автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка и исследование индукционных систем для ремонтно-восстановительных технологий роторов газотурбинных двигателей



На правах рукописи

ГОЛОВАЧЁВ Александр Леонидович

Ж

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РОТОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

1 О ДЕК 2009

Самара 2009

003487317

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высше профессионального образования «Самарский государственный техничесю университет» на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий»

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Данилушкин Александр Иванович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук профессор

Лившиц Михаил Юрьевич

— кандидат технических наук, доцент Сабуров Валерий Васильевич

Ведущее предприятие: - ГОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится 29 декабря 2009 года в 14 час 30 мин н заседании диссертационного совета Д 212. 217. 04 при ГОУ ВПО «Самарскш государственний технический университет (СамГТУ) по адресу г. Самара, ул Первомайская, д. 18,1-й корпус, ауд. 4.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, npoci направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 главный корпус, ГОУ ВПО «Самарский государственный технически университет», ученому секретарю диссертационного совета Д 212. 217. 04 . Тел (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00. E-mail: krotkov@samgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ, авторефератом - на официальном Интернет-сайте СамГТУ http://postgrad.samgtu.ru

Автореферат разослан 26 ноября 2009 года.

1 Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.217.04,

кандидат технических наук, доцент

/

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи по созданию специализированных энергоэффективных систем индукционного нагрева для ремонтно - восстановительных технологий.

Актуальность проблемы. Проблема внедрения в промышленность прогрессивных технологий, совершенствования и внедрения эффективных методов повышения надежности и ресурса работы различных деталей и узлов машин остается, как никогда, актуальной. Это в полной мере относится к такой важной отрасли хозяйства, как газотранспортная отрасль, в которой в качестве привода газоперекачивающих агрегатов используются газотурбинные двигатели. Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от действующих термических и механических нагрузок, возникающих в отдельных элементах конструкции в процессе эксплуатации. Диски и колеса турбин и компрессоров относятся к наиболее ответственным элементам газотурбинных двигателей, испытывающим в процессе работы критические нагрузки. По причине ослабления посадки и износа дисков турбин наблюдается тенденция увеличения числа ремонтов газотурбинных агрегатов. Как показывает практика, большой процент выхода из строя таких деталей, как валы, лопатки, диски турбин и др. связан с усталостными разрушениями. Существенное влияние на выносливость этих деталей оказывает качество поверхностного слоя.

В настоящее время на отечественных заводах машиностроительных отраслей для увеличения ресурса работы деталей используются различные методы поверхностного упрочнения. Одним из таких методов обработки является термопластическое упрочнение, включающее две стадии: нагрев до заданной температуры и последующее спрейерное охлаждение.

В условиях дефицита энергоресурсов способ нагрева значительно определяет эффективность всего процесса термообработки, поэтому разработка нагревательных устройств и систем управления, обеспечивающих минимум энергозатрат при одновременном сокращении времени нагрева и полной автоматизации процесса термообработки, является важной задачей.

По истечении срока службы или выявления дефекта отдельных элементов или узлов роторов газотурбинных двигателей в процессе эксплуатации возникает задача разборки изделия с целью ремонта или замены вышедших из строя элементов. Использование для этих целей механической разборки невозможно без предварительного локального подогрева отдельных узлов или участков изделия. Аналогичная задача возникает при последующей сборке изделия после ремонта отдельных его узлов или деталей. Распространенный в настоящее время на предприятиях способ нагрева с помощью газовых горелок имеет ряд недостатков, не выдерживающих критики.

Применяемый в ряде случаев нагрев в печах сопротивления так же не позволяет обеспечить нагрев отдельных элементов конструкции без их разборки или локальный и интенсивный нагрев отдельных участков узла или детали. Более эффективным в этом случае является индукционный нагрев,

обеспечивающий избирательность и высокую скорость нагрева, что, в свою очередь, позволяет существенно уменьшить трудоемкость и сократить время на ремонтно-восстановительные работы. Однако, на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем.

Создание индукционной нагревательной системы для каждого технологического процесса требует индивидуального подхода к моделированию электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор - металл».

Моделирование процессов энергообмена при индукционном нагреве осложняется тем, что детали и узлы ротора турбоагрегата имеют сложную геометрию, различные электрофизические и теплофизические характеристики, зависящие от температуры. В этой связи актуальными задачами являются моделирование электромагнитных, тепловых полей и термонапряжений при индукционном нагреве изделий неканонического профиля, разработка методики проектирования энергоэффективных автоматизированных систем индукционного нагрева для специализированных ремонтных технологий и создание на этой основе специализированных индукционных нагревательных систем.

Работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР "Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева" (гос. регистрационный № 01200208264) и «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (гос. регистрационный № 01200602849) по заданию Министерства образования РФ.

Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической задачи по созданию специализированных энергоэффективных систем индукционного нагрева для ремонтно -восстановительных технологий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие

задачи:

1. Разработка математических моделей процессов индукционного нагрева изделий сложной геометрической формы, проблемно-ориентированных на создание индукционных нагревателей и систем автоматического управления температурными режимами.

2. Разработка специального математического, алгоритмического и программного обеспечения для расчета параметров и режимов работы индукционных нагревателей в установках специализированного назначения.

3. Разработка на базе проведенных исследований рекомендаций по выбору конструктивных и режимных параметров индукционных нагревателей, обеспечивающих при заданных параметрах нагрева улучшенные энерготехнологические характеристики.

Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа и конечных интегральных преобразований, теории электромагнитного поля, методы вычислительной математики, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Научная новнзна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области проектирования индукционных нагревательных установок в нетрадиционных сферах их применения.

Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров специализированных индукционных нагревательных установок, выбора эффективного режима работы и синтеза алгоритмов и систем автоматического управления процессами нагрева в ремонтных технологиях.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- разработан комплекс электротепловых и термомеханических моделей процесса индукционного нагрева изделий неканонического профиля, ориентированный на решение задач проектирования и автоматического управления специализированными нагревательными установками для ремонтных технологий роторов газотурбинных двигателей;

- предложен метод расчета конструктивных и режимных параметров индукционной системы, включающий последовательный расчет электромагнитных, тепловых и термомеханических полей с учетом их взаимного влияния и наличия ограничений на предельно допустимые температуры и максимальные термонапряжения.

- разработан алгоритм поиска конструкции индукционной системы для демонтажа и монтажа деталей и узлов ротора газотурбинного двигателя в процессе ремонтно-восстановительных работ, обеспечивающей требуемое по технологии смещение за минимальное время при наилучших энерготехнологических характеристиках индукционной системы.

Предложенные электротепловые модели на основе МКЭ позволяют широко использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для расчета электромагнитных и тепловых полей в других практически важных задачах индукционного нагрева, процессы которых описываются системами уравнений Максвелла и Фурье.

Полученные результаты положены в основу разработки конструкции индукционных нагревателей и систем управления режимами нагрева для ремонтно-восстановительных технологий ответственных деталей и узлов газотурбинных двигателей.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета электромагнитных и тепловых полей и термонапряжений при локальном индукционном нагреве деталей в процессе демонтажа с вала ротора и при монтаже на вал ротора при выполнении ремонтно- восстановительных работ на роторах газотурбинных двигателей;

- разработана и реализована на ЭВМ программа расчета смещений при локальном индукционном нагреве деталей сложного профиля, обеспечивающая минимальное время нагрева;

разработан комплекс индукционных устройств для термоупрочнения зубцовой зоны диска ротора газотурбинного двигателя, обеспечивающих энергоэффективный режим нагрева;

разработаны энергоэффективные устройства и системы управления для индукционного нагрева узлов и деталей сложного профиля при ремонтно-восстановительных работах роторов турбоагрегата;

разработана и реализована система автоматического управления процессом термоупрочнения дисков роторов газотурбинных двигателей на базе управляющей микропроцессорной техники;

Полученные результаты внедрены на специализированной установке циклического действия для термоупрочнения дисков роторов газотурбинных двигателей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново 2005); Третьей Всероссийской научной конференции, «Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами» (г.Самара, СамГТУ, 2006); Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль», (г.Тольятти: ТГУ, 2006); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии», (ХШ Бенардосовские чтения), г.Иваново, ИГЭУ, 2006); VI М1ЖНАРОДНА НАУКОВО-ТЕХШЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ «ЕФЕКТИВШСТЬ ТА ЯКИСТЬ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПРОМИСЛОВИХ П1ДПРИСМСТВ». 21-23 травня 2008р., Мар1уполь, Укра1на; Всероссийской научной конференции «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ», г.Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), 2007,2008 гг.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 3 публикации в издании го перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста; содержит 64 рисунка и 12 таблиц, список использованных источников, включающий 92 наименования и 3 приложения.

