ем2

Рис 10 Кривые осевых остаточных напряжений о0ст(1) и глубины Хк (2) закаленного слоя в зависимости от удельной мощности скоростного нагрева 10-100 кВт/см'

Анализ результатов расчета показывает, что с повышением удельной мощности (скорости нагрева) с учетом указанного выше режима охлаждения остаточные сжимающие напряжения на поверхности детали увеличиваются, а остаточные растягивающие напряжения в средней части детали уменьшаются Широкий диапазон изменения удельной мощности позволяет регулировать остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей при СИН

О -200 -400 -600-800-1000-

П

80 120 160 Г ми а)

19 70 19 80 19 90 б)

Рис 11 Распределения осевых остаточных напряжений в детали при удельных мощностях скоростного нагрева 10 кВт/см2 (а) и 100 кВт/см2 (б)

Кроме того, из анализа рис 11, а ирис 11, б следует, что максимумы остаточных растягивающих напряжений вблизи закаленного слоя детали отсутствуют, что свойственно обычной закалке с принудительным охлаждением

При достижении удельной мощности 100 кВт/см2 осевые остаточные напряжения на поверхности возрастают до 820т860 МПа и достигают значений предела текучести закаленной детали При превышении максимальных удельных мощностей нагрева (80-Л 00 кВт/см2 и более) и скоростей нагрева и охлаждения (104-106К/с) термические и остаточные напряжения и деформации могут превысить допустимые значения и, кроме того, толщина закаленного слоя может быть меньше минимально допустимого значения по технологическим требованиям (не менее 100 мкм для большинства деталей)

В пятой г паве рассматриваются вопросы моделирования скоростных режимов нагрева и термонапряженного состояния дисков турбин авиадвигателей с использованием индукционного нагрева

Моделирование теплового и термонапряженного состояния дисков тур-

бкн за счет потока сгорания продуктов топлива и подогрева воздуха, подаваемого от последних ступеней компрессора, на разгонных а специализированных стендах в машиностроительной промышленности осуществляй тс я с использованием различных методов нагрева. Индукционный нагрев является одним из наиболее перспективных методов, так как по сравнению с другими методами он имеет важные преимущества, заключающиеся не только в получении заданного неравномерного распределения температур по радиусу диска, соответствующего Эксплуатационным условиям, но и в обеспечении высоких скоростей нагрева дисков при термоциклических испытаниях (рис. ¡2). Средние скорости нагрева дисков турбин авиадвигателей в условия?; эксплуатации составляют 0,241,0 К/с. При скорости более 1 К/с нагрез дисков является скоростным. На отдельных участках нагрева в начале полетного цикла максимальные скорости нагрева диско» достигают 2*5 К/с.

Разработаны методики, системы индукционного нягоева и управления нагревом и конструкции индукторов, защищенные пате!¡тами,, для моделирования режимов ИН и воспроизведения терм о напряжен нош состояния дисков ГТД при специальных и термоциклических испытаниях, которые проводились на универсальных разгонных стендах с вакуумными бронекамерамп.

В соответствии с возможностями испытательного оборудования разгонных стендов очень важен выбор конструкций индукторов, т. к, это оказывает большое влияние иа воспроизведение термапапряженного состояния дисков.

Указанный выбор осуществляется иа основе проведения специальных экспериментальных И расчетных исследований, анализа существующих конструкций индукторов и т.д.

а) 6)

Рис. 12. Схема расположения индукторов по радиусу лиска; вид сверху - индукторы 14-6 (а), к разрезе - индукторы Is-îl на ¿«roi рафии ! Лопатки - /. индукторы -2. электрическле шины - 3

На рис. 13 показана классификация и конструкции индукторов для равномерного нагрева (я-гс)} и неравномерного нагрева (с+р).

Гис 13. Конструкция шщукгогов для нагрева дисков: 1- диск: 2 -индуктор

Приведены зкспйриментальные исследовании нагрева дисков с использованием разработанных запатентованных индукторов (рис. 13, з, к, л, н. р\, которые обеспечивают по определенном;' закону требуемое распределение теплового потока по поверхности диска, устраняют местные градиенты температур, что свойственно индукционной системе с дискретным расположением индукторов (рис, 13, о), улучшают перераспределение удельной мощности ИН, снижают энергопотребление и количество используемых, индукторе» и повышают точность воспроизведения термонапряжений в дисках.

Они могут использоваться при терм «циклических испытаниях при скоростях нагрева до 2+3 К/с, соответствующим условиям эксплуатации. При ускоренных испытаниях с более высокими скоростями нагрева они применяются в сочетании с обычными индукторами (рис. 12, р ).

Для реализации эксплуатационных скоростных режимов нагрева и термо-нагружения дисков авиадвигателей с учетом проведенного анализа испытательного оборудования и конструкций индукторов разработана методика разгонных и термоциклических испытаний с выбором частоты тока, скорости нагрева, параметров элекгро подогрева охлаждающего воздуха и др. для обеспечения заданного режима испытаний и усовершенствован разгонный стенд с использованием ИН.

с использованием ИН

На основе расчетно-экспериментальных исследований с использованием разработанных программ получены кривые, представленные на рис 14 и 15 По полученным результатам можно комплексно оценить влияние частоты тока и скорости нагрева на термонапряженное состояние дисков при термоциклических испытаниях Влияние проанализировано при разных скоростях нагрева и частотах тока

А мм

» I

МПа"} \ !

лет.

8 642 О

6040 20 0

МПя

1

40- 2-

- 3-1

20- 411

0

10 15 20 25 /*,

0-

0 2 о А

10 у,к*

Рис 14 Кривые разности термонапряжений в зависимости от частоты тока при разных скоростях нагрева, К/с 1 - и=3,2 - и =1,8, 3 - и =1,5, 4-и= 1,1

Рис 15 Кривые разности термонапряжений в зависимости от скорости нагрева при разных частотах тока, кГц, ] - 2,4, 2-4,0, 3-8,0, 4-10,0

Полученные результаты математического моделирования были использованы при испытаниях дисков турбин авиадвигателей при СИН с источниками переменной частоты (тиристорными преобразователями)

На примерах исследуемых дисков показано что учет особенностей СИН с выбором частоты тока и режимных факторов позволяет повысить точность воспроизведения термонапряженного состояния дисков при термоциклических испытаниях

На примере неравномерного ИН и текзометрирования диска турбины авиационного двигателя с диаметром 560 мм из никелевого сплава до 100 °С проведено сравнение расчетных и экспериментальных окружных термических напряжений Результаты проверки адекватности моделирования термических напряжений показывают, что относительная погрешность вычислений не превышает 10 %

В процессе испытаний необходимо управлять мощностью нагрева, поступающей в нагреваемое изделие В качестве источников тока повышенной частоты применяются электромашинные или тириеторные преобразователи Сие-

Система нагрева с питанием от электромашинного преобразователя обладает рядом недостатков, одним из которых является невозможность раздельного управления мощностью в индукторах и регулирования частоты тока

На разгонном стенде были использованы источники питания переменной частоты тиристорных преобразователя частоты (ТПЧ), собранных по схеме последовательного резонансного инвертора с рабочей частотой 2-10 кГц, каждый мощностью по 100 кВт Для увеличения числа каналов управления применен способ регулирования мощности, при котором нагрузкой каждого преобразователя служат два последовательно соединенных колебательных контура, перевод мощности из одного контура в другой достигается изменением рабочей частоты инвертора

Управление ТПЧ осуществляется путем изменения его рабочей частоты с выбором одной из двух фиксированных частот При управлении процессом нагрева сигналы с термопар обрабатываются компьютерной системой, которая воздействует на рабочую частоту и выходную мощность ТПЧ

Для управления температурным полем в общем случае используются несколько ТПЧ обеспечивающих нагрев в шести зонах диска

Система многозонного индукционного нагрева предназначена для создания и регулирования температурного поля сложной конфигурации в металлическом изделии Поле создается путем нагрева отдельных зон изделия с помощью индукторов, питаемых токами повышенной частоты Индукторы совместно с согласующими трансформаторами ТЗ-800 и батареями коммутирующих конденсаторов образуют параллельные колебательные контуры, питаемые от ТПЧ Такая структура системы позволяет осуществить раздельное управление мощностью в каждой зоне нагрева с целью стабилизации ее температуры Однако процесс воспроизведения температурного поля изделия при СИН осложняется из-за магни гной связи между индукторами соседних зон

Действие магнитной связи заключается во взаимном переносе энергии между контурами, что нарушает регулирование мощности нагрева и ухудшает режим работы источников питания Проведены исследования по повышению эффективности системы ИН с источниками переменной частоты с учетом влияния магнитных связей на перераспределение мощности между каналами управления мощностью нагрева при регулировании температурного поля изделий и дисков

Для определения оптимальных удельных мощностей нагрева в различных зонах вращающегося диска и частот тока в индукторах (подключенных к

источникам переменной частоты) необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации многозонного ИН, состоящую из нескольких критериев минимального отклонения распределения температуры диска от заданного, минимального отклонения распределения термонапряжений диска от заданного, определения оптимальных коэффициентов распределения мощности в контурах ТПЧ и минимального расхода электроэнергии Указанные целевые (критериальные) функции зависят от частоты тока и от других параметров и представлены в следующей постановке

Ф,

Ф,

I я, Ж - (6)

]-п 1=т

| (7)

(8)

Ф4=|1 ЪМ.,'*)-*™* (9)

