автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка индукторов и методики расчета эффективных режимов нагрева вращающихся дисков

На правах рукописи

604604031

ЛЕПЕШКИН СТЕПАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

^Лн)

РАЗРАБОТКА ИНДУКТОРОВ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА ВРАЩАЮЩИХСЯ ДИСКОВ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ИЮН 2010

Москва-2010

004604031

Работа выполнена на кафедре «Физика электротехнических материалов и компонентов и Автоматизированные электротехнологические комплексы» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Кувалдин Александр Борисович доктор технических наук, профессор Нгуен Куок Ши

кандидат технических наук, доцент Нехамин Сергей Маркович

Ведущая организация:

ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Защита диссертации состоится « 18 » июня 2010 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к. т. н., доцент

Цырук С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Одним из направлений применения индукционного нагрева является воспроизведение тепловых процессов в телах вращения при проведении испытаний дисков турбин газотурбинных двигателей на разгонных и специализированных стендах.

Детали турбин авиационных газотурбинных двигателей подвергаются воздействию весьма значительных механических и тепловых нагрузок в условиях эксплуатации. В реальных эксплуатационных условиях диск нагревается за счет газовых потоков, которые идут из камеры сгорания.

Испытания дисков в составе авиационного двигателя проводить дорого и неэффективно, в связи с большим расходом топлива. Поэтому используют специальные разгонные стенды, позволяющие сократить затраты на испытания с использованием индукционного нагрева.

Проведение термоциклических испытаний позволяет определить ресурс деталей авиационных двигателей.

Обычная система индукционного нагрева состоит из нескольких плоских кольцевых индукторов, расположенных на разных радиусах диска. Ее недостатком является дискретное расположение индукторов по поверхности диска, в связи с чем ухудшается точность воспроизведения теплового поля.

Необходимо разработать конструкции индукторов, которые позволят увеличить точность воспроизведения теплового поля.

Проблемой индукционного нагрева вращающихся дисков турбин на разгонных стендах в нашей стране занимались Кувалдин А.Б., Рабинович В.П., Рапопорт Э.Я., Данилушкин А.И. и другие, которые применяли, в основном, аналитические методы и одно- или двухмерные численные методы расчета, а также физическое моделирование или натурные эксперименты по разработке индукторов. Указанные методы не позволяют учесть сложную геометрию системы индукционного нагрева, влияния вращения на распределение температуры и выделения мощности внутренних источников тепла в диске и требуют введения многих допущений, снижающих точность расчетов. Натурные эксперименты по нагреву вращающихся дисков на установках

связаны с существенными материальными затратами и ограничивались по времени исследований.

При вращении деталей в магнитном поле в них наводится ЭДС и, таким образом осуществляется нагрев. Известны работы зарубежных ученых Ьир1 8., Ыаске В. по расчету системы нагрева вращающихся цилиндров в постоянном магнитном поле. Однако, ранее при расчетах систем индукционного нагрева вращающихся дисков для разгонных стендов вклад этого эффекта в нагрев не оценивался.

Современный уровень развития вычислительной техники и численных методов позволяет провести компьютерное трехмерное моделирование конструкций индукторов и режимов нагрева вращающихся дисков и получить новые и более достоверные результаты, на базе которых могут быть разработаны рекомендации по проектированию конструкций индукторов с улучшенными характеристиками и режимам нагрева дисков, в том числе с учетом нагрева за счет вращения диска в переменном магнитном поле.

Цель диссертационной работы Целью диссертации является разработка индукторов для нагрева вращающихся дисков и методики расчета эффективных режимов их работы с учетом нагрева изделий за счет вращения в переменном магнитном поле. Для достижения цели поставлены следующие задачи.

1. На основе анализа литературы по индукционному нагреву и его применению на разгонных стендах выбрать наиболее перспективные варианты конструкций индукторов и пакеты программ для моделирования.

2. Разработать математические трехмерные модели для расчета индукторов перспективных конструкций и режимов нагрева вращающихся дисков. Выбор формы индукторов различной конфигурации для наиболее эффективного нагрева вращающихся дисков.

3. На основе разработанных моделей провести исследования электрических, энергетических и тепловых характеристик системы нагрева диска со стержневыми индукторами с выбором значений зазора, частоты тока с учетом толщины диска.

4. Исследовать влияние частоты вращения на выделение активной мощности внутренних источников в диске с использованием индукторов разных конст-

рукций, а также рассмотреть распределение температуры диска в радиальном направлении при решении трехмерной тепловой задачи. 5. Разработать рекомендации по применению предложенных типов индукторов и методики их расчета для моделирования тепловых режимов вращающихся дисков турбин авиационных двигателей на разгонных стендах и схемы двухчастотного питания индукторов от одного тиристорного преобразователя (ТПЧ) при испытаниях на стендах.

Методы исследования Для решения поставленных задач использовался программный пакет АНБУБ МиШрИуБюз. Исследовались параметры индукторов разных типов и режимов индукционного нагрева вращающихся дисков на разгонном стенде. Математические модели разработаны с использованием теории электромагнетизма, основных законов теплофизики, а также метода конечных элементов. Адекватность полученных результатов проверялась экспериментальными данными.

