автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин

На правах рукописи

1X4.^ Г

Пищалев Константин Евгеньевич

Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин

05.09.10 — Электротехнология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МАП 2С14

Санкт-Петербург - 2014

005548232

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» в межотраслевой лаборатории «Современные электротехнологии»

Научный руководитель: доктор технических наук

Дзлиев Сослан Владимирович Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина), профессор кафедры электротехнологической и преобразовательной техники

Официальные оппоненты: Фролов Владимир Яковлевич

доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, заведующий кафедрой электротехники и электротехнологии

Растворова Ирина Ивановна кандидат технических наук

Национальный минерально-сырьевой

университет «Горный», доцент кафедры электронных систем

Ведущая организация: Федеральное Государственное Унитарное

Предприятие Всероссийский Научно Исследовательский Институт Токов Высокой Частоты ВНИИТВЧ

Защита состоится "ЛР' 2014 года в часов минут на

заседании диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и на сайте http://www.eltech.ru.

Автореферат разослан " &ирелЗ- 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.05

М.П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В связи с ростом мощностей турбогенераторов, используемых при выработке электроэнергии, а также применением новых материалов и конструктивных решений, традиционные методы нагрева при монтаже и демонтаже насадных деталей не могут в достаточной степени обеспечить успешное проведение данных технологических операций. Традиционно применяемые нагрев в муфельных печах, газопламенный нагрев и индукционный нагрев на промышленной частоте исчерпали себя в плане повышения эффективности и в отдельных случаях непригодны для выполнения требуемых технологических операций. Поэтому требуется внедрение новых методов нагрева, в частности индукционного нагрева токами высокой частоты, чему, в том числе, способствует появление надёжной элементной базы для создания высокоэффективных и достаточно мобильных транзисторных генераторов.

В сложившейся ситуации актуальной является разработка технологии высокочастотного индукционного нагрева крупногабаритных насадных деталей при монтаже и демонтаже. Разработка технологии требует проведения комплексного исследования, включающего разработку методики моделирования процессов, исследование моделей реальных технических объектов и проведение натурных экспериментов с целью выработки рекомендаций по выбору типа, числа и мест размещения индукторов, режиму нагрева и контролю процесса. Технология нагрева должна учитывать условия проведения такелажных работ, в частности положение вала при проведении работ, а также требования санитарных правил и норм по обеспечению безопасности обслуживающего персонала.

Целью работы является разработка технологии высокочастотного индукционного нагрева крупногабаритных насадных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

• разработка методики моделирования системы "индуктор - насадная деталь — вал";

• разработка и исследование модели системы "индуктор - бандажное кольцо - зубцы ротора турбогенератора", представляющей собой случай высокочастотного индукционного нагрева немагнитной детали при горизонтальном положении вала ротора;

• разработка и исследование модели системы "индуктор - рабочее колесо турбины - вал ротора турбины", представляющей собой случай высокочастотного индукционного нагрева магнитной детали при вертикальном положении вала ротора;

• разработка технологии высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей при монтаже и демонтаже (выбор типа, числа и мест размещения индукторов, режима нагрева и алгоритма управления процессом).

Методы исследования включают в себя численные расчёты и натурные эксперименты. Численные расчёты проведены в среде АЫБУЯ, реализующей расчёты на конечно-элементных моделях, натурные эксперименты проведены в ООО "Интерм", а также на заводах "Электросила" и ЛМЗ ОАО "Силовые машины".

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика моделирования системы "индуктор - насадная деталь - вал".

2. Модель высокочастотного индукционного нагрева, термического расширения и схода с посадки немагнитного бандажного кольца ротора турбогенератора ТЗВ-1200-2 при горизонтальном положении вала.

3. Модель высокочастотного индукционного нагрева, термического расширения и схода с посадки магнитного рабочего колеса паровой турбины к-300-240 при вертикальном положении вала.

4. Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей при монтаже и демонтаже.