где I — номер индуктора или зоны нагрева, т — количество зон нагрева, ] — номер источника переменной частоты, п - количество источников переменной частоты; I - расчетная температура зоны поверхности детали, иа0 - заданная температура зоны поверхности детали; <гзад - заданное термонапряжение, а - расчетное термонапряжение, р - удельная мощность индукционного нагрева, д - зазор, &— константа, кф - коэффициент магнитной связи, а? - коэффициент распределения мощности, Ш - расход

элеш роэнергии. т— время нагрева

На функционалы (6-9) в виде неравенств линейного вида наложены ограничения на максимальные мощности в индукторах, скорости нагрева зазоры между индукторами и поверхностью диска, размеры индукторов, частоты тока в индукторах, коэффициенты распределения мощности и магнитной связи между индукторами Указанная многокритериальная задача решается комплексным методом оптимизации Бокса, который является модификацией метода Нелдера-Мида По результатам оптимизационных расчетов можно оценить эффективность регулирования мощности в исследуемом контуре На рис 16 приведены зависимости резонансных частот контуров от коэффициента магнитной связи для различного отношения рабочих частот /> и /2, при типичном значении затухания кг = 0,25

Получено, что эффективное регулирование мощности возможно при он-

ределенных значениях коэффициента распределения ар При полученном минимальном значении а = 4 кривая ограничения резонансных частот в зависимости от коэффициента связи ксЬ приведена на рис 16

На основе проведенных расчетах было получено расчетное распределение частоты тока по радиусу диска, которое было использовано при скоростном индукционном нагреве с ТПЧ при термоциклических испытаниях

Для проверки расчетной эффективности регулирования мощности в контурах была экспериментально исследована зависимость коэффициента распределения мощности от отношения рабочих частот при коэффициенте магнитной связи ксь = 0,1-г0,3, коэффициенте затухания кг = 0,2 на частотах 2-10 кГц Результаты эксперимента не противоречат оптимизационным расчетам

В шестой главе рассматриваются вопросы моделирования скоростных режимов нагрева, термонапряженного состояния, термонагружения и обрыва лопаток авиадвигателей с использованием индукционного нагрева

Перепад температур по поверхности лопатки в исследуемом сечении может составлять 200-400 °С и более между наиболее нагретыми элементами пера - кромками и менее нагретой серединой Перепады температур проявляются, особенно, в нестационарные периоды работы ГТД При резком увеличении температуры газа, например, при запуске, пробе приемистости, происходит быстрое возрастание температуры на кромках лопаток со скоростью нагрева 100-^200 К/с В отдельных случаях скорости нагрева могут быть более высокими Возникающие при этом высокие термонапряжения

щ=4 ^

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 ксЬ

Рис \ 6 Зависимости резонансных частот контуров от коэффициента магнитной связи

имеют циклический характер (повторяются при каждом полетном цикле), могут менять свой знак в течении одного полетного цикла и могут привести к термической усталости материала лопатки

Для совершенствования методики термоциклических испытаний лопаток турбин и других изделий с моделированием эксплуатационного нестационарного термонапряженного состояния модернизирована установка, содержащая высокочастотный генератор ВЧГ4-25/0,44, гидравлическое устройство для нагружения осевой растягивающей силой, блок управления температурой, блок управления растяжением, маслосистема с электрогидравлическими усилителями и система подачи охлаждающего воздуха в лопатку, компьютерные системы измерения температур Кроме того, указанная запатентованная установка снабжена новыми блоками гидравлическим устройством для нагружения крутящим моментом, блоком управления кручением, блоком защиты от перегрева изделия и устройством регулирования тока накала лампового генератора при термоциклических испытаниях При достаточно высокой частоте индукционный нагрев позволяет вполне удовлетворительно имитировать нагрев за счет сгорания топлива, а применение в разработанной расчетно-экспериментальной методике специальных охлаждаемых и разъемных неох-лаждаемых индукторов со сложным профилем позволяет получить неравномерное температурное поле в соответствии с заданным В соответствии с предложенной методикой определяются рабочие условия термомеханического нагружения лопатки

Вслед за определением рабочих условий производится настройка установки на заданные условия термомеханического нагружения Она заключается в проектировании консгрукции индуктора с криволинейным профилем, который должен обеспечивать заданное температурное поле лопатки и в определении параметров установки мощность и режим ВЧ нагрева, расход охлаждающего воздуха на основе математического моделирования с использованием методов конечных элементов и оптимизации Особенностью данной методики является возможность проведения термоциклических испытаний деталей ГТД с сохранением гарантированного минимального постоянного зазора между индуктором и поверхностью лопатки, что уменьшает вероятность искажения температурного поля при смене лопаток и способствует увеличению КПД индукционного нагрева

Дня обеспечения измерений температур на поверхности лопаток ГТД при термоциклических испытаниях на установке с ВЧГ4-25/ 0 44 использованы компьютерная измерительная система и тепловизор Визуальный контроль и

непрерывная регистрация температурного поля лопатки с помощью этой системы позволяют обеспечить отладку режимов ИН по данным математического моделирования, контролировать правильность установки индуктора, получить экспериментальное температурное поле лопатки, близкое к заданному, и повысить точность в моделировании термонапряженного состояния лопаток при термоциклических испытаниях Полученные результаты использовались при проведении испытаний неохлаждаемых и охлаждаемых лопаток турбин авиадвигателей по разработанной методике

По нормативным документам двигатели с недостаточной прочностью корпуса к эксплуатации не допускаются Практика показала, что расчетами на непробиваемость трудно предусмотреть все опасные положения оборвавшейся лопатки в момент удара о корпус и ее взаимодействие в этот момент с вращающимся ротором Более надежное заключение по непробиваемости можно получить при проведении испытаний и экспериментов Однако проведение испытаний корпуса на непробиваемость имеет ряд технических сложностей Рабочую лопатку необходимо оборвать на заданных оборотах При этом должны быть выполнены сертификационные требования (обрыва лопатки на требуемом режиме по пазу замка или по профильной части лопатки)

Для обеспечения испытаний корпусов на непробиваемость требуется разработка новых методов моделирования обрыва лопаток Моделирование обрыва лопатки на вращающемся объекте - актуальная и сложная проблема Моделирование режимов термонагружения лопаток с целью их обрыва при испытаниях вращающегося рабочего колеса является новой областью применения ИН

Способы испытаний корпусов на непробиваемость с использованием взрыва или подрезки пера в заданном сечении с помощью электродов, размещенных в зоне пера лопатки, имеют много недостатков

В настоящей работе разработан метод термонагружения и управляемого обрыва опасного сечения лопатки на заданных оборотах с помощью устройства обрыва, состоящего из термочувствительных элементов с использованием ИН По данному методу контрольное сечение ослабляется до запаса прочности меньше единицы, после чего усиливается накладками из термочувствительного материала с повышением запаса прочности до величины 1,3-1,4 После достижения максимальной центробежной нагрузки на заданной частоте вращения производится ИН лопатки до заданной критической температуры накладок Усиливающие контрольное сечение лопатки накладки из материала

с большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала лопатки, при достижении критической температуры удлиняются и сбрасываю! с себя нагрузку. Запас прочности в опасном сечении лопатки падает до 0,9 и происходит ее обрыв.

Разработанный метод термоуправляемого обрыва был опробован на моделях И реальных лопатках вентилятора и турбины авиадвигателей при испытаниях на установке с осевым нагружением и на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева.

По результатам расчета термонагруженпя с использованием метода конечных элементов определены параметры ослабленного сечения лопатки и термочувствительных элементов устройства обрыва. На рис. ¡7 приведена фотография рабочего колеса ГТД после испытаний с обрывом ослабленных лопаток.

Диапазон термоуправления обрывом лопаток к возможности указанного метода обрыва определяются температурами накладок. Сравнение экспериментальных данных на разгонном стенде и на лабораторной установке с осевым нагружением показывает совпадение результатов испытаний по обрыву лопатой при вое произведении центробежной нагрузки 42000 П и средней температуры ¡80 °С.

Pise. 17, Рабочее колесо ГТД с двумя платными логтткзмк после тсрмоуправлЩ. мота обрыва двух асдабжнккх лопаток-. 1 - у,нз>ки>р, 2 - мест оборванных лот-Ток, 3 - шт атные лопатки

I коле испытаний с термонагрркенкем на двух штатных лопатках наблю-

дались забоины от оборванных лопаток Кроме того, на указанном рисунке показаны оставшиеся части накладок и хвостовики оборванных лопаток, а также испытательная оснастка с индуктором

В целом испытания с термоуправляемым обрывом лопаток рабочего колеса турбины авиадвигателя прошли успешно Две ослабленные лопатки, диаметрально расположенные, оборвались почти одновременно на одной частоте вращения при небольшом уровне вибраций Это подтверждает надежность разработанной методики термоуправяяемого обрыва с использованием ИН и позволяет уберечь подшипниковую опору изделия и другое испытательное оборудование стенда от разрушения при испытаниях

Разработанный метод и устройство с использованием скоростного нагрева позволяют осуществить термонагружение и гарантированный обрыв лопатки на вращающемся объекте по ее заданному сечению при нагрузке, соответствующей заданной частоте вращения, при испытаниях на разгонном стенде и на двигателе с учетом сертификационных требований

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации поставлена и решена актуальная научно-техническая проблема в области электротехнологии, имеющая важное народно-хозяйственное значение, заключающаяся в разработке методик, математических моделей, конструкций индукторов и устройств для определения и обеспечения эффективных режимов и параметров систем скоростного индукционного нагрева изделий с учетом термонапряжений при технологических процессах и прочностных испытаниях, позволяющих повысить производительность электротермических установок индукционного нагрева и качество продукции, точность моделирования термонапряженного состояния изделий В работе получены следующие основные научные результаты