Обоснованность и достоверность

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивалась путем сравнения расчетных распределений температур с экспериментально полученными распределениями во вращающихся дисках на разгонных стендах ЦИАМ, а также корректным использованием численных методов (задание корректных граничных и начальных условий, густоты сетки дискретизации и т. д.).

Научная новизна работы Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработана методика расчета эффективных режимов нагрева вращающихся дисков и модели в пакете программ А^УБ, позволяющие исследовать распределения температур в дисках и интегральные электрические характеристики индукторов при различных режимах нагрева вращающихся дисков.

2) На основе расчетно-экспериментальных исследований выбраны конструкции индукторов и режимы нагрева дисков, обеспечивающие повышение точности воспроизведения температур и сокращение времени исследования.

3) Установлены электрические, энергетические и тепловые характеристики системы нагрева диска со стержневыми индукторами с учетом влияния зазора, частоты тока и проведены исследования влияния частоты вращения на равномерность нагрева диска в окружном направлении.

4) Получены зависимости удельной мощности внутренних источников тепла в диске от частоты вращения для индукторов разной конструкции.

5) Разработана схема двухчастотного питания индукторов от одного ТПЧ.

Основные практические результаты Разработаны рекомендации по проектированию конструкций индукторов различной конфигурации и воспроизведению требуемого температурного распределения в диске с учетом дополнительной мощности при его вращении в переменном магнитном поле.

Разработанные методика расчета, модели в среде А^УБ, конструкции индукторов и схема двухчастотного питания индукторов от одного ТПЧ использованы для исследования тепловых режимов вращающихся дисков турбин авиационных двигателей на разгонных стендах ЦИАМ.

Апробация работы Основные результаты работы обсуждались на Х-ХУ1 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002-2010), на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых "Проблемы создания перспективных авиационных двигателей" (ЦИАМ, Москва, 2005), на 2-ой Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых "Информационные технологии в авиационной и космической технике" (МАИ, Москва, 2009), на XII Международной конференции Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты - МКЭЭЭ-2008 (Крым, Алушта, 2008), на IV научно-технической конференции с международным участием "Электротехника, электромеханика и электротехнология ЭЭЭ-2009" (НГТУ, Новосибирск, 2009), на Международной научно-технической конференции Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий (УПИ-УГТУ, Екатеринбург, 2006), на международных научно-практических конференциях "Энерго- и ресурсосбережение XXI век" (ОрелГТУ, 2006-2007), на Всероссийской научно-технической кон-

ференции "Новые материалы и технологии - НМТ-2008" (МАТИ, Москва, 2008), на 1Х-ХП Международных конгрессах двигателестроителей (Крым, Рыбачье, 2004-2007), на VII конференции пользователей программного обеспечения САО-РЕМ gmbh (Москва, 2007), на Международном симпозиуме по нагреву с использованием электромагнитных источников - НЕБ-10 (Италия, Падуя, 2010) и на заседаниях кафедры «Физика электротехнических материалов и компонентов и Автоматизированные электротехнологические комплексы» (Москва, апрель 2009, март 2010)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 4 патента РФ на изобретения и полезные модели.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений; количество страниц 147, иллюстраций 146, таблиц 4, число наименований использованной литературы 61 на 7 страницах, приложения на 10 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении отражена актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор работ в данной области, анализ существующих методик индукционного нагрева изделий. Рассмотрены основные конструктивные особенности индукторов и систем индукционного нагрева дисков, применяемых на разгонных стендах.

Установлено, что расчеты систем со стержневыми и плоскими индукторами были проведены для узкого интервала значений параметров и общая методика их расчета для вращающихся дисков практически отсутствует.

В последние годы появились работы по нагреву вращающихся цилиндров в постоянном магнитном поле. Такие системы имеют определенные преимущества. Однако влияние индукторов различной формы на распределения температур и выделение дополнительной мощности во вращающихся дисках не рассматривались.

Система индукционного нагрева, которая ранее применялась на разгонных стендах, состоит из нескольких плоских кольцевых индукторов, расположенных на разных радиусах диска. Ее недостатком является дискретное расположение индукторов по поверхности диска, в связи с чем ухудшается точность воспроизведения теплового поля, то есть появляются отклонения в радиальном направлении между заданным и экспериментальным температурными распределениями в 30 °С (рис. 1) и более (местные градиенты). При этом подбор конструкции и режима работы индукторов осуществлялся экс-

Выполненный анализ возможностей конструкций индукторов и состояния проблем моделирования индукционного нагрева

вращающихся дисков требует улучшения ряда параметров существующих индукторов, а именно повышение точности воспроизведения теплового поля в дисках, более удобного управления температурным полем и возможного уменьшения расхода электроэнергии.

По итогам обзора сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе был проведен анализ методов расчета электромагнитных полей и разработана компьютерная модель для расчета индукторов и режимов нагрева дисков. Все расчеты производились в программном пакете ANSYS Multiphysics.