На защиту выносятся следующие положения.

- комплекс электротепловых и термомеханических моделей процесса индукционного нагрева изделий неканонического профиля, проблемно ориентированный на решение задач проектирования и автоматического управления специализированными нагревательными установками для ремонтнно-восстановительных технологий газотурбинных двигателей;

- методика расчета конструктивных и режимных параметров индукционной системы для термоупрочнения диска, включающая последовательный расчет электромагнитных, тепловых полей и термонапряжений с учетом их взаимного влияния и наличия ограничений на предельно допустимые температуры и максимальные термонапряжения;

- алгоритм поиска конструкции индукционной системы для демонтажа и монтажа деталей и узлов ротора газотурбинного двигателя в процессе ремонтно-восстановительных работ, обеспечивающей требуемое по технологии смещение за минимальное время при наилучших энерготехнологических характеристиках индукционной системы.

- специализированная установка для циклической термообработки дисков роторов турбоагрегатов и технические средства реализации программного управления.

Краткое содержание работы.

Во введении показана актуальность проблемы, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая полезность, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор работ, посвященных современному состоянию теории и практики в области индукционного нагрева, использованию индукционных нагревательных установок в различных технологических процессах; выполнен анализ проблемы моделирования электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор-металл».

Показано, что преобладающее большинство проведенных исследований, выполненных российскими и зарубежными учеными, ориентировано на создание оптимальных конструкций и режимов работы индукционных нагревательных установок для работы в комплексе с деформирующим оборудованием, обеспечивающим наибольшую экономическую эффективность производства.

Исследуемые в настоящей работе системы индукционного нагрева имеют ряд специфических особенностей, которые заключаются, прежде всего, в сложной геометрии обрабатываемых изделий, повышенных требованиях к допустимым термонапряжениям и смещениям и обусловленной этими факторами необходимостью использования сложных математических моделей для описания электромагнитных, тепловых и термомеханических процессов. Разработке математических моделей, ориентированных на решение задач проектирования конструкции и режимов работы индукционных нагревателей деталей сложной конфигурации, посвящены приведенные ниже исследования.

Во второй главе рассмотрены задачи математического моделирования процесса индукционного нагрева деталей, имеющих сложную геометрию, с учетом специфики ремонтно-восстановительных работ.

Сложность конфигурации изделия, разнородность его структуры и жесткие технологические требования к процессу делают в большинстве ситуаций неприемлемым использование аналитических методов расчета электромагнитных и тепловых полей. Указанные выше причины обусловили необходимость применения численных методов расчета на этапе идентификации объекта и проектирования индукционной системы.

Для решения тепловой задачи с учетом реальных режимов теплообмена с окружающей средой в качестве общей исходной модели температурного поля для задач моделирования процессов термоупрочнения принято трехмерное нелинейное нестационарное уравнение теплопроводности

(Щт)дт{хм) Мх{т)дт{х>*г'г)

э +—

Эу

Эг Эх|_ Эх э

Я(Г)Э т(х,у,г,т) ду

+ Ьг

л(т)

, п (1)

Эг

Здесь т(х, у, г, т) - температурное распределение в металле изделия, Ср(т,\ у(т\ л(т) - удельные теплоемкость, плотность металла и коэффициент теплопроводности, -функция распределения плотности

внутренних источников тепла, т - время нагрева.

Объемная плотность внутренних источников тепла, индуцируемых в металле изделия, определяется дивергенцией вектора Пойнтинга П = -с11у[ЕН]> где {я}, {е\- векторы напряженности магнитного и электрического полей соответственно.

Расчет параметров процесса производится с помощью вычислительного комплекса, включающего три последовательных алгоритма:

1. алгоритм расчета электромагнитных процессов, протекающих в системе, «индуктор - нагреваемое изделие».

2. алгоритм расчета нестационарной теплопроводности, описывающий температурное распределение в детали сложной геометрии.

3. алгоритм расчета упругих деформаций, используемый для расчета электродинамических усилий, смещений и концентрации напряжений в различных точках элементов конструкций.

Выполнение конечно-элементного расчета состоит в прохождении следующих шагов: описание расчетной области (геометрической модели); создание конечно-элементной модели; задание физических характеристик материала изделия, выбор типа расчета, выбор метода решения и расчетных параметров (количество итераций); решение; исследование результатов.

Характер распределения источников тепла при индукционном нагреве зависит от многих факторов, обусловленных электро - и теплофизическими свойствами материала, частотой источника питания, температурой нагрева. Для решения электромагнитной задачи используется конечно-элементная модель, которая позволяет учесть практически все особенности исследуемого процесса. Задача решалась в программных пакетах Е1сш 5.2, Рет1аЬ 3.0.

Квазистационарные электромагнитные поля определяются уравнениями Максвелла:

Ух{Я}={УЬЧУЛ+{Л}+К} (2)

где Ух- оператор ротора; V--оператор дивергенции; {Н}—вектор

магнитной напряженности; {У}—полный вектор плотности тока (намагниченность); {у}—вектор плотности источника тока; {/е}—вектор возбужденного вихревого тока;{/^}—вектор плотности тока, обусловленный

движением; / — время; {¿^ — вектор напряженности электрического поля;

{б}-вектор магнитной индукции;

Для учета нелинейной зависимости ц [Н ) в ферромагнитных областях

разработан итерационный алгоритм многократного решения результирующей системы уравнений. В начальной стадии расчета задается значение ,и=со/и/ по всей области ферромагнитных макроэлементов, затем вычисляются распределенные параметры поля, что позволяет на следующей стадии расчета корректировать ц внутри каждого конечного элемента в зависимости от значения напряженности магнитного поля в данной области. Итерации повторяются до полной сходимости процесса. Определение магнитной проницаемости производится с помощью введения в программу расчета полинома, аппроксимирующего кривую намагничивания.

Определение температурного поля нагреваемого изделия сводится к решению уравнения теплопроводности Фурье (1) с известной функцией распределения внутренних источников тепла, найденной в результате решения электромагнитной задачи (2), (3) и с граничными условиями на различных поверхностях вида

Л(т)-

дх

х=Х дТ

х=0

а[тс -Г(х,>-,г,/)]+аг0[тг4-Г4(Х.у.г.г)} <4>

-МП л(т)

■л(т)

л

дГ:

э>-

ЭГ

Эу

г=0

= - т{х, Г, г. г)] + ат0 [т4 - Г4 (*, У, г, ()}

>-=у

= «[ГС-Т{х,0,1Д+еа0\гс4 -Т4(х,0,г,/)]-

у=0

= а(г)[гс -Т(*.уДг)]+«г0Ь4-т4{х,у,0л)}

(6)

(7)

(8)

(9)

где а-А. коэффициент температуропроводности,; е -- степень черноты су

материала загрузки; стд - коэффициент излучения абсолютно черного тела; а — коэффициент теплообмена с окружающей средой. Начальные условия характеризуются произвольным в общем случае пространственным распределением температуры Т(х, у, г,0) = Т0 [х, у, г).

Задача теории упругости методом конечных элементов решается перемещениях, то есть искомыми непрерывными функциями в данном случа являются функции перемещений точек тела:

и = и(х, у, г), V = \(х, у, I), ж = у, г) (10

Расчет перемещений и концентрации напряжений в элемента конструкций сводится к определению компонентов векторов перемещений

{А}={и,У,ъ]т,

деформаций

и напряжений

Г II 111

\£1~]£х'£у£г' 2 Уху' 2 о ^

И= \ах, <7, а,, ^ тдэ. Д г , ^ г„

(11

(12

(13

где символ «Т» означает операцию транспонирования матриц. С помощью разработанного пакета программ в работе поставлен ряд численных экспериментов, позволивших определить интегральные электрические параметры индукционных нагревателей, обеспечивающих энергоэффективность всего процесса ремонтно-восстановительных работ.