1 Предложена расчетная методика определения режима скоростного нагрева в несколько стадий (с подбором максимально допустимых удельной поверхностной мощности и скорости нагрева), позволяющая рассчитывать параметры индукционного нагрева, температурные поля и поля термических напряжений в изделиях с учетом электрических, тепловых и упругопластиче-ских свойств материала, зависящих от температуры и фазовых превращений В качестве ограничений на термические напряжения использованы пределы текучести материала на растяжение и сжатие, значения которых зависят от материала и температуры

2 Разработанные математические модели реализованы в виде пакета программ, который позволяет рассчитывать процессы нагрева и охлаждения из-

делий с сечениями круглой, прямоугольной и сложной формы из различных, в том числе ферромагнитных, материалов Приведены рекомендации по выбору числа и продолжительности стадий нагрева Произведена проверка моделей на адекватность, результаты которой показывают, что расчетные и экспериментальные данные имеют хорошее совпадение

3 Методика расчета скоростного индукционного нагрева позволяет обеспечить проведение технологического процесса с максимально высокой производительностью при соблюдении ограничений по предельно допустимым значениям термических напряжений в нагреваемом изделии В частности, по результатам проведенных расчетных исследований показано, что переход от одностадийного нагрева изделий к скоростному нагреву в несколько стадий позволяет повысить производительность установок индукционного нагрева в среднем в 2 раза (в зависимости от материала и размеров сечения изделий) При этом, минимальное время нагрева при скоростном трехстадийном нагреве реализуется при достижении допустимого перепада температур по сечению изделия в конце первой стадии, поддержании указанного перепада на второй стадии при достижении заданной температуры поверхности и обеспечении теплового состояния с заданной точностью на третьей стадии

4 Получены с использованием пакета расчетных программ результаты расчета скоростных режимов индукционного нагрева заготовок круглого и прямоугольного сечения из ферромагнитной и аустенитной стали и из других немагнитных металлов с учетом термонапряжений, разных размеров изделий, свойств металлов, частоты тока, удельной поверхностной мощности (скорости нагрева) и других параметров нагрева На основе математического моделирования выявлены закономерности влияния частоты тока на тепловое и термонапряженное состояние изделий круглого и прямоугольного сечений при скоростном индукционном нагреве

5 Получены обобщенные данные по допустимым скоростям нагрева в зависимости от размеров изделий и перепадам температур по сечению изделий в зависимости от теплопроводности разных металлов на начальной стадии скоростных режимов индукционного нагрева, когда термические напряжения максимальны

6 В результате исследований режимов скоростной поверхностной закалки с использованием разработанной математической модели установлено, что при повышении удельной мощности (скорости нагрева) от 5 до 100 кВт/см2 резко возрастают градиенты температур, термических и остаточных напряжений в поверхностных слоях стальной детали Показано, что максимумы растягивающих остаточных напряжений под поверхностным закаленным слоем

отсутствуют, что свойственно закалке с принудительным охлаждением При превышении максимальных удельных мощностей нагрева (80-Л00 кВт/см2 и более) термические напряжения и деформации и остаточные напряжения могут превысить допустимые значения и, кроме того, толщина закаленного слоя может быть меньше минимально допустимого значения по технологическим требованиям (не менее 100 мкм для большинства деталей) Сравнение расчетных и экспериментальных данных имеет хорошее совпадение

7 Разработаны методики термоциклических испытаний, которые использованы с учетом скоростных режимов индукционного нагрева и охлаждения и термонапряженного состояния дисков и лопаток турбин авиадвигателей на разгонных стендах и установках ЦИАМ Получены результаты расчетно-экспериментальных исследований и оптимизации многозонного индукционного нагрева с выбором скоростей нагрева и частот тока, которые позволили повысить точность воспроизведения термонапряженного состояния дисков при физическом моделировании на стендах и определения ресурса узлов авиадвигателей при стендовых испытаниях В частности, получено, что при повышении скорости нагрева дисков в 5 раз производительность установок индукционного нагрева повышается в 2 раза, а затраты на электроэнергию при термоциклических испытаниях снижаются в 2,8 раза

8 В результате расчегно-экспериментальных исследований разработаны и внедрены конструкции индукторов (5 вариантов), индукционные устройства и испытательные системы при термоциклических испытаниях дисков и лопаток ГТД с использованием скоростного индукционного нагрева на стендах и установках ЦИАМ

9 Разработан метод термонагружения рабочих колес ГТД для обрыва лопаток с использованием скоростного индукционного нагрева, который был применен при специальных испытаниях на разгонном стенде ЦИАМ

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Кувалдин А Б. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях Монография / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин - Новосибирск Изд -во НГТУ, 2005 - 284 с - (Серия «Современные электротехнологии»)

2 Лепешкин А Р Особенности расчета индукционного нагрева и термонапряженного состояния заготовок прямоугольно! о сечения /АР Лепешкин // Электричество 2006 № 5. - С 49-53

3 Кувалдин А.Б Скоростной индукционный нагрев металлических цилиндрических заготовок с учетом 1 ермонапряжений и упруго-пластических

свойств / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Электричество 2002 № 6 - С 30-36

4 Кувалдин А Б Режимы скоростной индукционной поверхностной закалки с учетом термических и остаточных напряжений / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Электричество 2004 № 5 - С 29-33

5 Кувалдин А Б Расчет скоростного индукционного нагрева цилиндрических заготовок с учетом ограничений по термическим напряжениям / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Электротехника. 2000 № 3 - С 48-53

6 Кувалдин А Б Математическое моделирование регулируемого охлаждения изделий прямоугольного сечения с использованием индукционного нагрева при ограничениях на термонапряжения / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин //Электрометаллургия, 2003 Ш1 -С 13-20

7 Кувалдин А Б Выбор режимов индукционного нагрева и конструкций индукторов для моделирования термонапряженного состояния вращающихся дисков турбин / А Б Кувалдин, АР Лепешкин//Электротехника 1998 №5 -С 39-46

8 Кувалдин А Б Особенности термомеханического нагружения дисков турбомашин с применением индукционного нагрева / А Б Кувалдин, А.Р Лепешкин // Вестник МЭИ 1996 №3 -С 107-112

9. Кувалдин А Б Скоростной индукционный нагрев заготовок из ферромагнитной стали с учетом ограничений по термическим напряжениям / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // «Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики» 2001 № 2 - С 91-94

10 Лепешкин АР Циклические испытания дисков ГТД на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева /АР Лепешкин, В Н Без-носенкова Г Авиационно-космическая техника и технология Со научных трудов Вып 19 Тепловые двигатели и энергоустановки Харьков Гос аэрокосмический ун-т "ХАИ", 2000 - С. 456-460

11 Лепешкин АР Моделирование нестационарного теплового и термонапряженного состояния дисков и рабочих колес ГТД на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева при неизотермических циклических испытаниях /АР Лепешкин /7 Авиационно-космическая техника и технология Сб научных трудов ~ Харьков Национальный азрокосмический ун-т "ХАИ", 2001 Вып 23 Двигатели и энергоустановки - С 144-146

12 Лепешкин А Р Индукторы для нагрева дисков ГТД при испытаниях на разгонных стендах /АР Лепешкин // Авиационно-космическая техника и технология Сб научных трудов - Харьков. Национальный аэрокосмический ун-т "ХАИ", 2002 Вып 334 Двигатели и энергоустановки - С 163-165

13 Лепешкин АР Методика статического тензометрирования дисков ГТД на разгонных стендах с учетом неравномерного нагрева /АР Лепешкин // Авиационно-космическая техника и технология Вып 41/6 Харьков Национальный аэрокосмический ун-т "ХАИ" 2003 -С 154-159

14 Лепешкин А Р Формирование испытательных циклов дисков ГТД при термоциклических испытаниях на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева /АР Лепешкин, С А Лепешкин // Вестник двигателс-строения 2006 №3 -С 121-125,

15 Лепешкин А Р Методика моделирования нестационарного теплового и термонапряженного состояния деталей с учетом фазовых превращений при закалке токами высокой частоты /АР Лепешкин, С А Лепешкин // Вестник двигателестроения 2004 №2 -С 116-119

16 Бычков Н Г Экспериментальная оценка эффективности ремонтных технологий охлаждаемых лопаток Г ГД с жаростойкими покрытиями при испытаниях на термоусталость с индукционным нагревом / Н Г Бычков, А Р Лепешкин, А В Першин, Е В Петров, Ю Г Быков // Вестник двигателестроения 2006 №2 -С 143-146

I7.Лепешкин АР Методика испытаний и оценка термоциклической долговечности моделей жаровых труб камер сгорания ГТД с защитными покрытиями с использованием высокочастотного индукционного нагрева /АР Лепешкин, Н Г Бычков, А В Першин и др // Авиационно-космическая техника и технология Харьков ХАИ, 2004 Вып 8/16 - С 158-162

18 Кувалдин А Б Возможности повышения производительности установок индукционного нагрева при ограничениях на термонапряжения в нагреваемых заготовках / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Электротехнология на рубеже XX-XXI веков / Сб докл науч-техв семинара, посвященного 100-летию профессора А Д Свенчанского - М Издательство МЭИ, 2005 - С 145-153

19 Кувалдин А Б Расчет скоростного индукционного нагрева заготовок и изделий с учетом термонапряжений / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» С-ПбГЭУ «ЛЭТИ», ООО ВНИИТВЧ-ЭСТЕЛ Санкт-Петербург 2005 -С 110-117

20 Кувалдин А Б Численное моделирование скоростных режимов индукционного нагрева и термонапряженного состояния нагреваемых изделий / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Исследования в электротехнологии и применяемой информатике Труды международной конференции Катовице 2005 -С 71-78 (на англ яз)