Для электромагнитного расчета гармонической задачи в программном комплексе ANS YS был использован трехмерный элемент SOLID 117. Для получения адекватной модели необходимо было учитывать распределение плотности тока внутри моделируемого объекта в сетке конечных элементов (поверхностный эффект в проводниках при переменном токе), т.е. ближе к

300

200

- экспериментальное распределение (кольцевые индукторы) -

Рис. 1. Требуемое распределение температуры по радиусу диска и экспериментальное распределение при нагреве с использованием кольцевых индукторов

поверхности объекта сетка была более густая, по сравнению с центром. Геометрия математической модели "стержневой индуктор-диск" представлена на рис. 2 и 3.

В третьей главе были проведены исследования электрических, энергетических и тепловых характеристик стержневых индукторов с помощью разработанной модели в среде ANSYS. Для упрощения расчета было сделано допущение, что диск является плоским.

Проведены исследования стержневого индуктора с анализом его электрических характеристик. Были получены результаты исследований влияния зазора между индуктором и диском, частоты тока на основные электрические параметры стержневых индукторов: КПД и cos ф. Расчеты производились на частотах f = 0,05 8 кГц. при этом использовались различные значения зазора между индуктором и диском 5 -М5 мм, ток индуктора 500 А. Зазор меньше 5 мм не целесообразно использовать, так как диск при вращении вибрирует с некоторой амплитудой и может произойти соприкосновения диска с индуктором. На рис. 4 изображены расчетные зависимости электрического КПД и cos ф от частоты тока индуктора. Из графиков видно, что при повышении частоты тока КПД увеличивается, а затем остается примерно постоянным. Таким образом, можно сделать вывод о неэффективности использования низких частот до 1 кГц и малом влиянии зазора в диапазоне исследуемых параметров. Наиболее оптимальной частотой является частота 2400 Гц.

Рис. 2. Геометрическая модель системы «стержневой индуктор-диск» (в разрезе)

Рис. 3. Сетка конечных элементов системы «индуктор-диск» вместе (в разрезе)

0.75 Л 0.5 0.25 0

N 2\ ч -Ь-П

Г

[

0

2.5

5 7.5

О, я)

10

Рис. 4. Зависимости КПД (а) и cos (р (б) от частоты при разных зазорах 5, 10 и 15 мм (соответственно кривые 1,2 и 3)

Для оценки перспективности метода нагрева деталей с вращением в переменном магнитном поле проведены расчеты (рис. 5.) индукционного нагрева диска из никелевого сплава ЭП741НП без вращения (случай /) и с вращением (случай 2). При увеличении частоты вращения со увеличивается скорость

изменения магнитного потока в диске и наведенная ЭДС, в результате этого повышается мощность внутренних источников тепла в диске. Из рис. 5 можно сделать вы-

Рис. 5. Зависимость выделяемой мощности в диске от частоты вращения

вод, что при со < 250 , дополнительная мощность в диске за счет вращения в магнитном поле практически отсутствует. Параметры режима: ток - 500 А, частота - 2400 Гц, зазор - 10 мм. Значение Р = 100 % соответствует мощности, выделяемой в неподвижном диске (30-50 кВт).

Проведены также исследования температурных характеристик стержневого индуктора. В результате решение тепловой задачи было получено распределение температуры по радиусу диска (рис. 6).

Ь, м

Рис. 6. Распределения температуры по радиусу диска для стержневого индуктора

Из анализа распределения температуры по радиусу диска на рис. 6 следует, что температура диска монотонно уменьшается от ступицы к его ободу. Можно сделать вывод, что стержневой индуктор не подходит для воспроизведения температур в диске авиационного двигателя, так как его характер распределения является монотонно убывающим, а, следовательно, исследовать стержневой индуктор для нагрева на реальном диске не целесообразно.

В четвертой главе приводятся основные результаты исследований по влиянию различной формы индукторов на распределения температур во вращающихся плоских дисках. Для упрощения расчета использовался плоский диск. По результатам теплового расчета выбраны индукторы, которые обеспечивают распределения температуры в диске, близкое к требуемому.

В соответствии с методикой трехмерного расчета индукционного нагрева созданы конечно-элементные модели плоского диска и индуктора с учетом постоянного зазора 5 между индуктором и поверхностью диска. При вращении наиболее эффективный нагрев достигается в тех кольцевых зонах диска, которые более длительное время находятся под участками индуктора. Следовательно, каждый такой участок индуктора характеризуется отношением его ширины к соответствующей кольцевой зоне нагрева. В данном случае ширина такого участка индуктора сложной формы определяется на основе

его пересечения соответствующей кольцевой зоной нагрева. Указанные факторы учитывались в расчетных исследованиях по влиянию различной формы индукторов на распределения температур во вращающемся плоском диске (Э = 400 мм) при зазоре 5 = 8 мм, токе 500 А и частоте 2400 Гц.