Третья глава посвящена анализу способов нагрева и вопросам обоснования и расчета энергоэффективной конструкции нагревательных устройств для процесса термоупрочнения зубцовой зоны диска газотурбинного двигателя (рис. 1).

Процесс термоупрочнения состоит из двух этапов: прогрева детали до температуры начала термопластических деформаций и последующего ее ускоренного охлаждения. Время нагрева и давление охлаждающей жидкости зависят от теплофизических характеристик упрочняемого диска и условия обеспечения равномерного прогрева выступа диска на заданную глубину.

Температурное поле диска в процессе нагрева является одним из основных факторов, влияющих на качество упрочняемого изделия. На характер температурного распределения, кроме мощности нагревателей, влияют условия теплообмена в процессе нагрева. Показано, что в процессе термообработки необходимо учитывать все три вида теплообмена - теплопроводность, конвективный и лучистый теплообмен, - которые являются нелинейными и в значительной степени зависят от формы, физических характеристик и температуры диска.

Проведен анализ режимов конвективного и лучистого теплообмена, показано, что для большинства практических задач достаточной оказывается оценка коэффициента теплообмена а по эмпирическим зависимостям, полученным обработкой экспериментальных результатов.

Рис. 1. Диск ротора

Рассмотрены варианты конструктивных решений систем индукционного нагрева диска или его части. Выполнены расчеты для трех вариантов конструкции индуктора: цилиндрического индуктора, охватывающего весь диск, щелевого индуктора, охватывающего зубцовую часть (сегмент) диска и плоского индуктора с магнитопроводом, расположенного над зубцовой зоной диска.

На рис.2 показано распределение температуры на поверхности диска в районе зубцовой зоны в конце нагрева. Мощность нагрева 20кВт, объемная удельная мощность \У=46*10б Вт/м3. Расчет показывает, что кривая температуры в зоне выступа выходит на заданное значение (Т=630 °С), за время, равное 800 сек.

Рис.2. Распределение температуры на поверхности диска при нагреве в щелевом индукторе

На рис. 3 представлены результаты расчета температуры по сечению | зубца в процессе нагрева. Перепад температуры между поверхностью выступа и ; линией, проведенной на расстоянии 10мм от поверхности выступа, не превышает 12 град, что соответствует установленным требованиям к технологии термоупрочнения. Выполнен расчет и анализ систем индукционного нагрева диска в процессе термоупрочнения для стандартного ряда частот в диапазоне 50-г8000 Гц. Как следует из приведенных результатов, выбор рабочей частоты зависит от многих факторов. Так, при одновременном нагреве всех выступов в цилиндрическом индукторе, охватывающем весь диск, решение должно быть принято в пользу промышленной частоты. При этом достигается максимальная

производительность, но одновременно увеличивается мощность однофазной нагрузки, что может привести к существенной несимметрии питающей сети. Кроме того, усложняется проблема одновременного охлаждения всей зубцовой зоны диска, так как в этом случае требуется спрейерное устройство большой мощности, целесообразность применения которого может быть экономически оправдана только при массовых заказах.

Толщин а, м Рис.3. Температурное распределение по сечению зубца

При локальном индукционном нагреве сегмента диска предпочтительным оказывается выбор более высокой частоты. В этом случае критерием могут служить как энергетические характеристики, так и конструктивные параметры. Анализ индукционных систем различных конструкций для локального нагрева сегмента диска показал, что преимущества по массогабаритным показателям, простоте конструкции, согласованию параметров индуктора и источника питания имеет щелевой индуктор без магнитопровода с рабочей частотой 8000 Гц.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки и исследования устройств индукционного нагрева для процессов демонтажа и монтажа конструкций роторов газотурбинных двигателей при ремонтно-восстановительных работах.

Ряд технологических операций, такие, как, например, выпрессовывание втулки с диска, выпрессовывание диска, установка диска на вал после ремонта, установка втулки на диск и ряд других выполняется с предварительным подогревом до определенной температуры.

При нагреве деталей в процессе демонтажа и последующих монтажных работ необходимо выполнить ряд требований. К ним относятся технологические (температурное распределение, термонапряжения и деформации в заданных точках), энергетические (расход энергии) и требования, обусловленные минимизацией массогабаритных показателей нагревательных устройств. Скорость нагрева и конечная температура должны обеспечить достаточное смещение для съема деталей при демонтаже и свободную посадку при сборке узлов. Возникающие при этом термонапряжения не должны превышать допустимых значений, которые могут привести к деформации детали или появлению микротрещин. Затраты на нагрев деталей должны быть минимальными.

В работе произведен сравнительный анализ температурных полей, термонапряжений и смещений при нагреве деталей в процессе демонтажа и монтажа ротора турбоагрегата нагревательными устройствами различного типа - открытым пламенем газовой горелки, нагревом в печи сопротивления, с помощью индукционных нагревателей. Показано, что локальный нагрев открытым пламенем газовой горелки не обеспечивает требуемое смещение по длине выступов, что приводит к необходимости применения съемников при демонтаже ротора. Кроме того, нагрев открытым газовым пламенем загрязняет атмосферу цеха, требует выполнения специальных мер техники безопасности при выполнении монтажных работ и не позволяет автоматизировать процесс нагрева.

Анализ нагрева в печи сопротивления показал, что равномерный нагрев всего диска приводит к значительному увеличению времени нагрева и непроизводительным затратам энергии, что значительно увеличивает стоимость ремонтно-восстановительных работ. Показано, что существенное снижение энергозатрат, уменьшение времени нагрева, улучшение массогабаритных показателей нагревательных устройств можно обеспечить за счет применения индукционного способа нагрева.

Разработан алгоритм поиска конструкции индукционной системы, обеспечивающей наилучшие энерготехнологические характеристики индукционной системы. Исследованы параметры и характеристики различных вариантов конструкций и режимов индукционных нагревателей, использующих различные частоты от 50 Гц до 8000 Гц. Уровень удельной мощности нагрева определяется с учетом допустимых значений термонапряжений, которые не должны превышать предел прочности сг0 = 5.7е8. Схема расположения

индукторов приведена на рис. 4.

Расчет производится в два этапа. На первом определяется магнитная проницаемость для загрузки в ходе решения нестационарной магнитной задачи. В результате решения нелинейной задачи магнитного нестационарного анализа получены диаграммы плотности тока (рис.5), индукции и магнитной проницаемости для заданного значения мощности в загрузке. Для полученного решения была определена средняя величина магнитной проницаемости в

поверхностном слое толщиной 7 мм. Этот параметр был использован в ходе решения линейной задачи гармонического анализа. Это позволило определить интегральные параметры индуктора.

Нагрев индукторами разных радиусов приводит к различному теплосодержанию диска. В работе получена зависимость теплосодержания диска от радиального размера индуктора и ширины нагреваемой зоны. Полученная зависимость позволяет определить радиальный размер индукторов, обеспечивающих минимальный расход энергии на неизбежный нагрев полотна и обода диска. По результатам исследований предложена конструкция индукционного нагревателя для нагрева ступицы диска перед напрессовкой на вал, обеспечивающая создание заданных смещений при минимальных энергозатратах на нагрев диска.

Рис. 4 Схема расположения индукторов

Для обоснования выбора частоты источника питания в работе выполнены исследования зависимости мощности нагрева от частоты тока.

В соответствии с полученными результатами минимальное время нагрева достигается при использовании индукционных нагревателей на частоте 50 Гц, что объясняется большей глубиной проникновения тока по сравнению с нагревом на повышенных частотах.

Таким образом, рациональным для рассматриваемого здесь в качестве примера диска компрессорной турбины является вариант одностороннего индуктора с радиальными размерами 0,12 - 0,27м, позволяющий получить нужные значения смещения в области ступицы.

Расчеты показывают, что полученное в результате нагрева смещение становится более равномерным, если использовать двухинтервальный режим

нагрева т.е. после нагрева выдержать диск при отключенном индукторе в течение 5-10 мин. Следует отметить, что необходимое для выравнивания температур время выдержки (при отключенном индукторе) совпадает по величине со временем транспортировки диска к месту монтажа, что позволяет использовать это время в качестве второго интервала.