21 Кувалдин А Б Исследование скоростного индукционного нагрева с учетом термонапряжений / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Международный семинар Ильменау Германия 2002 — С. 1(13)—8(13) (на англ яз)

22 Кувалдин А Б Моделирование скоростного индукционного нагрева деталей xpyinoro и прямоугольного сечения при ограничениях по термическим напряжениям / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // IV Среднеевропейская международная научно-техническая конференция "Компьютерные методы и системы в автоматике и электротехнике" г Ченстохова, Польша 2001 т 2 -С 177-179

23 Кувалдин А Б Численный расчет режимов индукционного нагрева и термонапряженного состояния заготовок / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Индукция, диэлектрик, проводимость Труды международного семинара по нагреву внутренними источниками. Индукция, диэлектрик, проводимость Труды международного семинара по нагреву внутренними источниками Падуя Италия 12-14 сентября. 2001 - С. 467-472 (на англ яз )

24 Кувалдин А Б Скоростная индукционная закалка с учетом термических и остаточных напряжений / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // Международный симпозиум по нагреву с помощью электромагнитных источников 'ИЭИ-04" Индукция, диэлектрик, проводимость и электромагнитная обработка материалов Падуя Италия 23-25 июня 2004 - С 661-666 (на англ яз)

25 Лепешкин АР Методы управления обрывом лопаток вращающихся роторов для обеспечения испытаний корпусов ГТД и ГТУ на непробиваемость /АР Лепешкин, НГ Бычков Н ЦИАМ 2001-2005 Основные результаты научно-технической деятельности В двух томах Том II / Колл авторов / Под общей научной редакцией В А. Скибина, В И Солонина, М Я Иванова -М ЦИАМ,2005 -С 423-428

26 Кувалдин А Б Расчет распределений температур, термических и остаточных напряжений при скоростной индукционной закалке / А Б Кувалдин, А Р. Лепешкин // Материалы международной научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках'' Тверь ТГТУ 2004 -С 64-68

27 Лепешкин А Р Многозонное управление скоростными режимами индукционного нагрева для воспроизведения термонапряженного состояния дисков турбин авиадвигателей /АР Лепешкин // Электротехника, электромеханика и электротехнодогич ЭЭЭ-2005 Материалы второй научно-технической конференции с международным участием / Под ред Н И Щуро-ва - Новосибирск изд-во Н) ТУ. 2005 -С 192 -195

28 Лепешкин А Р Управление обрывом лопаток ГТД при оценке корпусов на непробиваемость /АР Лепешкин, Н Г Бычков, Б А Балуев // Материалы докладов международной научно-техническая конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения'" Самара 2006, - в 2 ч 41 -С 188-189

29 Патент № 2167502 Россия Способ индукционного нагрева металлических изделий и устройство для его реализации / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин//2000 Бюл № 14

30 Патент № 2235982 Россия Способ термоциклических и разгонных испытаний дисков турбомашик / А.Р Лепешкин. В А Скибин // 2004 Бюл № 25.

31. Св. № 27705 РФ Устройство термоциклических и разгонных испытаний дисков турбомашин /АР Лепешкин, В А Скибин // 2003 Бюл № 4

32 Патент № 2080745 Россия Индуктор для методического нагрева заготовок в форме тела вращения / А.Б Кувалдин, А Р Лепешкин // 1997 Бюл Лг» 15

33 Патент № 2101883 Россия Индуктор для нагрева вращающихся деталей /А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // 1998 Бюл № 1

34 Патент № 2080745 Россия Устройство для индукционного нагрева / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин //1999 Бюл № 12

35 Патент № 2122297 Россия Индуктор для нагрева деталей сложной формы/АР Лепешкин, Н Г Бычков, А В Першин// 1998 Бюл №32

36 Патент № 2250451 Россия Установка для испытаний лопаток турбомашин на термомеханическую усталость / Н Г Бычков, А Р Лепешкин, А В Першин // 2005 Бюл № 11

37 Патент № 2176389 Россия Способ испытания корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации /АР Лепешкин, Н Г Бычков // 2001 Бюл № 33

38 Патент № 2267760 Россия Способ испытания корпуса роторных машин на непробиваемость и устройство для его реализации /АР Лепешкин, Н Г Бычков, Б А Балуев // 2006 Бюл № 1

39 Патент № 2254668 Россия Ламповый генератор /АР Лепешкин, I IГ Бычков. А В Першин//2005 Бюл № 17

40 Патент № 2248682 Россия Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала /АР Лепешкин, А Б Кувалдин, Н Г Бычков, А В Першин // 2005 Бюл № g

41 Патент № 2259548 Россия Способ испытаний деталей с теплозащитным покрытием на долговечность /АР Лепешкин, Н Г Бычков, А В Пер-

шин 2005 Бюл №24

42 Патент № 37900 Россия Устройство для нагрева диэлектрического или полупроводникового материала / АР Лепешкин, А Б Кувалдин, НГ Бычков, А В Першин, С А Лепешкин // 2004 Бюл № 3 3

43 Патент № 37829 Россия Устройство для термоциклических испытаний деталей с теплозащитным покрытием / Н Г, Бычков, А Р Лепешкин, А В Першин // 2004 Бюл № 30

44 Свидетельство № 19977 Россия Высокочастотный инвертор / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин, С А Лепешкин // 2001 Бюл № 28

45 Свидетельство № 7268 Россия Индукюр для нагрева вращающихся деталей / А Б Кувалдин, А Р Лепешкин // 1998 Бюл № 7

46 Патент № 2270534 Россия. Индуктор для нагрева вращающихся деталей /АР Лепешкин, С.А Лепешкин // 2006 Бюл № 5

47 Патент № 2297114 Россия Индуктор для кагрева деталей сложного профиля/НГ Бычков, АР Лепешкин, А В Першин 2007 Бюл №2

Подписано в печать Зак. Тир. /00 п.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ИЗДЕЛИЯХ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ.

1.1. Термические напряжения в тепловых процессах.

1.2. Моделирование термических напряжений и нагрузок в дисках и лопатках авиадвигателей при стендовых испытаниях.

1.3. Процессы индукционного нагрева и термические напряжения. Постановка задач.

2. КОМПЛЕКС МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА И ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ.

2.1. Алгоритм и блок-схема расчета параметров индукционного нагрева и термонапряжений в изделиях.

2.2. Особенности расчета режимов индукционного нагрева, теплового и термонапряженного состояния дисков и лопаток при термоциклических испытаниях.

2.3. Описание комплекса программ.

2.4. Проверка адекватности и область применения математических моделей.

2.5. Выводы по главе.

3. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ СКОРОСТНОГО ИНДУКЦИОННОГО СКВОЗНОГО НАГРЕВА И ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

В ИЗДЕЛИЯХ.

3.1. Скоростные режимы индукционного нагрева металлических заготовок круглого сечения.

3.2. Режимы индукционного нагрева с учетом допустимых скоростей нагрева и теплопроводности материалов.

3.3. Скоростные режимы нагрева ферромагнитных стальных заготовок круглого и квадратного сечений.

3.4. Скоростные режимы нагрева немагнитных металлических заготовок прямоугольного сечения.

3.5. Выводы по главе.

4. РАСЧЕТ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА С УЧЕТОМ ТЕРМИЧЕСКИХ И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ИНДУКЦИОННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКЕ ИЗДЕЛИЙ.

4.1. Свойства стальных изделий в процессе закалки с учетом фазовых превращений.

4.2. Индукционная поверхностная закалка и скоростной нагрев.

4.3. Расчет скоростных режимов индукционной поверхностной закалки изделий с учетом термических и остаточных напряжений.

4.4. Выводы по главе.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА И ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСКОВ ТУРБИН АВИАДВИГАТЕЛЕЙ.

5.1. Моделирование эксплуатационных термомеханических и тепловых нагрузок дисков турбин при испытаниях и испытательное оборудование.

5.2. Разработка и выбор конструкций индукторов для моделирования скоростных режимов индукционного нагрева и термонапряженного состояния дисков.

5.3. Моделирование скоростных режимов нагрева и термонапряженного состояния дисков с использованием индукционного нагрева.

5.4. Режимы работы тиристорных преобразователей частоты и энергетические характеристики систем при термоциклических испытаниях дисков.

5.5. Выводы по главе.

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА И ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК АВИАДВИГАТЕЛЕЙ.

6.1. Воспроизведение эксплуатационных термомеханических и тепловых нагрузок лопаток турбин ГТД при испытаниях.

6.2. Испытательное оборудование и устройства индукционного нагрева для термоциклических испытаний лопаток.

6.3. Воспроизведение скоростных режимов нагрева и термонапряженного состояния лопаток с использованием индукционного нагрева при термоциклических испытаниях.

6.4. Метод моделирования режимов термонагружения изделий для обрыва лопаток.

6.5. Выводы по главе.

Актуальность работы. Применение электротермического оборудования дает возможность интенсифицировать многие технологические процессы с одновременным улучшением качества продукции и, во многих случаях, снижением материало- и энергоемкости. Среди различных видов электронагрева видное место занимает индукционный нагрев (ИН) материалов, который имеет ряд преимуществ перед другими видами нагрева.

Установки индукционного нагрева применяются в различных отраслях народного хозяйства: машиностроении, металлургии, строительстве, сельском хозяйстве и др. С использованием индукционного нагрева осуществляются разнообразные технологические процессы, к которым относятся нагрев металлов и сплавов под обработку давлением, термообработка и различные виды поверхностной и объемной закалки изделий, прочностные испытания изделий и деталей машин, плавка черных и цветных металлов, сварка и пайка металлов. Этот перечень технологических процессов не является исчерпывающим из-за их большого количества и непрерывного дополнения.