550 510 470 430 390 350 31.0 270 230

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

Г м

Рис. 7. Распределения температур по радиусу плоского диска мости от формы индуктора

На рис. 7 приведены результаты исследований с использованием индукторов разной формы: 1 - кольцевой, 2 - кольцевой со смещением относительно центра диска, 3 - эллипсный, 4 - эллипсный со смещением относительно центра диска, 5 - петлевой в середине диска, б - петлевой в зоне обода диска, 7 - требуемое распределение температуры.

Анализ распределений температур с использованием индукторов 2-5 показывает, что индукторы можно применить для равномерного нагрева. Наибольшую равномерность нагрева обеспечивает индуктор 2, при нагреве которого достигается наименьший перепад температуры ДТ по радиусу диска. При расположении эллипсного индуктора 4 получается ДТ в 2 раза меньше по сравнению использования индуктора 3. Петлевой индуктор б, который расположен на ободе диска, по характеру распределения температуры ближе всего подходит к требуемому.

В некоторых случаях целесообразно использовать несколько индукторов одновременно, так как применение одного индуктора не позволяет получить требуемое распределение температуры за заданное время нагрева. В этом случае необходимо провести исследования и определить особенности нагрева диска с использованием нескольких индукторов.

В качестве примера проведено исследование системы из двух кольцевых индукторов, расположенных симметрично относительно центра плоского диска, представленной на рис. 8.

Рис. 8. Конечно-элементная модель расположения индукторов для нагрева диска

При этом учитывалось их взаимодействие, если токи направлены в разные стороны по кольцам индукторов, то поля будут ослабляться с учетом наведенных ЭДС и суммарная мощность будет меньше, по сравнению со случаем однонаправленного движения токов. Если мощность на эти индукторы подается одинаковая, то в температурном поле диска появляются местные градиенты, которые можно уменьшить, понизив мощность индуктора, который расположен ближе к центру.

На рис. 9 приведены результаты указанных исследований для диска диаметром 400 мм. В случае / на индукторы подается полная мощность, в случае 2 на индуктор с меньшим радиусом подается 60% мощности.

Рис. 9. Распределения температур по радиусу диска в случае использования двух кольцевых индукторов: токи встречно (а) и согласно (б) направлены с использованием 100% мощности (кривые 1) и 100% и 60% (кривые 2)

С увеличением частоты вращения, дополнительная мощность, выделяемая в диске, повышается, так как частота пульсаций магнитного потока Ф в диске и наведенная ЭДС увеличиваются. На рис.10 показаны зависимости дополнительной мощности, выделяемой в плоском диске для рассмотренных выше индукторов (рис. 7).

Рис. 10. Зависимость мощности, выделяемой в плоском диске от частоты вращения для различных индукторов

В пятой главе приводятся результаты исследований по разработке плоских индукторов различной конфигурации на реальных авиационных дисках с учетом параметров трехмерного электромагнитного поля и допол-

нительной тепловой энергии за счет вращения. В соответствии с возможностями испытательного оборудования разгонных стендов очень важен выбор конструкций индукторов, так как это оказывает большое влияние на воспроизведение теплового и термонапряженного состояния дисков турбин авиационных двигателей.

Выбор оптимальных конструкций индукторов с разной конфигурацией и размерами индуктирующего провода проводился с учетом вращения и нагрева реального диска переменной толщины (рис. 11) авиационного двигателя. Указанный выбор осуществлялся на основе расчетных исследований с применением разработанной математической модели в пакете АЫБУБ, анализа существующих конструкций индукторов и т.д.

С использованием индукторов (рис. 12), расположенных относительно поверхности диска, были проведены расчетные исследования по обеспечению заданного распределения температуры по радиусу диска (В = 400 мм) авиационного двигателя переменной толщины.

Рис. 11. Диск авиационного двигателя в разрезе

При этом индукционный нагрев диска (с наружным диаметром 400 мм и отверстием 40 мм) осуществлялся при его нагреве до максимальной заданной температуры 550°С и питании индукторов на частоте 2400 Гц одинаковым током 500 А.

На рис. 12 приведены результаты указанных исследований и полученные распределения температур с использованием индукторов разной формы:

1 - кольцевой индуктор, 2 - эллипсный узкий индуктор, 3 - эллипсный большой индуктор, 4 - полукольцевой индуктор, 5 - полупетлевой индуктор, б - полупетлевой индуктор 2,7- петлевой индуктор, 8 - петлевой узкий индуктор, 9 - заданное распределение температуры.

Проведен анализ распределений температур с использованием различных индукторов на рис. 12. Кольцевой индуктор 1 является наименее эффективным и распределение температуры, полученное с его помощью, значительно отличается от заданного и имеет пониженную температуру 125°С на ступице диска.

Индукторы 2, 5 и 7 создают распределения температур также существенно отличающиеся от заданного. Причем, узкий эллипсный индуктор 2 целесообразно использовать для равномерного нагрева дисков.