б

Ъ 5 —*

и

с 4

2 з

н

о К ь

? 1

с

0

0 1 2 3 4 5 6 - 8 9 10 11

Толщин а. мм Рис.5. Диаграмма изменения плотности тока по глубине ферромагнитной загрузки

Таким образом, более технологичный вариант системы нагрева с одним индуктором на частоте 50Гц позволяет получить наилучшие результаты как по времени нагрева, так и по энергозатратам. Кроме того, применение источника питания промышленной частоты позволяет минимизировать капитальные затраты на электрооборудование индукционной установки.

Пятая глава посвящена разработке и опытно-промышленному внедрению автоматизированного стенда для термопластического упрочнения дисков без демонтажа с ротора газоперекачивающего агрегата.

Установлено, что оптимальным режимом термоупрочнения является следующий: нагрев необходимо осуществлять при температуре Т=650±25°С; давление охлаждающей жидкости должно составлять РОХЛ=480-520 кПа; время охлаждения 4±1с; температура охлаждающей жидкости не более 40°С.

Учитывая, что нагрев и охлаждение при термопластическом упрочнении осуществляются с торца выступа со стороны входа газового потока, важным обстоятельством является равномерный прогрев выступа диска на необходимую глубину для соответствующеего упрочнении боковых сторон выступа.

Эффективность охлаждения определяется расстоянием от спрейера до ¡упрочняемой поверхности и обеспечивается конструктивно.

Процесс термоупрочнения состоит из трех этапов: прогрева детали до температуры начала термопластических деформаций, поворота ротора на ¡заданный угол и последующего спрейерного охлаждения. Время нагрева, угол поворота, момент подачи охлаждающей жидкости определяются расчетом.

Нагрев упрочняемого сегмента диска осуществляется индуктором, в ¡'котором находятся 15 выступов. После нагрева выступов в течение заданного времени диск поворачивается таким образом, чтобы нагретый сегмент зашел в 'спрейер, после чего происходит быстрое охлаждение сегмента водой из спрейера. После этого в индуктор помещается следующий сегмент диска и ¡вновь включается нагрев. Вся операция термоупрочнения занимает до 2,5 час. в зависимости от типогабарита диска.

На рис.6 представлен опытно-промышленный образец установки термоупрочнения с микропроцессорной системой управления.

Рис. 6 Установка термоупрочнения

Автоматизированная система управления обеспечивает выполнение последовательности операций термопластического упрочнения в автоматическом или пооперационном режимах, а так же выполняет функции защиты от аварийных режимов.

Система автоматического управления режимами термоупрочнения реализована на базе микропроцессорного программируемого контроллера А О 0-1/ О - 8 У 5 Т Е М и станции оператора АСУ ЕРС-510-8У51-3. Использование контроллера в сочетании с компьютером позволяет полностью автоматизировать процесс термоупрочнения, обеспечить контроль за ведением

процесса, документирование, контроль за состоянием всех систем, защиту от аварийных ситуаций. Результаты проведенных экспериментальных исследований на опытно-промышленной установке подтвердили правильность полученных в работе теоретических положений и выводов

Основные научные и практические результаты

В диссертации получены следующие основные результаты.

1. Предложен комплекс электротепловых и термомеханических моделей процесса индукционного нагрева изделий неканонического профиля, проблемно ориентированный на решение задач проектирования и автоматического управления специализированными нагревательными установками для ремонтнно-восстановительных технологий газотурбинных двигателей; С ее помощью проведены расчеты и выполнен анализ распределения мощности электромагнитных источников тепла для различных вариантов конструкции индукционной системы. Получены диаграммы распределения плотности токов, мощности внутренних источников тепла по объему нагреваемого изделия.

2. Выполнен расчет и анализ систем индукционного нагрева диска в процессе термоупрочнения для стандартного ряда частот в диапазоне 50-^8000 Гц. Анализ индукционных систем различных конструкций для локального нагрева сегмента диска показал, что преимущества по массогабаритным показателям, простоте конструкции, согласованию параметров индуктора и источника питания имеет щелевой индуктор без магнитопровода с рабочей частотой 8000 Гц.

3. Произведен сравнительный анализ температурных полей, термонапряжений и смещений при нагреве деталей в процессе демонтажа и монтажа ротора турбоагрегата нагревательными устройствами различного типа - открытым пламенем газовой горелки, нагревом в печи сопротивления, с помощью индукционных нагревателей. Показано, что существенное снижение энергозатрат, уменьшение времени нагрева, улучшение массогабаритных показателей нагревательных устройств можно обеспечить за счет применения индукционного способа нагрева.

Разработаны методика и алгоритм поиска конструкции и режимов работы индукционных систем для нагрева элементов конструкций в процессе монтажных работ, обеспечивающих наилучшие энерготехнологические характеристики. Исследованы параметры и характеристики различных вариантов конструкций и режимов индукционных нагревателей, использующих различные частоты от 50 Гц до 8000 Гц. Показано, что для целей демонтажа с ротора и монтажа на ротор сложных конструкций ротора турбоагрегата наилучшие энерготехнологические характеристики достигаются при использовании индукционных нагревателей на частоте 50 Гц. Предложены конструкции индукционных нагревателей для нагрева ступицы диска перед демонтажам с вала или напрессовкой на вал, обеспечивающие создание заданных смещений с минимальными энергозатратами.

Разработана и реализована в виде опытно-промышленного образца автоматизированная установка термопластического упрочнения диска ротора газотурбинного двигателя ГТ-10-4.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях.

В изданиях по списку ВАК:

1. Головачев А. Л. Индукционная установка для термопластического упрочнения дисков газовых турбин. [Текст]/А.Л. Головачев A.A. Базаров, А.И. Данилушкин, Ю.М. Парамонов// Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки», 2005г., Вып 37. с. 17-23.

2. Головачев А.Л. Исследование электромагнитных полей при индукционном нагреве сложнопрофильного диска [Текст]/ Головачев А.Л., Данилушкин И.А// Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», Выпуск 37. 2005, с. 30-34.

3. Головачев А.Л. Расчет и анализ щелевого индуктора для термообработки замковой зоны диска турбины [Текст]/Базаров A.A., Головачев А.Л., Данилушкин А.И., Данилушкин В.А.//Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки», 2008г., Вып.1(21>- с. 144-148.

В других изданиях:

4. Головачев А.Л. Моделирование и оптимизация системы индукционного нагрева диска неканонического профиля. [Текст]/ Базаров A.A., Головачев А.Л., Данилушкин А.И. Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами. Труды Третьей Всероссийской научной конференции. Ч. 2.: г.Самара; СамГТУ, 2006. -С. 31-34.

5. Головачев А.Л. Система индукционного нагрева для термообработки елочного паза дисков турбоагрегатов. [Текст]/Головачев А.Л., Данилушкин А.И., Мишанин Е.А.// Вестник Саратовского гос. техн. универ-та. Вып.1. 2006. С. 108-113.

6. Головачев А.Л. Расчет и анализ устройств электронагрева для термопластического упрочнения дисков турбин. [Текст]/А.А. Базаров, А.Л. Головачев, А.И. Данилушкин.// «Актуальные проблемы энергосберегающих технологий». Труды Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, г. Екатеринбург, 2006г. С. 52-56.

7. Головачев А.Л. Исследование и разработка индукционной системы для термопластического упрочнения дисков турбоагрегатов. [Текст]/ А.Л. Головачев, А.И. Данилушкин, Е.А. Мишанин.// «Состояние и перспективы развития электротехнологии». Труды Международной научно-технической конференции (XIII Бенардосовские чтения), Ивановский государственный энергетический университет, г. Иваново, 2006. С. 167-169.

8. Головачев А.Л. Электротепловая модель индукционного нагрева дисков турбин в процессе термоупрочнения. [Текст]/Головачев А.Л., Данилушкин А.И., Мишанин Е.А., Алымов А.И.// Автоматизация технологических

процессов и производственный контроль. Сб. докл. Международной научно-технической конференции Ч. I - Тольятти: ТГУ, 2006.С.76-80.

9. Головачев АЛ. Применение индукционного нагрева для термообработки элементов и узлов турбоагрегатов. [Текст]/А.А.Базаров, A.JI. Головачев, А.И. Данилушкин.// ЕФЕКТИВШСТЬ ТА ЯКИСТЬ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПРОМИСЛОВИХ ПЩПРИСМСТВ. VI МБКНАРОДНА НАУКОВО-ТЕХШЧНА КОНФЕРЕНЩЯ.., Mapiymxrib, Укра1'на. 2008р С. 364-367.