Большой вклад в развитие теории и техники индукционного нагрева внесли (В.П. Вологдин, А.Е. Слухоцкий, А.В. Донской, А.С. Васильев, В.А. Бо-дажков, А.Н. Шамов, М.С. Немков, Э.Я. Рапопорт, К.З. Шепеляковский, И.Н. Кидин, А.Б. Кувалдин, A.M. Вайнберг, B.C. Чередниченко, С.В. Дресвин, В.Б. Демидович, JT.C. Зимин и др.).

Основоположником теории температурных напряжений является выдающийся русский физик Н.А. Умов, создавший общую теорию термоупругих явлений в 1881 г.

Начиная с 20-30-х г. до 70-х г. прошлого века теория температурных напряжений развита в работах И.А. Одинга, С.П. Тимошенко, Н.Н. Лебедева, Н.Ю. Тайца, И.А. Биргера и Б.Ф. Шорра и за рубежом: Б. Боли, Дж. Уэйнера,

Б. Гейтвуда, Г. Паркуса, С. Мэнсона и др. В последующие годы появились многие другие работы по расчету термонапряжений, в том числе и с использованием современных программных комплексов.

Впервые провели аналитические расчеты индукционного нагрева с учетом упругих термонапряжений Г.И. Бабат и М.Н Родигин в 1950 г.

В 70-х годах в работах С.А. Яицкова, Ю.И. Сосинова, П.М. Чайкина,

A.Э. Эрмана, М.Я. Смелянского и в 90-х годах в работах Н.Д. Морозкина рассматривались процессы индукционного нагрева с учетом упругих термических напряжений в цилиндрических изделиях. В работах А.С. Васильева,

B.Б. Демидовича, В.В. Царевского также учитывались термонапряжения.

В конце 80-х и начале 90-х годов были проведены расчеты процессов индукционного нагрева и термонапряжений в цилиндрических заготовках с использованием численных методов в работах Р.П. Хичке и В. Андре технического университета Ильменау (Германия). В данных работах не проводились исследования режимов нагрева и не даются какие-либо практические рекомендации по ограничению скорости индукционного нагрева с учетом термонапряжений.

В начале 90-х годов в работе Э.Я. Рапопорта рассмотрены вопросы управления индукционным нагревом изделий с учетом упругих термонапряжений. При решении указанных задач мощности и длительности стадий нагрева, температуры и термонапряжения в изделиях оценивались приближенно без учета теплового и термонапряженного состояния кромок прямоугольного сечения.

Однако расчеты параметров электромагнитного поля, полей температур и термонапряжений в изделиях в большинстве указанных выше работ проводились с использованием аналитических методов, что ограничивало учет свойств материалов (теплофизические свойства, модуль упругости, коэффициент термического расширения и др.) в зависимости от температуры. В частности, в некоторых случаях указанные зависимости не учитывались, расчеты термонапряжений осуществлялись в упругой области и результаты этих расчетов сравнивались с пределом прочности материалов, что являлось некорректным.

В целом в указанных выше работах при обычном нагреве заготовок с постоянным тепловым потоком или невысокими скоростями нагрева и с обеспечением требуемой равномерности нагрева увеличивается общее время нагрева заготовок и изделий и снижается производительность установок индукционного нагрева.

В настоящее время для увеличения производительности, которая приводит к повышенным значениям термических напряжений, применяется скоростной индукционный нагрев (СИН).

При применении СИН, в первую очередь, при ускоренном изотермическом нагреве под обработку давлением или при нагреве под поверхностную закалку, особо важно учитывать термические напряжения, возникающие в изделиях из-за больших температурных перепадов [1-32] .

Совершенствование методик расчета СИН, а также систем управления и конструкций индукторов для специализированных автоматических линий, установок и стендов позволяет повысить производительность установок ИН с использованием больших тепловых потоков, качество продукции, экономию электроэнергии и уменыцить тепловые потери.

Для разработки эффективных технологических процессов и специальных испытаний необходим комплексный подход решения поставленных задач с учетом всех возможностей и преимуществ индукционного нагрева и свойств материала изделий. При этом следует помнить, что в ускорении индукционного нагрева основным фактором являются перепады температур в изделии, определяющие термические напряжения. В связи с этим, технологи должны четко представлять специфику индукционного нагрева, иметь представление о характере температурных полей в изделиях при различных скоростях нагрева. Учитывая все факторы технологического процесса и возможности индукционного нагрева, надо стремиться использовать максимальные допустимые перепады температур в изделии. Расчетные и экспериментальные исследования показывают, что увеличение допустимого перепада температур сокращает время нагрева изделия под обработку давлением. Однако при этом возникают большие термические напряжения по сечению изделий в процессе нагрева, которые могут превысить допустимые значения при данной температуре и привести к браку. Аналогичные проблемы возникают при индукционной поверхностной закалке и в процессах охлаждения изделий и слябов.

Проблемы в области индукционного нагрева изделий с учетом термических напряжений освещены в литературе недостаточно, что препятствует разработке скоростных режимов индукционного нагрева и нестационарного термонапряженного состояния изделий в различных электротехнологических процессах (под обработку давлением, поверхностную закалку и др.) и специальных испытаниях в отраслях машиностроения для повышения производительности электротермических установок индукционного нагрева и качества выпускаемой продукции.

Для решения указанных задач требуется разработка критериев достижения эффективных режимов СИН изделий с учетом термических напряжений на базе современной вычислительной техники.

Цель работы. Разработка эффективных режимов скоростного индукционного нагрева изделий с сечениями различной формы сечения с учетом упруго-пластических термических напряжений в них для различных электротехнологических процессов, включая моделирование теплового и термонапряженного состояния дисков и лопаток авиадвигателей с учетом требований и условий эксплуатации, а также конструкций оборудования, систем нагрева и питания.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. разработка методики определения скоростного индукционного нагрева в несколько стадий с учетом термонапряжений.

2. разработка комплекса математических моделей для расчета скоростных режимов нагрева и охлаждения с учетом термических и остаточных напряжений.

3. теоретическое обобщение основных закономерностей скоростного индукционного нагрева изделий.

4. разработка методики оптимального моделирования многозонного нагрева изделий и дисков авиадвигателей с использованием скоростного индукционного нагрева.

5. разработка методик термоциклических испытаний дисков и лопаток авиадвигателей и термонагружения изделий для обрыва лопаток.

6. разработка конструкций индукторов, индукционных устройств и испытательных систем для скоростного индукционного нагрева изделий.

Методы исследования. Исследования скоростных режимов ИН изделий проводились методами математической физики и вычислительной математики. Разработанные математические модели базировались на методах: конечных элементов и разностей, оптимизации, численного интегрирования и их комбинациях. Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанных методик на специальных установках и стендах.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов базируются на корректном использовании известных численных методов и подтверждены хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Научная новизна. В диссертационной работе:

1. предложена и разработана общая методика расчета СИН в несколько стадий с учетом допустимых термонапряжений (по критерию предела текучести) и перепадов температуры по сечению изделий, реализованная в виде комплекса программ для расчета параметров электромагнитного поля, тепловых и механических величин. Даны рекомендации по выбору удельных мощностей на каждой стадии в зависимости от частоты тока, теплопроводности, размеров изделий.

2. разработаны рекомендации в виде обобщенных данных о допустимых скоростях индукционного сквозного нагрева изделий и перепадах температуры в зависимости от формы и размеров сечения изделия, теплофизических и механических характеристик. Даны рекомендации по выбору минимального числа и продолжительности стадий (этапов) СИН.

3. разработана методика комплексного расчета режимов нагрева и охлаждения при скоростной поверхностной закалке с учетом термических и остаточных напряжений. Исследовано влияние удельных мощностей СИН и режимов охлаждения на тепловое состояние, термические и остаточные напряжения в деталях.

4. разработана методика оптимального моделирования многозонного нагрева и термонапряженного состояния дисков авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) с источниками переменной частоты при стендовых испытаниях с использованием СИН и с учетом эксплуатационных условий термо-нагружения.

5. разработаны методики термоциклических испытаний дисков и лопаток ГТД и термонагружения изделий для обрыва лопаток с использованием скоростного индукционного нагрева и индукционные устройства.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. На основе предложенной методики расчета создан пакет программ для расчета параметров нагрева и охлаждения изделий с учетом термонапряжений, отличающийся удобством интерфейса ввода и вывода, вводом количества стадий нагрева и охлаждения и исходной информации на каждой стадии.

2. Разработанный пакет программ дает возможность реализовать в инженерной практике методики: определения оптимальных скоростных режимов ИН и охлаждения с учетом термонапряжений в изделиях, выявлять обобщенные закономерности СИН. С использованием разработанного пакета программ могут быть получены результаты расчета СИН, позволяющие экономить электроэнергию.

3. Разработаны рекомендации по применению пакета программ для расчета режимов СИН заготовок круглого и прямоугольного сечения (под обработку давлением и др.) и под поверхностную закалку с учетом ограничений на термические и остаточные напряжения для повышения производительности установок ИН и качества продукции.

4. Разработаны рекомендации по применению пакета программ для расчета режимов СИН при моделировании теплового и термонапряженного состояния деталей авиадвигателей. Разработаны методики СИН изделий с выбором частот тока и скоростей нагрева, методики термоциклических испытаний, оригинальные конструкции индукторов, индукционные устройства и испытательные системы, метод термонагружения изделий с использованием индукционного нагрева для обеспечения обрыва лопаток при специальных испытаниях. На основе этих исследований и оптимизации многозонного индукционного нагрева повышена точность воспроизведения термонапряженного состояния деталей при физическом моделировании на стендах и определения ресурса деталей авиадвигателей, сокращены сроки испытаний и расход электроэнергии.