600 500 400 300 200 100

Рис. 12. Распределения температур по радиусу диска переменной толщины в зависимости от формы индуктора

Распределения температур 8, 4, 3 и 6 наиболее близки к заданному распределению 9 температуры и индукторы, соответствующие этим распределениям, можно использовать при моделировании тепловых режимов дисков. Среди индукторов 8, 4, 3 и 6 петлевой индуктор 8 позволяет получить наи-

более эффективный режим нагрева диска, т.к. он обеспечивает более высокую скорость нагрева средней и центральной (ступичной) частей. Это важно при термоциклических испытаниях. При этом распределение его температуры почти совпало с заданным 9. Кроме этого индуктор 8 имеет самый высокий КПД среди тех индукторов, которые совпадают с требуемым распределением температуры. Конструкция индуктора 8 (Патент РФ № 2270534) была использована в дальнейших расчетных и экспериментальных исследованиях и испытаниях дисков.

Исследования влияния частоты вращения на формирование внутренних

источников тепла в диске

...................... |

4, /у

2\ / 6\ 7\ 1

\ ¡i.

ggf

0 250 500 750 1000 1250 150

турбины переменной толщины, вращающегося в трехмерном электромагнитном поле,

создаваемом индукторами (рис. 12) проводились в пакете ANS YS (рис. 13). При увеличении скорости вращении диска в электромагнитном поле,

создаваемом индукторами,

мощность внутренних

источников тепла увеличивалась повышалась эффективность индукционного нагрева вращающегося диска. Результаты исследований приведены на рис. 13.

Применение разработанных методики расчета, конструкций индукторов (рис. 14) и силовой схемы (рис. 15) двухчастотного питания петлевых индукторов от одного ТПЧ (Патент РФ № 19977), расположенных с двух сторон диска, обеспечить эффективные режимы нагрева при термоциклических испытаниях вращающихся дисков авиационных двигателей на разгонном стенде ЦИАМ, оснащенном 3 источниками питания индукционного нагрева с суммарной мощностью 300 кВт и ртутным токосъемником для пере-

Ш, об/сек

Рис. 13. Зависимость мощности, выделяемой в диске от частоты вращения для различных индукторов

дачи измерительной информации с вращающегося диска и повысить точность экспериментального моделирования распределений температур дисков в 2-3 раза (с погрешностью ±1(К15°С) и снизить количество индукторов и источников питания в 1,5-2,0 раза.

Выводы по работе:

Рис. 14. Индукторы с крепежными элементами вблизи диска на стенде

Рис. 15. Силовая схема двухчас-тотного питания петлевых индук-тооов от одного ТПЧ

1. На основании проведенного анализа литературы показано, что наиболее эффективными конструктивными устройствами для нагрева вращающихся дисков являются плоские индукторы. Для расчета параметров указанных индукторов и режимов нагрева необходимо использовать трехмерные методы расчета с использованием выбранного пакета программ АШУБ.

2. Разработана модель в среде АЫБУв для расчета электрических и тепловых параметров стержневых и плоских индукторов

3. Получены результаты исследований электрических и энергетических характеристик со стержневыми индукторами с учетом влияния зазора, частоты тока, проведены исследования распределений параметров электромагнитного поля в диске с учетом влияния его толщины.

4. На основе расчетно-экспериментальных исследований выбраны конструкции индукторов для моделирования эффективных режимов нагрева дисков. Получены результаты исследований влияния частоты вращения на формирование внутренних источников тепла в диске, вращающегося в трех-

мерном электромагнитном поле. Увеличение мощности составляет 20-40% для частоты вращения до 1200 об/с.

5. Разработанные конструкции индукторов, схема их питания от ТПЧ и методика расчета применены для моделирования тепловых режимов вращающихся дисков турбин авиационных двигателей, что позволило обеспечить повышение точности воспроизведения распределений температур в 2-3 раза (с погрешностью ±10+15 °С) и снизить количество индукторов и источников питания в 1,5-2,0 раза.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А. Метод испытаний дисков турбомашин и бандажей роторов турбогенераторов с использованием индукционного нагрева // Электричество. 2009. № 7. - С. 33-38.

2. Кувалдин А.Б., Лепешкин С.А., Лепешкин А.Р. Моделирование режимов нагрева врашающихся дисков с использованием стержневых индукторов // Индукционный нагрев, 2009, № 8. С. 36-39.

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

4. Лепешкин С.А. Индукционный нагрев вращающихся дисков с использованием стержневого индуктора // Электротехника, электромеханика и электротехнология ЭЭЭ-2009. Материалы четвертой научно-технической конференции с международным участием / Под ред. Н.И. Щурова. - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2009, С. 194-200.

5. Лепешкин С.А. Методика расчета режимов индукционного нагрева дисков авиационных двигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3-х т. М.: Издательство МЭИ, 2010, Т. 2. С. 162.

6. 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.

7. Лепешкин С.А. Моделирование нестационарного теплового и термонапряженного состояния дисков турбин ГТД с использованием специальных индукторов //

Проблемы создания перспективных авиационных двигателей. Тез. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - М.: ЦИАМ, 2005. -С. 276-277.