10. Головачев А.Л. Расчет внутренних источников тепла при локальном индукционном нагреве сектора диска[Текст]/Головачев А.Л., Мишанин Е.А.// Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов. Труды Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов ТГУ, г. Тольятти, 2007. С. 65-67.

11. Головачев А.Л. Система автоматического управления процессом термоупрочнения. [Текст]/А.Л. Головачев, Е.А. Мишанин.//Сб. докл. Международной научно- техн. конференции. 4.1. Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г, Новосибирск, 2007. С.135-137.

12. Головачев А.Л. Синтез системы автоматического управления индукционным нагревом диска. [Текст]/Данилушкин А.И., Головачев А.Л., Бажутова Е.С., Иванов Д.А.// НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ// Материалы Всероссийской научно-технической конференции, г.Новосибирск, 2008. С. 11-13.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в работах [1, 2,4, 8] -электромагнитная и тепловая модели, [3, 6, 10]- численные эксперименты по расчету электромагнитных полей в системе, в работах [6, 9, 121 ~~ анализ температурных полей, в работах [5, 7, 11, 12] -синтез системы управления термоупрочнением.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04. Протокол № 19 от 24 ноября 2009.

Заказ № 970 Формат 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет. Типография СамГТУ. 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 Главный корпус

к

Введение.

1. Проблема создания эффективных систем нагрева для ремонтно-восстановительных работ роторов турбоагрегатов.

1.1. Современное состояние вопроса.

1.2.Обзор методов идентификации процессов индукционного нагрева.

2. Математическое моделирование электромагнитных и термомеханических процессов при индукционном нагреве изделий неканонического профиля.

2.1. Постановка задачи исследования.

2.2. Конечно — элементная модель электромагнитного поля.

2.3. Конечно—элементная модель температурного поля.

2.4. Конечно-элементная модель в задачах упругой деформации.

3. Расчет и анализ конструктивных решений нагревательных устройств для термоупрочнения диска.

3.1. Анализ дефектов деталей газотурбинных двигателей

3.2. Технология термоупрочнения

3.2.1 .Нагрев диска при термоупрочнении.

3.2.2.Охлаждение диска.

3.2.3.Нагрев в печи сопротивления

3.2.4. Расчет и анализ конструкций индукционных нагревателей для термоупрочнения.

3.2.4.1. Нагрев части (сегмента) диска в щелевом индукторе

3.2.4.2. Расчет температурных полей при индукционном нагреве сегмента диска в щелевом индукторе.

3.2.4.3. Нагрев части диска (сегмента) в линейном индукторе с магнитопроводом.

3.2.4.4. Нагрев диска в цилиндрическом индукторе.

3.2.4.5.Анализ конструктивных решений и рекомендации по их использованию.

4. Анализ способов и разработка систем нагрева для демонтажа и монтажа сложных конструкций.

4.1. Технология монтажных работ.

4.2. Расчет смещений и термонапряжений диска при нагреве газовой горелкой перед съемом диска с вала.

4.3. Расчет смещений и термонапряжений выступов диска при нагреве в печи сопротивления.

4.4. Расчет параметров индуктора для нагрева диска.

4.4.1. Алгоритм поиска конструкции индукционной системы.

4.5. Расчет параметров индуктора для нагрева диска перед посадкой на вал.

5. Реализация системы автоматического управления термоупрочнением диска.

5.1. Ремонтно-восстановительная технология упрочнения диска

5.2. Установка термопластического упрочнения.

5.3. Микропроцессорная система автоматического управления установкой ТПУ

Актуальность проблемы. Проблема внедрения в промышленность прогрессивных технологий, совершенствования и внедрения эффективных методов повышения надежности и ресурса работы различных деталей и узлов машин остается, как никогда, актуальной. Сказанное в полной мере относится к такой важной отрасли хозяйства, как газотранспортная отрасль, в которой в качестве привода газоперекачивающих агрегатов используются газотурбинные двигатели.

Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от действующих термических и механических нагрузок, возникающих в отдельных элементах конструкции в процессе эксплуатации. Диски и колеса турбин и компрессоров относятся к наиболее ответственным элементам газотурбинных двигателей, испытывающим в процессе работы критические нагрузки. Наиболее существенными среди них являются центробежные и газодинамические силы, высокие термонапряжения.

Как показывает практика, большой процент выхода из строя таких деталей, как валы, лопатки, диски турбин и др. связан с усталостными разрушениями. Существенное влияние на выносливость этих деталей оказывает качество поверхностного слоя.

По причине износа дисков турбины и ослабления посадки дисков на валах роторов наблюдается тенденция увеличения числа ремонтов газотурбинных двигателей.

Восстановление прочностных характеристик деталей, продление срока эксплуатации оборудования путем ремонтно-восстановительных работ позволяет сократить объем поставок нового дорогостоящего оборудования.

В настоящее время на отечественных заводах машиностроительных отраслей для увеличения ресурса работы деталей используются: различные методы поверхностного упрочнения. Одним из таких методов обработки является термопластическое упрочнение, включающее две стадии: нагрев до заданной температуры и последующее спрейерное охлаждение.

В условиях дефицита энергоресурсов способ нагрева значительно определяет эффективность всего процесса термообработки, поэтому разработка нагревательных устройств и систем управления, обеспечивающих минимум энергозатрат при одновременном сокращении времени нагрева и полной автоматизации процесса термообработки, является важной задачей.

В процессе эксплуатации по истечении срока службы или выявлении дефекта отдельных элементов или узлов роторов газотурбинных двигателей возникает задача разборки изделия с целью ремонта или замены вышедших из строя элементов. Использование для этих целей механической разборки невозможно без предварительного локального подогрева отдельных узлов или участков изделия. Аналогичная задача возникает при последующей сборке изделия после ремонта отдельных его узлов или деталей.

Распространенный в настоящее время на предприятиях способ нагрева с помощью газовых горелок имеет ряд недостатков, не выдерживающих критики.

Применяемый в ряде случаев нагрев в печах сопротивления не позволяет обеспечить нагрев отдельных элементов конструкции без предварительной разборки или выполнить локальный и интенсивный нагрев отдельных участков узла или детали при разборке или сборке таких сложных изделий, каким является ротор газотурбинного двигателя.

Единственной альтернативой в этом случае является экологически чистый эффективный способ индукционного нагрева, обеспечивающий избирательность и высокую скорость нагрева, что, в свою очередь, позволяет существенно уменьшить трудоемкость и сократить время на ремонтно-восстановительные работы.

Богатый опыт применения индукционного нагрева в различных областях промышленности - металлургии, машиностроении, различных специализированных производствах, на транспорте — убедительно показывает, что он является перспективным методом нагрева. По сравнению с другими видами нагрева он обладает рядом преимуществ, которые заключаются не только в возможности создания практически любой заданной 5 неравномерности распределения температуры, но и в обеспечении высокой интенсивности нагрева. Однако, на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем.

Создание индукционной нагревательной системы для каждого технологического процесса требует индивидуального подхода к моделированию электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор — металл». Моделирование процессов энергообмена при индукционном нагреве осложняется тем, что детали и узлы ротора турбоагрегата имеют сложную геометрию, различные электрофизические и теплофизические характеристики. В связи с этим возникает проблема разработки и реализации индукционных систем с пространственно распределенными источниками тепла, обеспечивающими требуемое температурное распределение по объему нагреваемого изделия или его части с заданным температурным градиентом.

Для повышения надежности и качества функционирования индукционных нагревательных систем требуется создание автоматизированных систем управления температурными режимами.

В этой связи актуальными задачами являются моделирование электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве изделий неканонического профиля, разработка методики проектирования энергоэффективных автоматизированных систем индукционного нагрева для специализированных ремонтных технологий и создание на этой основе специализированных,индукционных нагревательных систем.

Решение поставленной проблемы позволит применить результаты научно — исследовательской работы при капитальном ремонте роторов газотурбинных двигателей, применяемых в добыче, транспорте и подземном хранении газа.

Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической задачи по созданию специализированных энергоэффективных систем индукционного нагрева для ремонтно - восстановительных технологий на базе предложенных в работе математических моделей и методики проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математических моделей процессов индукционного нагрева изделий сложной геометрической формы, проблемно-ориентированной на создание индукционных нагревателей и систем автоматического управления температурными режимами.