Научная новизна. В ходе исследования получены следующие новые научные результаты:

• подтверждена возможность и высокая эффективность использования токов высокой частоты для нагрева крупногабаритных деталей из магнитных и немагнитных металлов;

• рассмотрены физические явления, приводящие к отклонению от осевой симметрии при горизонтальном расположении вала, обусловленные действием гравитации, оценена вносимая ими неравномерность условий нагрева, охлаждения и расцепления контактных поверхностей по периметру, обоснована корректность использования двумерной осесимметричной постановки для их моделирования;

• на моделях оценено взаимное влияние близко расположенных индукторов при нагреве как магнитных, так и немагнитных деталей; установлено, что существенное взаимное влияние близко расположенных индукторов проявляется только при нагреве магнитных деталей (рабочих колёс паровых турбин), где индуктора должны располагаться на максимальном удалении;

• исследовано влияние переменного по ширине зазора между поверхностью немагнитной детали и ленточным индуктором, а также между токоподводами на активное сопротивление, индуктивность и распределение плотности тока по сечению индуктора и детали; при практически возможном отклонении от параллельности активное сопротивление меняется незначительно, в то время как увеличение индуктивности в разы и повышение концентрации плотности тока в области минимального зазора могут вылиться в рассогласование и перегрев соответственно;

• определена зависимость активного сопротивления индуктора-провода при нагреве деталей из магнитных материалов от шага намотки - с ростом шага сопротивление падает; в связи с этим для согласования

индуктора-провода с генератором без трансформатора при плотной намотке требуется меньшая длина индуктирующего провода (на ступицу рабочего колеса пятью витками наматывается около 14 м), чем при намотке с крупным шагом (на полотно рабочего колеса пятью витками свободно наматывается около 19 м); • предложена стратегия группового нагрева крупногабаритных насадных деталей с использованием нескольких источников питания, позволяющая формировать необходимое температурное поле в нагреваемой детали.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

диссертации обуславливается корректным использованием методов исследования, применением современных компьютерных средств и программных комплексов, подтверждается совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными при проведении реальных технологических операций.

Практическая ценность новых научных результатов следует из того, что предложенный метод нагрева успешно внедрён в производство и показал себя лучше, чем использовавшиеся ранее. Он позволяет точно контролировать процесс нагрева и способствует более высокой культуре труда.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены на заводах ЛМЗ и "Электросила" ОАО "Силовые машины" в технологиях монтажа и демонтажа бандажных колец роторов турбогенераторов и рабочих колёс паровых турбин, а также в ООО "Интерм" при разработке оборудования и технологии для горячей посадки крупногабаритных насадных деталей.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 63-65 и 67 конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ "ЛЭТИ" в 2010-2012 и 2014 годах и на

международном молодёжном форуме "Энергоэффективные электротехнологии" в 2011 году.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 статьях и докладах, среди которых 5 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады доложены и получили одобрение на 5 международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях, перечисленных в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 123 страницах машинописного текста, включает 51 рисунок, 4 таблицы и содержит список литературы из 48 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, рассматриваются применение горячей посадки в машиностроении и методы, традиционно применяющиеся для нагрева крупногабаритных деталей под горячую посадку и для снятия с неё - нагрев в муфельных печах, газопламенный нагрев и индукционный нагрев на промышленной частоте. Анализируются достоинства и недостатки этих методов, проводится их сравнение с высокочастотным индукционным нагревом. Формулируются цели и основные задачи работы, характеризуется новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена разработке методики моделирования системы "индуктор - насадная деталь - вал". В ней произведена постановка задачи моделирования, определена структура модели (рис. 1), выбраны программные средства для разработки модели, а также выбраны параметры дискретизации модели по времени и в пространстве. Кроме того, в рамках разработки методики моделирования был поставлен ряд численных и

натурных экспериментов для подтверждения корректности принятых допущений.

Важным результатом, полученным в первой главе, является выбор типов индукторов для нагрева деталей, выполненных из магнитных и немагнитных металлов — для немагнитных, которым

свойственно более яркое проявление эффекта

близкодействия и меньшая теплопроводность, решено

использовать широкий

ленточный индуктор, для магнитных, распределение тока по поверхности которых при использовании многовиткового индуктора более равномерно, а теплопроводность выше - многовитковый индуктор-провод (рис. 2). Кроме того, такой выбор типов индукторов определяется тем, что более простая, близкая к цилиндру, форма немагнитных деталей (бандажные кольца) удобна для использования ленточного индуктора, а заметно более сложная форма рабочих колёс из магнитной стали легче обматывается проводом.