8. Лепешкин С.А. Расчет параметров стержневых индукторов для нагрева вращающихся дисков // Энерго- и ресурсосбережение XXI век.: Материалы пятой международной научно-практической интернет-конференции / Под ред. В.А. Голенкова, Ю.С. Степанова, А.Н. Качанова. Орел: Орел ГТУ, 2007, С. 168-170.

9. Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А. Многокритериальная оптимизация индукционного нагрева дисков ГТД при испытаниях на разгонном стенде // Авиакосмическая техника и технология, 2007, № 8 (44), С. 156-164.

10. Лепешкин С.А. Разработка индукторов для нагрева вращающихся дисков турбин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XV Меж-дунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3-х т. М.: Издательство МЭИ, 2009. Т. 2. С. 159-160.

11. Лепешкин С.А. 3D модель расчета характеристик индукторов и режимов нагрева вращающихся дисков с использованием пакета ANSYS // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XIV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3-х т. М.: Издательство МЭИ, 2008. Т. 2. - С. 154-155.

12. Лепешкин С.А. Математическое моделирование стержневых индукторов в ANSYS // Сборник трудов седьмой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM Gmbh (Москва, 25-26 апреля 2007 г.). / Под ред. А. С. Шадского. - М.: полигон-пресс, 2007, С.142-147.

Тираж 100 экз.

Заказ 25604

Печ.л. 1.5

Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г.Москва, пр-т Вернадского, 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Введение.

Глава 1. Применение и характеристики стержневых и плоских индукторов.

1.1. Применение стержневых индукторов.

1.2. Использование плоских индукторов.

1.2.1. Использование плоских индукторов в технологических процессах.

1.2.2. Применение индукционного нагрева при испытаниях дисков газотурбинных двигателей.

1.3 Схема разгонного стенда для испытаний дисков с использованием индукционного нагрева.

1.4. Задачи работы.

Глава 2. Разработка компьютерной модели и выбор пакета программ для расчета индукторов и режимов нагрева дисков.

2.1. Анализ методов расчета.

2.2. Сравнение пакетов программ для компьютерного моделирования электромагнитных и тепловых полей.

2.3. Методика моделирования с помощью программного комплекса ANSYS Multiphysics.

2.4. Математическая модель: допущения и адекватность решения.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование электрических, энергетических и тепловых характеристик систем с применением стержневых индукторов.

3.1 Исследование характеристик электромагнитного поля в системе «стержневой индуктор - загрузка».

3.2. Исследование влияния зазора.

3.3. Влияние толщины диска на электрические характеристики.

3.4. Исследование влияния частоты тока.

3.5. Влияние частоты вращения диска на выделение внутренних источников тепла в диске.

3.6. Исследование тепловых характеристик систем со стержневыми индукторами.

3.6.1. Методика моделирования тепловой задачи.

3.6.2. Исследования влияния частоты вращения диска на окружную равномерность его нагрева.

3.7. Исследование распределения температуры по радиусу диска с использованием стержневого индуктора.

3.8. Выводы по главе 3.

Глава 4. Влияние формы плоского индуктора на распределения температур и выделение мощности в плоском диске с учетом его вращения в переменном магнитном поле.

4.1. Исследования влияния различной формы индукторов на распределения температур во вращающихся плоских дисках.

4.2. Исследование взаимного влияния индукторов на распределения температур во вращающемся диске.

4.3. Исследования влияния различной формы индукторов на выделение мощности нагрева во вращающихся плоских дисках.

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. Исследование влияния индукторов различной конфигурации на распределение температур в авиационном диске сложной формы и методика расчета эффективных режимов нагрева для вращающихся дисков авиационных двигателей.

5.1. Условия эксплуатации дисков авиационных двигателей и использование индукторов для моделирования их теплового состояния при испытаниях.

5.2. Разработка компьютерных моделей перспективных плоских индукторов. Выбор конструкций индукторов для эффективного нагрева вращающихся дисков авиационных двигателей.

5.3. Применение разработанной методики для выбора индукторов и эффективного нагрева вращающихся дисков турбин авиационных двигателей при испытаниях.

5.4. Выводы по главе 5.

В настоящее время индукционные установки находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и промышленности благодаря своим высоким энергетическим и технологическим показателям [1-5]. Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами нагрева: отсутствие контакта между индуктором и нагреваемым изделием; высокая скорость нагрева; высокие тепловой и электрический КПД; простота управления и возможность полной автоматизации процесса нагрева. При использовании индукционного нагрева достигаются высокие значения удельной поверхностной мощности, что сокращает время нагрева и повышает производительность.

В современной промышленности стержневые индукторы находят достаточное широкое применение: обогрев стенок емкостей и штампов, закалка поверхностей вращающихся деталей и т.д.

Одним из перспективных направлений применения индукторов является моделирование тепловых процессов в телах вращения для проведения испытаний дисков и лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей на разгонных и специализированных стендах.

Детали турбин авиационных газотурбинных двигателей подвергаются воздействию весьма значительных механических и тепловых нагрузок в условиях эксплуатации. В реальных эксплуатационных условиях диск нагревается за счет газовых потоков, которые идут из камеры сгорания.