2. Разработка специального математического, алгоритмического и программного обеспечения для автоматизированного расчета параметров и режимов работы индукционных нагревателей в установках специализированного назначения.

3. Разработка на базе проведенных исследований рекомендаций по выбору конструктивных и режимных параметров индукционных нагревателей, обеспечивающих при заданных параметрах нагрева улучшенные энерготехнологические характеристики.

Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете.

Работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР "Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева" (гос. регистрационный № 01200208264) и «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (гос. регистрационный № 01200602849) по заданию Министерства образования РФ.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа и конечных интегральных преобразований, теории электромагнитного поля, методы вычислительной математики, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Достоверность результатов работы оценивалась путем сравнения с результатами численных и физических экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области проектирования индукционных нагревательных установок в нетрадиционных сферах их применения. Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров специализированных индукционных нагревательных установок, выбора эффективного режима работы и синтеза алгоритмов и систем автоматического управления процессами нагрева в ремонтных технологиях.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- разработан комплекс электротепловых и термомеханических моделей процесса индукционного нагрева изделий неканонического профиля, ориентированный на решение задач проектирования и автоматического управления специализированными нагревательными установками для ремонтных технологий газотурбинных двигателей;

- предложен метод расчета конструктивных и режимных параметров индукционной системы, включающий последовательный расчет электромагнитных, тепловых и термомеханических полей с учетом их взаимного влияния и наличия ограничений на предельно допустимые температуры и максимальные термонапряжения.

- разработан алгоритм поиска конструкции индукционной системы для демонтажа и монтажа деталей и узлов ротора газотурбинного двигателя в процессе ремонтно-восстановительных работ, обеспечивающей требуемое по технологии смещение за минимальное время при наилучших энерготехнологических характеристиках индукционной системы.

Предложенные электротепловые модели на основе МКЭ позволяют широко использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для расчета электромагнитных и тепловых полей в других практически важных задачах индукционного нагрева, процессы которых описываются системами уравнений Максвелла и Фурье.

Полученные результаты положены в основу разработки конструкции индукционных нагревателей и систем управления режимами нагрева для ремонтно-восстановительных технологий ответственных деталей и узлов газотурбинных двигателей.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета электромагнитных и тепловых полей и термонапряжений при локальном индукционном нагреве деталей в процессе демонтажа и монтажа роторов газотурбинных двигателей;

- разработана и реализована на ЭВМ программа расчета термомеханических смещений при локальном индукционном нагреве деталей сложного профиля, обеспечивающая минимальное время нагрева;

- разработан комплекс индукционных устройств для термоупрочнения зубцовой зоны диска газотурбинного двигателя, обеспечивающих энергоэффективный режим нагрева;

- разработаны энергоэффективные устройства и системы управления для индукционного нагрева узлов и деталей сложного профиля при ремонтно-восстановительных работах роторов турбоагрегата;

- разработана и реализована система автоматического управления процессом термоупрочнения дисков роторов газотурбинных двигателей на базе управляющей микропроцессорной техники;

Полученные результаты внедрены на специализированной установке циклического действия для термоупрочнения дисков роторов газотурбинных двигателей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы » докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» 1

I (г.Иваново 2005); Третьей Всероссийской научной конференции t х «Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами» (Самара, Сам ГТУ, 2006); Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль», (г.Тольятти: ТГУ, 2006, 2007гг); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XIII Бенардосовские чтения), г.Иваново, ИГЭУ, 2006); VI международной научно-технической конференции ЕФЕКТИВШСТЬ ТА ЯКИСТЬ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПРОМИСЛОВИХ гаДПРИСМСТВ, 21-23 июня 2008г., Мариуполь, Украина; Всероссийской научной конференции «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ», Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г.Новосибирск: 2007, 2008гг и др.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 3 публикации в издании из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста; содержит 64 рисунка и 12 таблиц, список использованных источников, включающий 92 наименования и 3 приложения.

Выводы

1. Разработана и реализована в виде опытно-промышленного образца автоматизированная установка термопластического упрочнения дисков турбоагрегата газотурбинного двигателя с электронагревом.

2. По результатам исследований предложены устройства и системы автоматического управления, обеспечивающие программное управление всеми устройствами. Система автоматического управления режимами термоупрочнения, реализованная на базе микропроцессорного программируемого контроллера WAGO-1/O-SYSTEM и станции оператора АСУ IPC-510-SYSI-3, обеспечивает удовлетворительное качество управления в стационарных и переходных режимах и высокое качество процесса термоупрочнения.

Заключение

В диссертации дано решение актуальной задачи проектирования конструкций и режимов работы индукционных нагревателей в специализированных технологиях по восстановлению работоспособности и увеличению ресурса турбоагрегатов газотурбинных двигателей, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Актуальность проблемы подтверждается возрастающей ролью электротермических процессов в промышленном производстве, повышением требований к качеству продукции, повышению энергоэффективности. Выполненные исследования позволили получить следующие результаты.

1. Проведённый анализ существующих технологий нагрева деталей роторов газотурбинных двигателей в процессе ремонтно-восстановительных работ показал, что используемые в настоящее время методы нагрева не обеспечивают возросших требований к эффективности и надежности систем, не удовлетворяют требованиям экологии. В то же время существуют более эффективные способы нагрева, которые при определенном подходе к их проектированию позволят обеспечить высокую надежность, экологическую чистоту, оперативность и удобство управления процессом термоупрочнения.

2. Разработана и реализована программно численная конечно-элементная модель электромагнитного поля, проблемно-ориентированная на решение задач поиска пространственно — распределенных источников тепла при индукционном нагреве осесимметричных тел сложного профиля. С ее помощью проведены расчеты и выполнен анализ распределения мощности электромагнитных источников тепла для различных вариантов^ конструкции индукционной системы. Получены диаграммы распределения плотности токов, мощности внутренних источников тепла по объему нагреваемого изделия.

3. Предложено решение тепловой задачи для осесимметричных тел сложного профиля искать численным методом конечных элементов, который дает возможность достаточно точно учитывать все нелинейности путем изменения всех нелинейных величин с каждым шагом по времени, а также задать сложную геометрию нагреваемого изделия.

4. Предложена конечно — элементная модель упругих деформаций, которая позволяет рассчитать величины смещений и термонапряжений в разных точках нагреваемого изделия и минимизировать затраты на нагрев при демонтаже и монтаже ответственных узлов и деталей роторов турбоагрегатов.

5. Выполнен расчет и анализ систем индукционного нагрева диска в процессе термоупрочнения для стандартного ряда частот в диапазоне 50-^8000 Гц. Как следует из приведенных результатов, при локальном индукционном нагреве сегмента диска предпочтительным оказывается выбор более высокой частоты.

6. Наиболее эффективной и простой в реализации конструкцией индукционной системы при нагреве диска в процессе термоупрочнения является цилиндрический индуктор на промышленной частоте, охватывающий весь диск. Однако, применение такой схемы предполагает одновременный нагрев и последующее спрейерное охлаждение всех выступов. Это требует установки специального трансформатора большой мощности, конденсаторной батареи для компенсации реактивной мощности индуктора и сложной конструкции спрейерного устройства высокой производительности, обеспечивающего охлаждение сразу всех выступов. Кроме того, мощная однофазная нагрузка может привести к несимметрии питающей сети.

7. Нагрев части диска (сегмента) на промышленной частоте приводит к снижению мощности индуктора, но значительно усложняет согласование параметров индуктора и сети из-за низких значений напряжений на индукторе (несколько десятков вольт) и больших токов (десятки килоампер). Вторичные цепи получаются громоздкими и требуют принудительного водяного охлаждения.

8. Анализ индукционных систем различных конструкций для локального нагрева сегмента диска показал, что преимущества по массогабаритным показателям, простоте конструкции, согласованию параметров индуктора и источника питания имеет щелевой индуктор без магнитопровода с рабочей частотой 8000 Гц.

9. Произведен сравнительный анализ температурных полей, термонапряжений и смещений при нагреве деталей в процессе демонтажа и монтажа ротора турбоагрегата нагревательными устройствами различного типа — открытым пламенем газовой горелки, нагревом в печи сопротивления, с помощью индукционных нагревателей. Показано, что локальный нагрев открытым пламенем газовой горелки не обеспечивает требуемое смещение по длине выступов, что приводит к необходимости применения съемников при демонтаже ротора. Кроме того, нагрев открытым газовым пламенем загрязняет атмосферу цеха, требует выполнения специальных мер техники безопасности при выполнении монтажных работ и не позволяет автоматизировать процесс нагрева.