5. Разработанные методики и рекомендации по оборудованию использованы в практике ЦИАМ. Результаты экспериментальных исследований и испытаний, полученные с применением разработанных методик на стендах и установках ЦИАМ для испытаний деталей авиационных ГТД, приведены в 15 научно-технических отчетах ЦИАМ, в том числе (2000ч-2004 г.г.), а также патентах РФ на конструкции оборудования (16 изобретений).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. методики определения скоростного индукционного нагрева в несколько стадий с учетом термонапряжений.

2. комплекс математических моделей для расчета скоростных режимов нагрева и охлаждения с учетом термических и остаточных напряжений.

3. теоретическое обобщение основных закономерностей скоростного индукционного нагрева изделий с учетом ограничений по термическим напряжениям на основе проведенных расчетах и экспериментальных исследованиях.

4. методики оптимального моделирования многозонного нагрева изделий и дисков авиадвигателей с использованием скоростного индукционного нагрева.

5. методики термоциклических испытаний дисков и лопаток авиадвигателей и термонагружения изделий для обрыва лопаток.

6. конструкции индукторов, индукционные устройства и испытательные системы для скоростного индукционного нагрева изделий.

6.5. Выводы по главе

1. Разработана методика термоциклических испытаний, которая использована с учетом скоростных режимов индукционного нагрева и охлаждения и термонапряженного состояния лопаток турбин авиадвигателей на установках ЦИАМ.

2. С помощью разработанной математической модели рассчитаны скоростные режимы индукционного нагрева неохлаждаемых и охлаждаемых лопаток турбин с учетом стендовых условий и параметры индукторов.

3. Получены результаты расчетно-экспериментальных исследований скоростных режимов лопаток с учетом параметров охлаждающего воздуха при термоциклических испытаниях.

4. Разработаны и внедрены конструкции индукторов, ламповый ВЧ генератор и другие индукционные устройства и испытательные системы при термоциклических испытаниях изделий и лопаток с использованием скоростного индукционного нагрева на установках ЦИАМ.

5. Разработан метод термонагружения рабочих колес ГТД для обрыва лопаток с использованием скоростного индукционного нагрева, который был применен при специальных испытаниях на разгонном стенде ЦИАМ.

5.1. Проведенный анализ существующих способов обрыва лопаток при испытаниях корпусов на непробиваемость выявил существенные недостатки, затрудняющие реализацию указанных методов.

5.2. Разработано устройство обрыва лопатки с использованием термочувствительных элементов и индуктора. Проведены экспериментаьные исследования нагрева и термонагружения лопаток и их моделей с моделированием их обрыва.

5.3. Разработаны методика расчета и модели лопаток с управляемым обрывом.

265

5.4. Разгонные испытания рабочего колеса ГТД с обрывом лопаток прошли успешно. Лопатки оборвались на одинаковой частоте вращения, что подтверждает надежность разработанной методики. При этом, методика и программа испытаний позволили сохранить элементы системы индукционного нагрева и испытательное оборудование разгонного стенда от разрушения. Подтверждена эффективность разработанной методики обрыва лопаток рабочих колес ГТД на разгонном стенде.

5.5. Сравнение экспериментальных данных на разгонном стенде и на установке с индукционным нагревом и осевым нагружением показывает совпадение результатов испытаний по обрыву лопаток при одинаковых параметрах: центробежной нагрузке и температуре.

266

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации поставлена и решена актуальная научно-техническая проблема в области электротехнологии, имеющая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в разработке методик, математических моделей, конструкций индукторов и устройств для определения и обеспечения эффективных режимов и параметров систем скоростного индукционного нагрева изделий с учетом термонапряжений при технологических процессах и прочностных испытаниях, позволяющих повысить производительность электротермических установок индукционного нагрева и качество продукции, точность моделирования термонапряженного состояния изделий.

В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Предложена расчетная методика определения режима скоростного нагрева в несколько стадий (с подбором максимально допустимых удельной поверхностной мощности и скорости нагрева), позволяющая рассчитывать параметры индукционного нагрева, температурные поля и поля термических напряжений в изделиях с учетом электрических, тепловых и упруго-пластических свойств материала, зависящих от температуры и фазовых превращений. В качестве ограничений на термические напряжения использованы пределы текучести материала на растяжение и сжатие, значения которых зависят от материала и температуры.

2. Разработанные математические модели реализованы в виде пакета программ, который позволяет рассчитывать процессы нагрева и охлаждения изделий с сечениями круглой, прямоугольной и сложной формы из различных, в том числе ферромагнитных, материалов. Приведены рекомендации по выбору числа и продолжительности стадий нагрева. Произведена проверка моделей на адекватность, результаты которой показывают, что расчетные и экспериментальные данные имеют хорошее совпадение.

3. Методика расчета скоростного индукционного нагрева позволяет обеспечить проведение технологического процесса с максимально высокой производительностью при соблюдении ограничений по предельно допустимым значениям термических напряжений в нагреваемом изделии. В частности, по результатам проведенных расчетных исследований показано, что переход от одностадийного нагрева изделий к скоростному нагреву в несколько стадий позволяет повысить производительность установок индукционного нагрева в среднем в 2 раза (в зависимости от материала и размеров сечения изделий). При этом, минимальное время нагрева при скоростном трехстадийном нагреве реализуется при достижении допустимого перепада температур по сечению изделия в конце первой стадии, поддержании указанного перепада на второй стадии при достижении заданной температуры поверхности и обеспечении теплового состояния с заданной точностью на третьей стадии.

4. Получены с использованием пакета расчетных программ результаты расчета скоростных режимов индукционного нагрева заготовок круглого и прямоугольного сечения из ферромагнитной и аустенитной стали и из других немагнитных металлов с учетом термонапряжений, разных размеров изделий, свойств металлов, частоты тока, удельной поверхностной мощности (скорости нагрева) и других параметров нагрева. На основе математического моделирования выявлены закономерности влияния частоты тока на тепловое и термонапряженное состояние изделий круглого и прямоугольного сечений при скоростном индукционном нагреве.

5. Получены обобщенные данные по допустимым скоростям нагрева в зависимости от размеров изделий и перепадам температур по сечению изделий в зависимости от теплопроводности разных металлов на начальной стадии скоростных режимов индукционного нагрева, когда термические напряжения максимальны.

6. В результате исследований режимов скоростной поверхностной закалки с использованием разработанной математической модели установлено, что при повышении удельной мощности (скорости нагрева) от 5 до 100 кВт/см2 резко возрастают градиенты температур, термических и остаточных напряжений в поверхностных слоях стальной детали. Показано, что максимумы растягивающих остаточных напряжений под поверхностным закаленным слоем отсутствуют, что свойственно закалке с принудительным охлаждением. При превышении максимальных удельных мощностей нагрева у

80+100 кВт/см и более) термические напряжения и деформации и остаточные напряжения могут превысить допустимые значения и, кроме того, толщина закаленного слоя может быть меньше минимально допустимого значения по технологическим требованиям (не менее 100 мкм для большинства деталей). Сравнение расчетных и экспериментальных данных имеет хорошее совпадение.

7. Разработаны методики термоциклических испытаний, которые использованы с учетом скоростных режимов индукционного нагрева и охлаждения и термонапряженного состояния дисков и лопаток турбин авиадвигателей на разгонных стендах и установках ЦИАМ. Получены результаты расчетно-экспериментальных исследований и оптимизации многозонного индукционного нагрева с выбором скоростей нагрева и частот тока, которые позволили повысить точность воспроизведения термонапряженного состояния дисков при физическом моделировании на стендах и определения ресурса узлов авиадвигателей при стендовых испытаниях. В частности, получено, что при повышении скорости нагрева дисков в 5 раз производительность установок индукционного нагрева повышается в 2 раза, а затраты на электроэнергию при термоциклических испытаниях снижаются в 2,8 раза.

8. В результате расчетно-экспериментальных исследований разработаны и внедрены конструкции индукторов (5 вариантов), индукционные устрой

1. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 200 с.

2. Кувалдин А.Б. Теория индукционного и диэлектрического нагрева. -М.: МЭИ, 1999.-80 с.

3. Кувалдин А.Б. Технологические процессы с применением индукционного нагрева. -М.: МЭИ, 1990. 104 с.

4. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях: Монография. Новосибирск: Изд.-во НГТУ, 2005. - 284 с. - (Серия «Современные электротехнологии»).

5. Лепешкин А.Р. Особенности расчета индукционного нагрева и термонапряженного состояния заготовок прямоугольного сечения // Электричество. 2006. № 5. С. 49-53.

6. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Скоростной индукционный нагрев металлических цилиндрических заготовок с учетом термонапряжений и упруго-пластических свойств // Электричество. 2002. № 6. С. 30-36.

7. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Режимы скоростной индукционной поверхностной закалки с учетом термических и остаточных напряжений // Электричество. 2004. №5.-С. 29-33.

8. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Особенности термомеханического нагружения дисков турбомашин с применением индукционного нагрева // Вестник МЭИ. 1996. № 3. С. 107-112.

9. Кувалдин А.Б.,Лепешкин А.Р. Выбор режимов индукционного нагрева и конструкций индукторов для моделирования термонапряженного состояния вращающихся дисков турбин // Электротехника. 1998. № 5. С. 39-46.

10. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Расчет скоростного индукционного нагрева цилиндрических заготовок с учетом ограничений по термическим напряжениям//Электротехника. 2000. № 3. С. 48-53.

11. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Математическое моделирование регулируемого охлаждения изделий прямоугольного сечения с использованием индукционного нагрева при ограничениях на термонапряжения // Электрометаллургия. 2003. № 1.-С. 13-20.

12. Счастливцев В.М. Новые представления о природе бейнитного превращения в сталях // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. №7.-С. 24-29.

13. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. М.: Машиностроение, 1993. -304 с.

14. Ганиев Р.Ф., Кобаско Н.И., Фролов К.В. Научно-технический прогресс в машиностроении. Выпуск № 18. Волновая технология в упрочнении материалов. Под ред. Фролова К.В. М. 1989.

15. Приходько В.М. Металлофизические основы разработки упрочняющих технологий / В. М.Приходько, Л.Г. Петрова, О.В. Чудина. М.: Машиностроение. 2003. - 380 с.

16. Барвинок В.А., Вишняков М.А. Повышение усталостной прочности высоконагруженных деталей ГТД методом термопластического упрочнения // Тяжелое машиностроение. 2004. № 10. С. 6-9.

17. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М. : Машгиз, 1965. 232 с.

18. Овсеенко А.Н., Щур Д.М. Определение осевых остаточных напряжений в цилиндрических деталях // Заводская лаборатория. 1976. № 12. С. 1505-1508.

19. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е., Саввина Н.М. Усталость крупных деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. 237 с.

20. Кравченко Б.А., Куцило В.Г., Гутман Г.Н. Термопластическое упрочнение резерв повышения прочности и надежности деталей машин. Под ред. Б.А. Кравченко. Самара: 2000. - 215 с.

21. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка. М.: Машиностроение, 1990. 239 с.

22. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. М.: Машиностроение. 1972. 287 с.

23. Rudnev V. Tips for successful induction hardening of steels. Industrial Heating. January, 2005. P. 29-30.

24. Rudnev V. Be aware of the 'fine print' in the science of metallurgy of induction hardening: part 1. Industrial Heating. March, 2005. P. 37- 42.

25. Rudnev V., Loveless D., et al. Handbook of Induction Heating. Marcel Dekker. 2003.

26. Ловелес Д.Л., Кук P.Л., Руднев В.И. Современные тенденции в технологии индукционной термической обработки в США // Металловедение и термическая обработка металлов. 2001. № 6.

27. Nacke В., Wrona Е. Design of complex induction hardening problems by the use of numerical simulation // Research in Electrotechnology and Applied Informatics. International Conference Proceedings. Katowice. 2005. P. 159-164.

28. Schwenk W. SDF Induction heating provides accurate contour hardening of PM Parts. Industrial heating, May, 2003. P. 51-53.

29. Вологдин В.П. Поверхностная индукционная закалка. М.: Оборон-гиз. 1947.

30. Серенсен С.В., Загриценко З.Т. Влияние поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты на сопротивление усталости валов из стали 40ХНМА. Выпуск № 235. М.: Оборонгиз, 1953. 23 с.

31. Tanaka К., Sato A. A mechanical view of transformation induced plasticity//Ingenieur-Archiv. 1985. № 55.-P. 147-155.

32. Гурченко П.С., Герман М.Л. Математическое моделирование температурного поля при закалке шестерен индукционным нагревом под слоем воды // Инженерно-физический журнал. 2000. Т. 73, № 2. С. 423-429.

33. Овсеенко А.Н. Остаточные напряжения во впадинах зубьев зубчатых колес, закаленных по контуру с нагревом ТВЧ // Исследования по упрочнению деталей машин: Тр. ЦНИИТМАШ. Вып. III. М.: Машиностроение, 1972.-С. 263-273.

34. Гузанов Б.Н., Мигачева Г.Н., Большакова М.Ю. Влияние поверхностного упрочнения на надежность и работоспособность зубчатых колес // Вестник машиностроения. 2005. № 9. С. 56-59.

35. Ушаков Б.К., Ефремов В.Н., Шишимиров В.А. Особенности закалки быстрорежущей стали при индукционном нагреве // Технология металлов. 1999. №4.-С. 2-4.

36. Barglik J., Ducki К. Mathematical modeling of continual induction surface hardening process // Research in Electrotechnology and Applied Informatics. International Conference Proceedings. Katowice. 2005. P. 173-178.

37. Dol^ga D. Modelling and simulations of induction surface hardening process // Research in Electrotechnology and Applied Informatics. International Conference Proceedings. Katowice. 2005. P. 165-172.

38. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Особенности скоростного индукционного нагрева под поверхностную закалку // Тезисы V Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение." Алушта. 2003. С. 22-25.

39. Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А. Методика моделирования нестационарного теплового и термонапряженного состояния деталей с учетом фазовых превращений при закалке токами высокой частоты // Вестник дви-гателестроения. 2004. № 2. С. 116-119. (Украина).

40. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1969. — 376 с.

41. Васильев А.С., Царевский В.В. Высокоинтенсивный индукционный нагрев // Электричество. 2001. № 12. С. 37-43.

42. Бровер Г.И., Варавка В.И., Русин А.П. Особенности строения и свойств инструментальных сталей после высококонцентрированного нагрева и отпуска // Физика и химия обработки материалов. 1988. № 5. С. 107113.

43. Chandler Н.Е. Almost amorphous structure produced by pulse hardening //Metal Progress. 1982. V. 122, № 4, P. 41-43.

44. Di Pieri C., Lupi S., Cappello A, Crepaz G. Capacitors discharge induction heating installations for high -frequency pulse hardening // 10-th UIE Congress, June 18-22. 1984. Stockholm, Sweden. 1984. n. 312.

45. Stahli H. Kurzzeit warmebehanalung. Bericht liber 12 Jahr // Hartertechn. Mitt., 1984. B. 39, № 3. S. 81-90.

46. Kapitza P. Proc. Roy. soc., 1927. A 115. P. 658.

47. Установки индукционного нагрева / A.E. Слухоцкий, B.C. Немков, H.A. Павлов и др. Л.: Энергоиздат. 1981. — 328 с.

48. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия. 1974. 263 с.

49. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л.: Машиностроение, 1974. 280 с.143 . Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. М.: Энергия, 1960. -456 с.

50. Волохонский Л.А. Вакуумные дуговые печи. М.: Энергоатомиздат, 1985.

51. Демьянушко И.В., Темис Ю.М. Определение циклической долговечности при проектировании роторов авиационных ГТД // Проблемы прочности и динамики в авиадвигателестроении. Вып. 2. Труды ЦИАМ. № 996. 1082.-С. 24-38.

52. Михайлова Э.А., Михайлова Н.А. Об эффективности замены сплава ЭИ698ВД дисков турбины ГТД на более жаропрочный сплав ЭП741НП // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. Харьков: ХАИ, 2001. Вып.23. Двигатели и энергоустановки.

53. Гончар Н.В. Применение факторного анализа для статистической обработки параметров пазов дисков компрессора // Авиационно-космическая техника и технология. Харьков: ХАИ, 2005. Вып. 9/25. - С. 88-92.

54. Михайлов А.Л. Критерий несущей способности дисков ротора турбины ГТД на основе математического моделирования объемного НДС // Вестник двигателестроения. Запорожье. 2003.№ 2. -С. 105-109.

55. Колотников М.Е. Предельные состояния деталей и прогнозирование ресурса газотурбинных двигателей в условиях многокомпонентного нагружения. Рыбинск: РГТА. 2003. - 135 с.

56. Патент № 2235982 РФ. Способ термоциклических и разгонных испытаний дисков турбомашин / А.Р.Лепешкин, В.А. Скибин. 2004. Бюл. №25.

57. Св. № 32272 РФ. Устройство для возбуждения и определения колебаний лопаток турбомашин / А.А. Хориков, А.Р. Лепешкин, В.А. Скибин. 2003. Бюл. № 25.

58. Св. № 33225 РФ. Устройство для испытаний деталей турбомашин / А.Р. Лепешкин, В.В. Андреев, Б.А. Балуев. 2003. Бюл. № 28.

59. Лепешкин А.Р. Циклические испытания дисков ГТД на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. Харьков: ХАИ, 2000. Вып. 9. Двигатели и энергоустановки. - С. 456-460.

60. Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А. Формирование испытательных циклов дисков ГТД при термоциклических испытаниях на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева // Вестник двигателестроения. 2006. №3.-С. 121-125.

61. Лепешкин А.Р. Моделирование термонапряженного состояния дисков ГТД при стендовых испытаниях // Тезисы докладов XLV Научно-технической сессии по проблемам газовых турбин.- Санкт-Петербург. 1998. -С. 55.

62. Лепешкин А.Р. Моделирование режимов разгона и нагрева дисков и рабочих колес ГТД с учетом процессов трения и теплообмена при испытаниях на разгонном стенде // Тезисы докладов международной конференции. Самара. 2001. Часть I. С. 253 -255.

63. Рабинович В.П., Васильченко Г.С. Установка ВРД-500 для прочностных испытания дисков диаметром до 500мм // Труды ЦНИИТМАШ. 1960. № 12.

64. Васильченко Г.С., Чернявский Л.Л., Романов B.C. и др. Установка ВРД-300 для прочностных испытаний рабочих колес высокооборотных турбин //Проблемы прочности. 1971. № 1 С. 97-100.

65. Горностай В.И., Баженов В.Г., Тонюк И.И. Разгонный стенд для испытания вращающихся элементов турбомашин // Проблемы прочности. 1973. № 10.-С. 100-103.