Испытания дисков в составе авиационного двигателя проводить дорого и неэффективно в связи с большим расходом топлива. Поэтому используют специальные разгонные стенды, позволяющие сократить затраты на испытания с использованием индукционного нагрева.

Проведение термоциклических испытаний позволяет определить ресурс деталей авиационных двигателей.

Обычная система индукционного нагрева состоит из нескольких плоских кольцевых индукторов, расположенных на разных радиусах диска. Ее недостатком является дискретное расположение индукторов по поверхности диска, в связи с чем ухудшается точность воспроизведения теплового поля.

Разработка и применение стержневых и плоских индукторов позволит повысить точность воспроизведения заданного распределения температуры в диске.

Проблемой индукционного нагрева вращающихся дисков турбин в нашей стране занимались Кувалдин А.Б., Рабинович В.П., Рапопорт Э.Я., Данилушкин А.И. и другие ученые, которые применяли, в основном, аналитические методы и одно- или двухмерные численные методы расчета, физическое моделирование или натурные эксперименты по разработке индукторов. Каждый из этих методов имеет свои недостатки. Указанные методы не позволяют учесть сложную геометрию системы индукционного нагрева и требуют введения многих допущений, снижающих точность расчетов. Натурные эксперименты на установках связаны с существенными материальными затратами и ограничивались по времени исследований.

Современный уровень развития вычислительной техники и численных методов позволяет провести компьютерное трехмерное моделирование конструкций индукторов в система "индуктор-диск" и получить новые, более достоверные результаты, на базе которых могут быть разработаны рекомендации по дальнейшему проектированию конструкций индукторов и режимам нагрева с улучшенными характеристиками.

Целью диссертации является разработка индукторов для нагрева вращающихся дисков и методики расчета эффективных режимов их работы с учетом нагрева изделий за счет вращения в переменном магнитном поле.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработана методика расчета эффективных режимов нагрева вращающихся дисков и модели в пакете программ ANSYS, позволяющие исследовать распределения температур в дисках и интегральные электрические характеристики индукторов при различных режимах нагрева вращающихся дисков.

2) На основе расчетно-экспериментальных исследований выбраны конструкции индукторов и режимы нагрева дисков, обеспечивающие повышение точности воспроизведения температур и сокращение времени исследования.

3) Установлены электрические, энергетические и тепловые характеристики системы нагрева диска со стержневыми индукторами с учетом влияния зазора, частоты тока и проведены исследования влияния частоты вращения на равномерность нагрева диска в окружном направлении.

4) Получены зависимости удельной мощности внутренних источников тепла в диске от частоты вращения для индукторов разной конструкции.

5) Разработана схема двухчастотного питания индукторов от одного

ТПЧ.

Основные практические результаты работы.

Разработаны рекомендации по проектированию конструкций индукторов различной конфигурации и моделированию эффективных режимов индукционного нагрева с учетом дополнительного выделения мощности в дисках (составляющей удельной мощности нагрева при вращении диска в электромагнитном поле) при воспроизведении эксплуатационных распределений температур дисков авиационных двигателей.

Разработанные методика расчета, модели в среде ANSYS, конструкции индукторов и схема двухчастотного питания индукторов от одного ТПЧ использованы для исследования тепловых режимов вращающихся дисков турбин авиационных двигателей на разгонных стендах ЦИАМ.

1. ПРИМЕНЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕРЖНЕВЫХ И

ПЛОСКИХ ИНДУКТОРОВ

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основании проведенного анализа литературы показано, что наиболее эффективными конструктивными устройствами для нагрева вращающихся дисков являются плоские индукторы. Для расчета параметров указанных индукторов и режимов нагрева необходимо использовать трехмерные методы расчета с использованием выбранного пакета программ ANSYS.

2. Разработана модель в среде ANSYS для расчета электрических и тепловых параметров стержневых и плоских индукторов

3. Получены результаты исследований электрических и энергетических характеристик со стержневыми индукторами с учетом влияния зазора, частоты тока, проведены исследования распределений параметров электромагнитного поля в диске с учетом влияния его толщины.

4. На основе расчетно-экспериментальных исследований выбраны конструкции индукторов для моделирования эффективных режимов нагрева дисков. Получены результаты исследований влияния частоты вращения на формирование внутренних источников тепла в диске, вращающегося в трехмерном электромагнитном поле. Увеличение мощности составляет 20-40% для частоты вращения до 1200 об/с.

5. Разработанные конструкции индукторов, схема их питания от ТПЧ и методика расчета применены для моделирования тепловых режимов вращающихся дисков турбин авиационных двигателей, что позволило обеспечить повышение точности воспроизведения распределений температур в 2-3 раза (с погрешностью ±10^15 °С) и снизить количество индукторов и источников питания в 1,5-2,0 раза.

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

2. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях: Монография. Новосибирск: Изд.-во НГТУ, 2006. - 286 с. - (Серия «Современные электротехнологии»).