10.Анализ нагрева в печи сопротивления показал, что этот способ позволяет обеспечить необходимые смещения для свободной напрессовки диска, причем, напряжения, возникающие в материале диска, не достигают критических значений. Однако, равномерный нагрев всего диска приводит к значительному увеличению времени нагрева и непроизводительным затратам энергии, что значительно увеличивает стоимость ремонтно-восстановительных работ.

11.Показано, что существенное снижение энергозатрат, уменьшение времени нагрева, улучшение массогабаритных показателей нагревательных устройств можно обеспечить за счет применения индукционного способа нагрева.

12.Разработаны методика и алгоритм поиска конструкции и режимов работы индукционных систем для нагрева элементов конструкций в процессе монтажных работ, обеспечивающих наилучшие энерготехнологические характеристики. Исследованы параметры и характеристики различных вариантов конструкций и режимов индукционных нагревателей, использующих различные частоты от 50 Гц до 8000 Гц. Показано, что наилучшие энерготехнологические характеристики достигаются при использовании индукционных нагревателей на частоте 50 Гц, что объясняется большей глубиной проникновения тока по сравнению с нагревом на повышенных частотах.

13.Предложены конструкции индукционных нагревателей для нагрева ступицы диска перед напрессовкой на вал, обеспечивающие создание заданных смещений с минимальными энергозатратами.

14. Разработана и реализована в виде опытно—промышленного образца автоматизированная установка термопластического упрочнения дисков турбоагрегата газотурбинного двигателя с индукционным нагревателем.

15. По результатам исследований предложены устройства и системы автоматического управления, обеспечивающие программное управление всеми устройствами. Система автоматического управления режимами термоупрочнения, реализованная на базе микропроцессорного программируемого контроллера WAGO-1/O-SYSTEM и станции оператора АСУ IPC-510-SYSI—3, обеспечивает удовлетворительное качество управления в стационарных и переходных режимах и высокое качество процесса термоупрочнения.

Результаты проведенных экспериментальных исследований на опытно-промышленной установке подтвердили правильность полученных в работе теоретических положений и выводов.

1. Андре Анго. Математика для электро и радиоинженеров. М.: Наука, 1967.-778 с.

2. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов.— М.: Машиностроение, 1983.-229 с.

3. Афиногентов А. А. Моделирование и оптимальное управление технологическим комплексом «нагрев— обработка металла давлением». Автореф. дисс. канд. техн. наук. — Самара, 2008—23с.

4. А.А. Базаров, A.JI. Головачев, А.И. Данилушкин, Ю.М. Парамонов. Индукционная установка для термопластического упрочнения дисков газовых турбин. Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки», 2005г., Вып 37. с. 17-23.

5. Базаров А. А. Исследование и разработка многосвязных систем управления термоциклических испытаний дисков турбоагрегатов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Самара, 1991.-16 с.

6. Базаров А.А., Головачев A.JL, Данилушкин А.И., Данилушкин В.А. Расчет и анализ щелевого индуктора для термообработки замковой зоны диска турбины. Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки», 2008г., Вып. 1(21).-с. 144-148.

7. Безручко И.И. Индукционный нагрев для объемной штамповки. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 126 с.

8. Бессонов Л.А. Электромагнитное поле. М.: Высшая школа, 1986. 262 с.

9. Бойков Ю.Н. Оптимальное проектирование и управление индукционным нагревателем непрерывного действия с дискретной выдачей заготовок широкой номенклатуры: Автореф. дис.канд. техн. наук- М.,1984.-22с.

10. Головачев А.Л., Данилушкин И.А. Исследование электромагнитных полей при индукционном нагреве сложнопрофильного диска. Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», Выпуск 37. 2005, с. 30-34.

11. Головачев А.Л., Данилушкин А.И., Мишанин Е.А. Система индукционного нагрева для термообработки елочного паза дисков турбоагрегатов. Вестник Саратовского гос. техн. универ-та. Вып.1. 2006, с. 108-113

12. Безъязычный В.Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин //Справочник. Инженерный журнал. 2001. №4. С. 9-16.

13. Бузуев А.Н. Разработка и исследование системы индукционного нагрева для пайки многослойных изделий. Автореф. дисс. канд. техн. наук. -Самара, 2006.-19с.

14. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю Н Оптимальное управление нагревом металла. — М.: Металлургия, 1981. -272 с.

15. Бутковский А.Г., Пустыльников JI.M. Теория подвижного управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1980, 384 с.

16. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи.-М.: Энергия, 1967.— 415 с.

17. Вишняков М.А. Повышение эксплуатационных характеристик тяжелонагруженных деталей ГТД: Дис. докт. техн. наук /СамГТУ. -Самара, 2005.-380с.

18. Градштейн И.С., Рыжик И.М Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений М.: Наука, 1971 —1108с.

19. Гудков А.А. Трещиностойкость стали. М.: Металлургия, 1989. - 376с.

20. Гутман Г.Н. Разработка и исследование процесса локального термопластического упрочнения дисков ГТД: Дис. канд. техн. наук /Куйбыш. политехи, ин-т. — Куйбышев, 1986. 226с.

21. Данилушкин А.И., Головачев A.JL, Бажутова Е.С., Иванов Д.А. Синтез системы автоматического управления индукционным нагревом диска.

22. НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ// Материалы Всероссийской научной конференции. Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), 2008, с. 11-13.

23. Данилушкин А.И. Структурное моделирование и автоматическое управление объектами индукционного нагрева с распределенными параметрами в специализированных технологических процессах. Автореф. дисс. . доктора техн. наук—Самара, 1999. 45с.

24. Данилушкин В.А. Разработка и исследование индукционных установок косвенного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти. Автореф. дис.канд. техн. наук.-Самара, 2002.-20с.

25. Данилушкин И.А. «Моделирование и пространственно-временное управление процессами нагрева дисков турбоагрегатов на специализированных испытательных стендах». Автореф. дис.канд. техн. наук.-Самара, 2004.-23с.

26. Демидович В.Б., Немков B.C. Расчет цилиндрического индуктора с немагнитной загрузкой на ЭВМ // Промышленное применение ТВЧ. -Л., 1975. Вып. 15. - с. 38-45.

27. Демидович В.Б. Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности. Автореф. дисс. . доктора техн. наук.-Санкт-Петербург, 2002. 32 с.

28. Демирчян К.С., Солнышкин Н.И. Расчет трехмерных магнитных полей . методом конечных элементов // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт.- 1975.-№ 5. — с.39-49:

29. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. М., Высшая школа, 1966. 456с.

30. Довбыш В.Н. Оптимальное проектирование электротермической установки для утилизации взрывателей. : Автореф. дис.канд. техн. наук-Самара, 2003.-20 с.

31. Зимин JI.C. Оптимальное проектирование систем индукционного нагрева в технологических комплексах обработки металла давлением. Автореф. дисс. . доктора техн. наук-Ленинград, 1987. -30 с.

32. Зиннатуллин Д.А. Исследование и разработка трубчатого нагревателя жидкости. Автореф. дис.канд. техн. наук.-Самара, 2007.-18 с.

33. Зоммерфельд А. Механика деформируемых сред. ИЛ, 1954.

34. Казаков А.А. Разработка и исследование алгоритмов и систем оптимального управления индукционным нагревом металла: Автореф. дис.канд. техн. наук.-Куйбышев, 1975.-24 с.

35. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М., Наука, 1964.

36. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел: М.: Высшая школа, 1985 — 480 с.

37. Кинев Е.С. Индукционные установки сквозного нагрева цилиндрической заготовки в продольном магнитном поле. Автореф. дис.канд. техн. наук.-Красноярск, 2006.-22с.

38. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности -М.: Наука, 1975.-228 с.

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., 1968, 720 с.

40. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. — М.: Высшая школа, 1970. — 710 с.

41. Краткий каталог продукции ПРОСОФТ. Передовые технологии автоматизации. Москва, 2005.

42. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитных сталей. М.: Энергоатомиздат, 1988.-200с.

43. Кувалдин А.Б. и др. Математические модели для исследования электромагнитного поля в ферромагнитных средах // Электричество. — 2005-№11.-с. 56-61.

44. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей.-М.: Машиностроение, 1976—216с.

45. Лепешкин А.Р. Разработка эффективных режимов скоростного индукционного нагрева изделий с учетом термических напряжений. Автореф. дис. докт. техн. наук. Москва, 2007. - 40с.

46. Лыков А.В. Теория теплопроводности. Высшая школа, Москва, 1967, 599 с.

47. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник) М.: Энергия, 1978. 480 с.

48. Лившиц М.Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества: Автореф. дис. докт. техн. наук. — Самара, 2001.-46 с.

49. Малешкин Н.И. Алгоритмизация и автоматизация переходных режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева перед прессованием крупногабаритных слитков из алюминиевых сплавов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Куйбышев, 1986. - 22 с.

50. Маликов Ю.К., Лисиенко В.Г. Численный метод решения задач теплопроводности для двумерных тел сложной формы. //Инженерно-физический журнал, 1981, №3. с.503 - 509.

51. Махмудов К.М., Немков B.C., Слухоцкий А.Е. Методы электрического расчетаиндукторов//Изв. ЛЭТИ-1973-Вып. 114.-е.3-27.

52. Немков B.C. Теория и расчет цилиндрических электромагнитных систем индукционного нагрева: Автореф. дис. доктора техн. наук.- Л., 198030 с.

53. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

54. Немков B.C., Демидович В.Б. Экономичные алгоритмы численного расчета устройств индукционного нагрева//Изв. вузов. Электромеханика-1984. №11.-С. 13-18.

55. Носов П.И. Моделирование и оптимизация режимов нагрева слитков из алюминиевых сплавов в индукционных установках полунепрерывного действия: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л., 1982. - 19 с.

56. Осипов О.О., Фрыгин И.В. Экономичная индукционная система подогрева крупногабаритных колец в линии раскатки. «Энергосбережение в Поволжье». Вып. 3, 2000 г., с.54-56.

57. Осипов О.О. Комплексная оптимизация конструктивных и режимных параметров установок непрерывного индукционного нагрева заготовок подшипниковых колец. Автореф. дис.канд. техн. наук.-Самара, 2002— 21с.

58. Павлов Н.А. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. M.-JL: Энергия, 1978. — 120 с.

59. Патент РФ № 2039420. Способ индукционного нагрева плоских металлических изделий. Данилушкин А.И., Горб Е.В., Зезюлинский А.А. и др. Приоритет от 11.03.91г.

60. Плешивцева Ю.Э. Последовательная параметризация управляющих воздействий и полубесконечная оптимизация алгоритмов управления технологическими объектами с распределенными параметрами. Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара, 2009. - 50с.

61. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением /JI.A. Хворостухин, С.В. Шишкин, И.П. Ковалев, Р.А. Ишмаков.-М.: Машиностроение, 1988.-144с.

62. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. — 584с.

63. Прокопович К.В. Разработка и внедрение процесса термопластического упрочнения деталей ГТД с целью повышения их долговечности: Автореф. дис. канд. техн. наук / Куйб. политехи, ин-т.- Куйбышев, 1986.-225 с.

64. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. -М.: Металлургия, 1993. -279 с.

65. Рапопорт Э.Я. Теория и алгоритмы оптимального управления индукционным нагревом металла перед обработкой давлением: Автореф. дис. доктора техн. наук.-М.,1983.-42 с.

66. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. М.: Наука. 2000. - 336с.

67. Расчет нагревательных и термических печей: Справочник/ Под редакцией В.М.Тымчака-М.: Металлургия, 1983. С. 546.

68. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер с англ. — М.: Мир, 1983.-368 с.

69. Рыбаков В.В. Алгоритмы и системы оптимального управления индукционным нагревом слитков из алюминиевых сплавов в условиях неопределенности: Автореф. дис. канд. техн. наук. Куйбышев, 1989 — 27с.

70. Сабуров В.В. Оптимальное управление процессом индукционного нагрева слитков из алюминия и его сплавов перед прессованием: Автореф. дис.канд. техн. наук.-М.,1974—24 с.

71. Сергеев С.В. Двухпозиционное регулирование температуры объектов с распределенными параметрами. М.: Энергия, 1975. - 96 с.

72. Синдяков Л.В. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева стальных заготовок: Автореф. дис.канд. техн. наук.-Л., 1984.-19 с.

73. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. Л.: Энергия, 1975. — 183 с.

74. Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. —М.: Машиностроение, 1988.-240с.

75. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад.И.К. Кикоина. Атомиздат. 1976.

76. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали М.: Металлургиздат, 1962. 566 с.

77. Термопластическое упрочнение — резерв повышения прочности и надежности деталей машин: Монография / Б.А. Кравченко, В.Г. Круцило, Т.Н. Гутман; Самара, СамГТУ, 2000 - 216 с.

78. Тозони О.В. Математические модели для расчета электрических и магнитных полей. Киев: Наукова думка, 1964. 304с.

79. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике. М.: Энергия, 1975.-295 с.

80. Усталость материалов при высокой температуре /Под ред. Р.П. Скелтона/ Пер. с англ. М.: Металлургия, 1988. — 343с.

81. Установки индукционного нагрева / Под ред. А. Е. Слухоцкого— JL: Энергоиздат, 1981.-326с.

82. X. Уонг. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Справочник/ перевод с англ. М.: Атомиздат, 1979, 344с.

83. Чижик А.А., Лапик А.А., Ермаков Б.С. Распространение коррозионных трещин в дисках паровых турбин //Энергомашиностроение, 1988. №11. С. 32-34.

84. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л.: Машиностроение, 1974—280 с.

85. Штремель М.А. Прочность сплавов. 4.1. Дефекты решетки. М.: Металлургия, 1982.-280с.

86. Zimin L., Bazarow A., Gurinow Е., Daniluszkin A., Kotieniow W. Politechika Samarska, Stochniol A Politechnika Swietokrzyska w Kielcach UKLAD STEROWAN7A OB CI AZENIEM CIEPLNYMDYSKOW TURBIN GAZOWYCHXI KRAKJOWA KONFERENCJA AUTOMATYKI REFERATI, т. II.

87. Главный инженер филиала «Самарский» ДОАО «Центрэнергогаз»

88. Начальник технического отдела филиала «Самарский» ДОАО «Центрэнсргогаз»(к.т.н.)1ч£1. УТВЕРЖДАЮно внедрении установки индукционного нагрева дисков турбоагрегатов.

89. Опытный образец установки индукционного нагрева для проведения термопластического упрочнения дисков турбин.

90. Технический регламент по обслуживанию установки индукционного

91. Самарский государственный технический университет обязуется осуществлять технический надзор за работой установки и техническую помощь при проведении 111 IP установки в течение 2 лет с момента внедрения.нагрева.

92. Заведующий кафедрой ЭПП ' ссор1. ПИ/ Л.С. ЗиминL1. ИС. Виноградов

93. Профессор кафедры ЭПП ■) (д.т.н.)1. Начальник РЭБ1. А.И. Данилушкин

94. Самарский государственный технический университет1. В.Н. Платонов

95. УТВЕРЖДАЮ Проректор по научной работе1. Самаре^1. Vе о sc г* s А О, ,сударствешяого итета1. Климочкин 2009 г.1. АКТо внедрении установки индукционного нагрева дисков турбоагрегатов1. УТВЕРЖДАЮ

96. Главный инженер азпром цеттрремонт» М. Канашенко 2009 г.

97. Установка индукционного нагрева для локального нагрева дисков турбин перед напрессовкой.

98. Технический регламент по обслуживанию установки индукционного нагрева.

99. Самарский государственный технический университет обязуется осуществлять технический надзор за работой установки и техническую помощь при проведении ППР установки в течение 2 лет с момента внедрения.

100. Заведующий кафедрой ЭПП д.т.н. профессорсХ^ь^еД.С. Зимин

101. Профессор кафедры ЭПП (д.т.н.)

102. Директор филиала «Самарский» рэнергогаз» .В. Монахов1. А.И. Данилушкинлавныи инженер ^фйлиала «Самарский» 'ДО^ц* «Центрэнергогаз» Г.А. Степанов1. Начальник те?нического отдела филдаша «Самарский» ДОАО «Цсатрэи ергогаз» (к.т.н.)1. J1.H. Россеев