Для снижения объёмов и времени расчётов была выбрана двумерная осесимметричная постановка задачи. Учёт взаимодействия электромагнитной задачи по первой гармонике и связанных тепловой и механической задач в переходной области осуществляется передачей распределения источников тепла из электромагнитной задачи в тепловую и температурных полей -обратно. При этом учитываются нелинейности, связанные со свойствами

Рисунок 1. - Блок-схема алгоритма

моделирования

и: о о О

........................р* :к-УТ "К-1

ч \ ! '> I чЧ

У ■1 V V к X

7

__--

0,22 0.24 0.26

Длина трубы 1,.ч

— Индуктор-провод 5 витков, м " Индуктор-провод 5 в • Индуктор-ле • Индуктор-лента, немагнитная деталь

материалов и решением контактных задач. Условия охлаждения заданы аналитически рассчитанными

коэффициентами теплоотдачи.

В главе произведена оценка погрешностей моделирования,

внесённых упрощением реальных трёхмерных объектов до двух Рисунок 2. - Распределение измерений, использованием при плотности тока по поверхности решении электромагнитной задачи немагнитных и магнитных деталей вычислений по первой гармонике и при использовании разных типов исключением из термопрочностной индукторов задачи индуктора и изоляции.

Погрешности определения сопротивлений и индуктивностей при расчёте по первой гармонике по сравнению с более точным расчётом во временной области составили около 5% для немагнитной загрузки и около 10% - для магнитной. В силу заметно меньших затрат машинного времени принято решение использовать гармонический анализ, пренебрегая эффектами от воздействия высших гармоник.

Учёт в термопрочностном анализе индуктора и изоляции потребовал бы рассмотрения дополнительной контактной задачи. Кроме того, характер их взаимодействия по части теплопередачи излишне сложен. Исключение их приводит к погрешности по температуре в контрольных точках на поверхности 5-10% при нагреве и до 15% при охлаждении (рис. 3), что связано с поведением индуктора во время нагрева как теплового экрана. В силу того, что основной интерес при монтаже и демонтаже представляет нагрев насадных деталей, соответствующая ему при принятых допущениях погрешность допустима.

Наконец, были рассмотрены физические явления, приводящие к отклонению от осевой симметрии при горизонтальном расположении вала,

обусловленные действием

гравитации, которые не могут быть учтены в выбранной для рассмотрения двумерной

осесимметричной постановке -провисание индуктора и связанное с ним неравномерное распределение

0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600 7200

Поверхность летал модели инлуктора ^

>д центром индуктора в полной м >д центром ннлуктора без учета в

источников теплоты (рис. 4), Рисунок 3. - Динамика температуры

непостоянные по периметру условия

в различной постановке

охлаждения при свободной конвекции, образование зазора и сопутствующее ему прекращение теплопроводности через контактные поверхности (рис. 5). Вносимая этими явлениями неравномерность в распределении температуры и образовании зазора по периметру, поддающаяся учёту только в трёхмерной постановке, может быть частично компенсирована за счёт натяжения ленты индуктора. В этом случае неравномерность нагрева по периметру составляет порядка 10%, поэтому время схода и температура поверхности достаточно точно могут быть рассчитаны на двумерной модели, а неравномерность в распределении температуры рекомендуется учитывать при практическом применении - датчики контроля температуры должны располагаться в верхней точке горизонтально расположенного бандажного кольца, где наблюдается максимальная температура.

1 Потерн в холодном режиме 2 Потерн в горячем режиме 3 Температура поверхности 4 Зазор

Рисунок 4. - Провисание индуктора,

температура через час нагрева, распределение по периметру потерь в начале и через час нагрева

Рисунок 5. - Образование зазора при неравномерных по периметру условиях охлаждения

Глава 2 посвящена разработке технологии высокочастотного индукционного нагрева бандажных колец роторов турбогенераторов при монтаже и демонтаже.

Предложенная методика моделирования использована для разработки модели бандажного кольца ротора турбогенератора ТЗВ-1200-2. Разработанная технология предполагает нагрев бандажа при посадке и снятии с неё пятью индукторами ленточного типа, расположенными в соответствии со схемой на рис. 6: три индуктора шириной 225 мм запитываются каждый от отдельного транзисторного генератора, два индуктора шириной 75 мм подключаются к одному источнику параллельно. Оптимальная удельная мощность нагрева, при которой индуктор можно использовать без принудительного охлаждения составляет 3,5...4 Вт/см2, поэтому оптимальная мощность каждого из источников составляет 40 кВт. Такое расположение и подключение индукторов обеспечивает наиболее

равномерный и быстрый нагрев _ ___

бандажного кольца и позволяет , ^ :

независимо регулировать Рисунок 6. - Схема расположения

температурный режим в индукторов на бандажном кольце

отдельных областях. ротора турбогенератора ТЗВ-1200-2

Исследован вопрос взаимного электромагнитного влияния индукторов друг на друга - установлено, что ленточные индуктора слабо влияют друг на друга и могут располагаться в непосредственной близости.