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

4. Кувалдин А.Б. Низкотемпературный индукционный нагрев стали. М.: Энергия, 1976. 112 с

5. Электротермическое оборудование: Справочник / Под общ. ред. А.П. Альтгаузена- М.: Энергия, 1980.

6. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов / Л. А. Никольский, С. 3. Фиглин, В. В. Бойцов и др. М.: Машиностроение, 1975.

7. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. М.: Энергия, 1967.

8. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металла и его промышленное применение. М.: Энергия, 1965.

9. Бортничук Н.И. Определение потерь в стальных листах / Исследования вобласти промышленного электронагрева. (Труды ВНИИТО), вып. 1, / Под общей ред. А.П.Альтгаузена и Л.Е.Никольского. М.: Изд-во ВНИИЭМ, 1965.

10. Артышевский П. П., Жуковский В. Е. Низкотемпературный индукционный нагрев для технологических процессов в черной металлургии // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. 1979. Вып. 7. С. 1-3.

11. Слухоцкий A.E., Рыскин C.E. Индукторы для индукционного нагрева. -JI. Машиностроение. 1974.

12. Васильченко Г.С., Чернявский JT.JL, Романов B.C., Мартьянов Н.С. Установка ВРД-300 для прочностных испытаний рабочих колес высокооборотных турбин // Проблемы прочности. 1971. №1.

13. Рабинович В.П., Васильченко Г.С. Установка ВРД-500 для прочностных испытаний дисков диаметром до 500мм.// Труды ЦНИИТМАШ, 1960, № 12. С. 106-112.

14. Горностай В.И., Баженов В.Г., Тонюк Н.И. Разгонный стенд для испытания вращающихся элементов турбомашин // Проблемы прочности. 1973. № 10.

15. Демьянушко И.В., Суржин B.C. Проблемы автоматизированных циклических испытаний дисков и роторов на разгонных стендах // Проблемы прочности. 1981. №7.

16. Сабоннадьер Ж. К., Кулон Ж.Л. Метод конечных элементов и САПР. Перев. с француз. М.: Мир. 1989. 190 с.

17. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир.1979.-392 с.

18. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. — JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.

19. Инструкция по использованию программного комплекса ANSYS 11.0.

20. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А. Метод испытаний дисков турбомашин и бандажей роторов турбогенераторов с использованием индукционного нагрева // Электричество. 2009. № 7. С. 33-38.

21. Кувалдин А.Б., Лепешкин С.А., Лепешкин А.Р. Моделирование режимов нагрева врашающихся дисков с использованием стержневых индукторов // Индукционный нагрев, 2009, № 8. С. 36-39.

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

23. 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.

24. Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А. Многокритериальная оптимизация индукционного нагрева дисков ГТД при испытаниях на разгонном стенде // Авиакосмическая техника и технология, 2007, № 8 (44), С. 156-164.

25. Лепешкин С.А. Разработка индукторов для нагрева вращающихся дисков турбин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3-х т. М.: Издательство МЭИ, 2009. Т. 2. С. 159-160.

26. Лепешкин С.А. Расчет скоростного индукционного нагрева крупногабаритных заготовок // Радиоэлектроника, электротехника иэнергетика. Тез. докл. IX Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3-х т. М.: Издательство МЭИ, 2003. Т. 2. С. 133-134.

27. Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А. Методика моделирования нестационарного теплового и термонапряженного состояния деталей сучетом фазовых превращений при закалке токами высокой частоты // Вестник двигателестроения (журнал). 2004. №2. С. 116-119. (Украина).

28. Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А. Моделирование режимов поверхностной закалки изделий токами высокой частоты / Новые материалы и технологии НМТ-2004. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. Т. 2. -М.: МАТИ. 2004. С. 123-124.

29. Патент № 2248682 Россия. Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала / А.Р. Лепешкин, Н.Г. Бычков, А.Б. Кувалдин, С.А. Лепешкин // 2005.

30. Патент № 37900 на полезную модель Россия. Устройство для нагрева диэлектрического или полупроводникового материала / А.Р. Лепешкин, Н.Г. Бычков, А.Б. Кувалдин, С.А. Лепешкин и др. // 2004.

31. Свидетельство № 19977 на полезную модель РФ. Высокочастотный инвертор / А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин, С.А. Лепешкин // 2001.

32. Патент № 37829 на полезную модель РФ. Устройство для термоциклических испытаний деталей с теплозащитным покрытием / Бычков Н.Г., А.Р. Лепешкин, С.А. Лепешкин и др. // 2004.

33. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств- 135 индукционного нагрева. JL: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.

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

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

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

37. Родигин М.Н. Индукционный нагрев стальных изделий токами нормальной частоты. М.: Металлургиздат. 1950. 248 с.

38. Установки индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, Н.А. Павлов и др. Л.: Энергоиздат. 1981. — 328 с.

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

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

41. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике: Учеб. пособие для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2004.

42. Автоматическое управление электротермическими установками: Учебник для вузов / A.M. Кручинин, К.М. Махмудов, Ю.М. Миронов и др. Под ред. А.Д. Свенчанского. — М.: Энергоатомиздат, 1990.