66. Козлов И.А., Городецкий В.Н., Ахременко В.Л. Стенд для исследования прочности дисков в широком интервале температур при программном нагружении // Проблемы прочности. 1975. №1. С. 111-113.

67. Демьянушко И.В., Суржин B.C. Проблемы автоматизированных циклических испытаний дисков и роторов на разгонных стендах // Проблемы прочности. 1981. №7.-С. 110-115.

68. Данилушкин А.И., Еленевский Д.С., Котенев В.И. и др. АСУ процессами многофакторных испытаний на специализированном стенде для прочностной доводки элементов конструкций // Проблемы прочности. 1990. №5. -С. 116-119.

69. Лепешкин А.Р. Разгонный стенд для прочностных испытаний дисков турбин // Тезисы докладов международной конференции "Экспериментальное оборудование и сертификация авиационной техники". Жуковский. 1995.

70. Трухний А.Д. Экспериментальная установка для исследования термоусталости моделей дисков газовых турбин // "Доклады научно-технической конференции". МЭИ. 1969.

71. Лепешкин А.Р. Оптимизация индукционного нагрева дисков ГТД при стендовых испытаниях // Тезисы докладов XLI научно-технической сессии по проблемам газовых турбин. Санкт-Петербург. 1994. - С. 109.

72. Капица П.Л. Устойчивость и переход через критические обороты быстровращающихся роторов при наличии трения // Журнал технической физики. Т. IX. Вып. 2. 1939. С. 124-147.

73. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. М.: Мир. 1985. 212 с.

74. Зарубин B.C., Станкевич И.В. Расчет теплонапряженных конструкций. М.: Машиностроение, 2005. - 352 с.

75. Иванов М.Я., Почуев В.П. Проблемы создания высокотемпературных турбин современных авиационных двигателей // Конверсия в машиностроении. 2000. № 5. С. 34-46.

76. Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплообмен вращающихся тел .- М.: Физматгиз. 1960. 509 с.

77. Stodola A. Die Dampf und Gasturbinen. 6 Auflage. 1924.

78. Патент № 2080745 РФ. Индуктор для методического нагрева заготовок в форме тела вращения / А.Б.Кувалдин, А.Р.Лепешкин. 1997. Бюл. № 15.

79. Патент № 2101883 РФ. Индуктор для нагрева вращающихся деталей /А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин. 1998. Бюл. № 1.

80. Св. № 7268 РФ. Индуктор для нагрева вращающихся деталей / А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин. 1998. Бюл. № 7.

81. Лепешкин А.Р. Индукторы для нагрева дисков ГТД при испытаниях на разгонных стендах // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. Харьков: ХАИ, 2002. Вып. 33/4. Двигатели и энергоустановки. С. 163-165.

82. Данилушкин А.И. Моделирование электромагнитных и тепловых полей при ускоренных термоциклических испытаниях дисков ГТД на автоматизированных стендах // Изв. вузов. Электромеханика. 1996. № 5-6. С. 109-113.

83. Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т. Магнитное поле некругового витка с током в однородной изотропной среде // Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №4.-С. 17-22.

84. А.с. № 1359915 СССР. Индуктор Авербуха для нагрева дисков /А.Е. Авербух // 1987. Бюл. № 46.

85. А.с. № 1399896 СССР. Способ индукционного нагрева кольцевой зоны плоского изделия / А.А. Базаров, А.И. Данилушкин, Л.С. Зимин, Э.Я.Рапопорт и др. 1988. Бюл. № 20.

86. А.с. № 1115247 СССР. Щелевой индуктор для нагрева вращающихся деталей / А.М.Симкин. 1984. Бюл. № 35.

87. А.с. № 1677879 СССР. Индукционная нагревательная установка / А.И. Данилушкин, Л.С. Зимин, Э.Я. Рапопорт и др. 1991. Бюл. № 34.

88. Св. № 12315 РФ. Устройство для индукционного нагрева / А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин. 1999. Бюл. № 12.

89. Св. № 19977 РФ. Высокочастотный инвертор / А.Б. Кувалдин, А.Р.Лепешкин, С.А. Лепешкин. 2001. Бюл. № 28.

90. Лепешкин А.Р. Система индукционного нагрева для многозонного регулирования теплового и термонапряженного состояния дисков ГТД наразгонном стенде // Тезисы докладов 5-го международного симпозиума «Авиационные технологии XXI века». Жуковский. 1999.

91. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Л.: Энерго-атомиздат. 1986.

92. Горелкин Н.М., Богов И.А. Стенд для экспериментального исследования температурных напряжений в лопатках // Энергомашиностроение. 1975. №9. С. 43-44.

93. Колотников М.Е., Солянников В.А. Программа эквивалентных испытаний лопатки турбины в лабораторных условиях // Проблемы прочности. 1991. №7-С. 89-92.

94. Писаренко Г.С., Петренко А.И. Об одной методике испытаний турбинных лопаток на термоусталость // Проблемы прочности. 1976. № 6 С. 100-105.

95. Третьяченко Г.Н., Волощенко А.П. К оценке влияния статической нагрузки на термостойкость моделей лопаток газовых турбин, работающих в условиях теплосмен // Проблемы прочности. 1971, № 2 С. 86-90.

96. NASA Tech. Brief., № 12, 1990, P. 1083.

97. Warren J.R., Cowles B.A. A simplifided thermal mechanical fatigue test method // Journal of engineering for gas turbines and power, Vol.108, №.3. 1986. -P. 515.

98. Бычков Н.Г., Лепешкин A.P., Першин A.B. Расчетно-экспериментальное определение термических напряжений неравномерно нагретой лопатки турбины // Тезисы докладов научно-технической сессии по проблемам газовых турбин. М. 1997. С. 69.

99. Бычков Н.Г., Лепешкин А.Р., Першин А.В. Индуктор для неравномерного нагрева лопаток турбины при стендовых испытаниях // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Авиационные технологии 2000". Жуковский, 1997. С. IV-48.

100. Патент № 2101883 РФ. Индуктор для нагрева деталей сложной формы / А.Р. Лепешкин, Н.Г. Бычков, А.В. Першин. 1998. Бюл. № 32.

101. Патент № 2250451 РФ. Установка для испытаний лопаток турбо-машин на термомеханическую усталость / Н.Г. Бычков, А.Р. Лепешкин, А.В. Першин. 2005. Бюл. №11.

102. Патент № 2254668 Россия. Ламповый генератор / Лепешкин А.Р., Бычков Н.Г., Першин А.В. 2005. Бюл. № 17.

103. Св. № 37900 РФ. Устройство для нагрева диэлектрического или полупроводникового материала / А.Р. Лепешкин, А.Б. Кувалдин, Н.Г. Бычков, А.В. Першин, С.А. Лепешкин. 2004. Бюл. № 13.

104. Патент № 2259548 Россия. Способ испытаний деталей с теплозащитным покрытием на долговечность / А.Р. Лепешкин, Н.Г. Бычков, А.В. Першин. 2005. Бюл. № 24.

105. Патент № 2248682 Россия. Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала / А.Р. Лепешкин, А.Б. Кувалдин, Н.Г. Бычков, А.В. Першин. 2005. Бюл. № 8.

106. Св. № 37829 РФ. Устройство для термоциклических испытаний деталей с теплозащитным покрытием / Бычков Н.Г., Лепешкин А.Р., Першин А.В., Лепешкин С.А. 2004.

107. Ляшенко Б.А., Ножницкий Ю.А., Чао-Шенжу. Термомеханические испытания теплозащитных покрытий на лопатках газовых турбин / Тезисы докладов международной н.-т. конференции по проблемам прочности ГТД. Киев. 2004.-С. 123-124.

108. Фишгойт А.В., Ножницкий Ю.А., Розанов М.А. и др. Прочность и трещиностойкость керамик с малыми поверхностными трещинами // Технология легких сплавов. 1997. № 4. С. 24—26.

109. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов. -М.: Машиностроение. 1998. -464 с.

110. Гецов Л.Б. Детали газовых турбин. Л.: Машиностроение, 1982. -296 с.

111. Патент № 2176389 РФ. Способ испытания корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации / А.Р. Лепешкин, Н.Г. Бычков. 2001. Бюл. №33.

112. Патент № 2207534 РФ. Способ испытания корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации / А.Р.Лепешкин, Н.Г. Бычков Н.Г. 2003. Бюл. № 18.

113. BR715 clears last certification hurdle before 717 flight // Flight. 1998. 15-21/VII. v. 154. 4634. P.12.

114. Air et Cosmos. 2004, № 1944. P. 25.

115. Aerospace testing International. 2004. № IX. P. 4.

116. Баженов В.Г., Тростенюк Ю.И., Захаров B.K. Универсальный разгонный стенд для повторно-статических испытаний крупногабаритных элементов роторов // Проблемы прочности. 1988, № 9. С. 114-116.

117. Патент № 2267760 РФ. Способ испытания корпуса на непробиваемость и устройство для его реализации / А.Р. Лепешкин, Н.Г. Бычков. 2006. Бюл № 1.

118. Лепешкин А.Р. Методики испытаний деталей ГТД на разгонных стендах // Сборник тезисов докладов II международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века". -М.: ЦИАМ. 2005. -том 2.-С. 166-167.

119. Кузнецов О.А., Смыслов В.И. Силовые воздействия на конструкцию самолета при отрыве лопатки двигателя и их воспроизведение на земле. // Ученые записки ЦАГИ. 1999. Том XXX, №3-4.

120. Колотников М.Е, Моссаковский П. А. Экспериментально-вычислительный подход к оценке непробиваемости корпусов // Сборник тезисов докладов II международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века". М.: ЦИАМ. 2005. том 2. - С. 179-180.