Также рассмотрены возможности согласования индукторов с источниками питания исходя из диаметра детали и ширины индуктора. На рисунке 7 представлена полученная в результате исследования номограмма для определения оптимального коэффициента трансформации блока согласования транзисторного генератора ТГИ-40/100, используемого в составе нагревательного поста в качестве источника питания при нагреве бандажных колец из титанового сплава ВТЗ-1 на частоте 66 кГц.

Разработанная технология апробирована и внедрена в производство на заводе

"Электросила" ОАО "Силовые машины". На фотографии (рис. 8) показан рабочий момент процесса Рисунок 7. - Номограмма для нагрева для посадки бандажного определения коэффициента кольца ротора турбогенератора ТЗВ-

трансформации 1200-2, помещённого в специальную

оснастку, а соответствующие экспериментальные и расчётные графики нагрева представлены на рисунке 9. Расчётные температурные кривые качественно и количественно совпадают с экспериментальными с достаточно высокой точностью.

Рисунок 8. - Нагрев бандажного Рисунок 9. - Экспериментальный (1)

кольца для посадки на зубцы и расчётный (2) графики изменения

бочки ротора турбогенератора температуры

ТЗВ-1200-2

Глава 3 посвящена разработке технологии высокочастотного индукционного нагрева рабочих колёс паровых турбин при монтаже и демонтаже.

Исследование проводилось на модели ротора низкого давления паровой турбины к-300-240 (рис. 10). Масса дисков рабочих колёс находится в значительном диапазоне (от 665 кг для первой ступени до 3125 кг - для

пятой), сложная форма их поверхности не

способствует равномерному их покрытию

ленточными индукторами, кроме того,

магнитные свойства не позволяют

располагать индуктора от разных источников Рисунок 10. - Ротор низкого

питания рядом. В силу этого используются

давления

три многовитковых индуктора из провода, разнесённых на максимально возможное расстояние и запитанных от отдельных транзисторных генераторов. При этом более лёгкие рабочие колёса первых двух ступеней снимаются с посадки одновременно. На рисунке 11 представлено принятое в итоге расположение индукторов при использовании трёх нагревательных постов.

Рисунок 11. — Конечный вариант расположения витков индукторов на

рабочем колесе пятой ступени (а) и первых двух ступеней (б) Высокое сопротивление многовиткового индуктора с магнитной

загрузкой позволяет согласовать его с транзисторным генератором ТГИ-40/100, имеющим номинальное сопротивление нагрузки 5 Ом, без трансформатора. На рисунке 12 представлена номограмма для определения шага намотки пятивиткового индуктора из термостойкого провода для оптимального согласования на номинальное сопротивление нагрузки источника питания.

Исследование моделей при выбранном расположении витков показало, что мощность нагрева имеет ярко выраженный оптимум, при котором нагрев

Рисунок 12. - Номограмма для определения активного сопротивления индуктора

25000 20000 15000 • 10000 5000 0

—й—Время нагрева до схода —Я— Ма кснма льна я температура

происходит за приемлемое время без излишнего перегрева поверхности (рис. 13).

Разработанная технология

внедрена в производство на заводе ЛМЗ ОАО "Силовые машины". На

фотографии (рис. 14) показан рабочий момент процесса нагрева для снятия с посадки рабочего колеса пятой ступени ротора низкого давления паровой турбины к-300-240, а соответствующие экспериментальные и расчётные графики нагрева представлены на рисунке 15.

Рисунок 13. - Время нагрева рабочего колеса пятой ступени тремя нагревательными постами до схода с посадки и максимальная температура на момент схода в зависимости от мощности одного поста Расчётные температурные кривые качественно и количественно совпадают с экспериментальными с достаточно высокой точностью.

В заключении

сформулированы основные научные и практические результаты

Рисунок 14.-Нагрев рабочего колеса пятой ступени для снятия с посадки

диссертационной работы, сделаны выводы об эффективности предложенной технологии

высокочастотного индукционного нагрева крупногабаритных насадных деталей, изготовленных как из магнитных, так и из немагнитных металлов, при монтаже и демонтаже.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика моделирования высокочастотного индукционного нагрева крупногабаритных насадных деталей.

2. На моделях и экспериментально исследованы процессы, проходящие при высокочастотном индукционном нагреве цилиндрических крупногабаритных насадных деталей, выполненных из немагнитных материалов, при горизонтальном расположении вала ротора.

3. На моделях и экспериментально исследованы процессы, проходящие при высокочастотном индукционном нагреве дисковых крупногабаритных насадных деталей, выполненных из магнитных материалов, при вертикальном расположении вала ротора.

4. Разработана и успешно внедрена в действующее производство технология высокочастотного индукционного нагрева крупногабаритных насадных деталей при монтаже и демонтаже.

1

1

1

1 1

/ 1

О 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Время I, с

Рисунок 15. - Экспериментальный (1) и расчётный (2) графики изменения температуры

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Высокочастотный индукционный нагрев при горячей посадке бандажных колец турбогенераторов и рабочих колёс паровых турбин / Пищалев К.Е., Дзлиев C.B., Жнакин Д.М., Перевалов Ю.Ю. // Индукционный нагрев. - 2012. - №2 (20) - с. 25-28.

2. Согласование транзисторных преобразователей частоты с индукционными нагревателями / Пищалев К.Е., Дзлиев C.B., Завороткин A.A., Перевалов Ю.Ю. // Индукционный нагрев. - 2012. -№3 (21).-с. 33-40

3. Неустойчивость при индукционном нагреве магнитной стали / Пищалев К.Е., Дзлиев C.B., Завороткин A.A., Жнакин Д.М., Перевалов Ю.Ю. // Индукционный нагрев. - 2013. - №1 (23). - с. 36-41.

4. Автоколебания при сканирующем индукционном нагреве ленты из немагнитной стали / Пищалев К.Е., Дзлиев C.B., Жнакин Д.М., Завороткин A.A., Перевалов Ю.Ю. // Индукционный нагрев. - 2013. -№2 (24). - с. 33-40.

5. Высокочастотный индукционный нагрев крупногабаритных деталей / Пищалев К.Е., Дзлиев C.B., Жнакин Д.М., Перевалов Ю.Ю. // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2012. - №5. - с. 92-98.

Материалы конференций:

6. Пищалев К.Е. Технология высокочастотного нагрева при горячей посадке крупногабаритных деталей / 63-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 26 января - 6 февраля 2010 г.

7. Пищалев К.Е., Дзлиев C.B., Бондаренко Д.Н., Патанов Д.А., Тихомиров И.С. Высокочастотный индукционный нагрев крупногабаритных деталей: моделирование и экспериментальные исследования / 64-я

научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 25 января - 5 февраля 2011 г.

8. Пищалев К.Е., Дзлиев C.B., Завороткин A.A., Перевалов Ю.Ю. Технологии низкотемпературного индукционного нагрева / 65-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 24 января - 4 февраля 2012 г.

9. Пищалев К.Е., Дзлиев C.B. Оборудование и технология высокочастотного индукционного нагрева бандажных колец ротров турбогенераторов и рабочих колёс паровых турбин при монтаже и демонтаже / 67-я научно-техническая конференция профессорско преподавательского состава СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 27 января - 3 февраля 2014 г.

Ю.Пищалев К.Е. Высокочастотный индукционный нагрев при монтаже и демонтаже крупногабаритных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин / Международный молодёжный форум "Энергоэффективные электротехнологии" 19 - 23 сентября 2011 г.

Подписано в печать 22.04.14. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. п. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 35.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Федеральное государственно бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)»

На правах рукописи

0420145955?

Пищалев Константин Евгеньевич

Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин

05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Дзлиев Сослан Владимирович

Санкт-Петербург — 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Глава 1. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ "ИНДУКТОР -НАСАДНАЯ ДЕТАЛЬ - ВАЛ"............................................................................11

1.1. Постановка задачи моделирования...........................................................12

1.2. Принципы разработки и структура компьютерной модели...................17

1.3. Выбор программных средств моделирования.........................................25

1.4. Конечно-элементная сетка и шаг дискретизации во времени................26

1.5. Оценка погрешностей моделирования.....................................................30

1.5.1. Решение электромагнитной задачи по первой гармонике...............30

1.5.2. Особенности постановки термопрочностной задачи........................35

1.5.3. Оценка погрешности моделирования насадных деталей при горизонтальном положении вала в двумерной осесимметричной постановке.......................................................................................................41

1.6. Выводы по главе.........................................................................................52

Глава 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА БАНДАЖНЫХ КОЛЕЦ РОТОРОВ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ ПРИ МОНТАЖЕ И ДЕМОНТАЖЕ..........................55

2.1. Геометрия и материалы системы "индуктор - бандажное кольцо -зубцы ротора".....................................................................................................57

2.2. Постановка задачи......................................................................................60

2.3. Исследования модели процесса нагрева при монтаже и демонтаже бандажного кольца ротора турбогенератора ТЗВ-1200-2..............................63

2.4. Технология высокочастотного индукционного нагрева бандажных колец ротора турбогенератора ТЗВ-1200-2 при монтаже и демонтаже.......70

2.5. Экспериментальные данные......................................................................79

2.6. Выводы по главе.........................................................................................85

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА РАБОЧИХ КОЛЁС ПАРОВЫХ ТУРБИН

ПРИ МОНТАЖЕ И ДЕМОНТАЖЕ....................................................................88

3.1. Геометрия и материалы системы "индуктор - рабочее колесо турбины -вал ротора турбины"..........................................................................................88

3.2. Постановка задачи......................................................................................91

3.3. Исследования модели процесса нагрева при демонтаже рабочих колёс ротора низкого давления паровой турбины к-300-240...................................92

3.4. Технология высокочастотного индукционного нагрева рабочих колёс паровой турбины к-300-240 при монтаже и демонтаже................................98

3.5. Экспериментальные данные....................................................................105

3.6. Выводы по главе.......................................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Высокие рабочие обороты, большая масса и условия работы (прежде всего тепловые) электрических машин, используемых на электростанциях накладывают определённые требования к используемым в них соединениям. При соединении с использованием крепежа крепёж работает на срез и на растяжение от центробежных сил, кроме того отверстия ослабляют конструкцию, а вследствие локализации крепления происходит концентрация напряжений. В то же время использование сварки ограничивает ремонтопригодность, а изготовление цельных изделий (как, например, откованных заодно с ротором рабочих колёс на роторах высокого давления) дорого и не всегда представляется возможным. Поэтому для сопряжения ответственных деталей широко применяется посадка с натягом, когда внутренний диаметр насадной детали меньше наружного диаметра вала на величину натяга [1]. Прессовая посадка массивных деталей помимо требования больших усилий при монтаже не обеспечивает достаточного натяга для удержания деталей на рабочих или, тем более, угонных оборотах. Таким образом, для монтажа на вал особо ответственных деталей, таких как бандажные кольца турбогенераторов, соединительные полумуфты, рабочие колёса турбин, вентиляторы центробежные и центрирующие кольца, оптимальным выбором является горячая посадка, обеспечивающая достаточную прочность соединений при максимально равномерном распределении напряжений по сопрягаемым поверхностям.

Традиционно при монтаже детали нагреваются в печах, газовых или электрических, газовыми или керосиновыми горелками, либо на промышленной частоте. При демонтаже нагрев производится горелками либо индукционным способом на частоте 50 Гц [2].

Тепловые деформации сами по себе не вызывают напряжений, напряжения возникают из-за неравномерного распределения тепловых

полей — таким образом, наибольшего расширения в условиях ограничения температуры нагрева можно достичь при равномерном распределении температуры. Однако требование равномерного распределения температуры уместно только для случая нагрева под горячую посадку, а при нагреве для снятия требуется достичь разницы температур между насадной деталью и валом — этот градиент может быть создан как за счёт нагрева насадной детали, так и за счёт охлаждения вала.

Наиболее равномерно нагреть деталь можно в муфельной печи, однако она может значительно остыть во время проведения такелажных работ и сесть на вал, не дойдя до предназначенного для неё места посадки — очевидно, что оперативно её подогреть в таком случае невозможно и надо либо применять другой метод нагрева, либо вообще её срезать. Кроме того, нагрев в муфеле совершенно неприменим для съёма деталей с горячей посадки.

При нагреве деталей газовыми горелками возможен подогрев деталей на всём протяжении проведения работ. Однако, такой метод имеет целый ряд недостатков, в первую очередь, значительное ухудшение условий труда в цехе вследствие выделения продуктов сгорания и пожароопасность. Кроме того, в этом случае затруднён контроль температуры поверхности, она может нагреться до температуры фазовых превращений, сама же деталь вследствие значительной неравномерности нагрева может претерпеть пластические деформации, а отдельные элементы (например, турбинные лопатки на рабочих колёсах) могут быть безвозвратно испорчены.

Наконец, довольно широко распространён индукционный нагрев на промышленной частоте. Насадные детали нагреваются либо индуктором, либо устанавливаются на магнитопровод трансформатора; явным минусом таких установок являются сильные внешние поля. При использовании для нагрева трансформатора наблюдаются те же проблемы, что и при нагреве в муфельной печи — остывание детали при проведении такелажных работ и невозможность нагрева посаженной детали. Многовитковый массивный

индуктор на 50 Гц имеет низкий КПД и требует водяного охлаждения, что дополнительно усложняет конструкцию. Кроме того при нагреве некоторых тонкостенных конструкций глубина проникновения оказывается меньше толщины стенки детали (особенно актуальным данный момент видится в связи с переходом в последнее время на изготовление бандажных колец из титановых сплавов), что ведёт к нагреву полем промышленной частоты вала и может вызвать пробой, сопровождающийся электроискровой эрозией сопрягаемых поверхностей (подробно выбор минимально допустимой частоты рассмотрен Кийло О. Л. в [3]). Вдобавок установка на промышленной частоте имеет значительные массу и габариты, что практически исключает её мобильность.

В некоторых случаях при сборке деталей на посадку с натягом применяется охлаждение вала, однако для обеспечения успешной посадки рассматриваемых в настоящей работе деталей требуется создание разницы температур в 350-400°С, которой, очевидно, не достичь только охлаждением. Кроме того, материалы, используемые в турбомашиностроении не обладают хладостойкостью, и их чрезмерное охлаждение нежелательно.

На этом фоне выгодно смотрится использование для индукционного нагрева насадных деталей токов высокой частоты. В данной работе рассматривается нагрев в частотном диапазоне 50-100 кГц, являющемся нетрадиционным для нагрева крупногабаритных деталей. Современные транзисторные ВЧ источники питания сделали этот диапазон конкурентоспособным по сравнению с использованием установок на промышленной частоте. Компактность установки обеспечивает ей высокую мобильность и позволяет использовать её не только в цехе завода-изготовителя или ремонтного предприятия на специально оборудованной площадке, но и непосредственно на электростанциях. Высокий КПД индуктора позволяет использовать его без водяного охлаждения и упрощает конструкцию индуктора, являющегося, по сути, расходным материалом. Отсутствие продуктов сгорания и сильных внешних полей способствует

высокой культуре производства и обеспечивает безопасность персонала и оборудования. Некоторым недостатком можно считать поверхностный характер нагрева, создающий большой температурный градиент по толщине детали, однако при нагреве под съём с горячей посадки это скорее плюс, чем минус; к тому же, при таком нагреве наиболее высокую температуру имеет поверхность детали, что облегчает контроль и исключает перегрев глубинных слоёв детали.

В отличие от традиционно применяемых на протяжении многих лет методов [4] нагрев крупногабаритных насадных деталей ТВЧ не имеет широкого применения на практике, следовательно нет и обширных экспериментальных данных и отработанных методик его применения. Таким образом, внедрение высокочастотного нагрева требует рассмотрения ряда вопросов.

В первую очередь, в силу высокой цены ошибки при сборе эмпирических данных требуется разработать методику компьютерного моделирования системы "индуктор - насадная деталь — вал", позволяющую получить адекватные результаты на сопряжённой задаче, учитывающей электрическую, тепловую и механическую составляющие с учётом нелинейности системы. Также требуется поверка выбранной методики на натурном объекте и, при необходимости, её корректировка.

В рамках данной работы рассмотрено два типа деталей турбомашиностроения, работающих в тяжёлонагруженных режимах: бандажные кольца роторов турбогенераторов и рабочие колёса роторов паровых турбин низкого давления (рис. В.1). Эти детали значительно различаются как по свойствам материалов, из которых они изготовлены, так и по положению валов в пространстве при проведении операций по монтажу и демонтажу. Бандажные кольца выполняются из немагнитных металлов, а работы по их монтажу и демонтажу производятся при горизонтальном положении вала при помощи дополнительной оснастки. Рабочие колёса выполняются из легированных магнитных сталей, а работы по монтажу и

демонтажу производятся, как правило, при вертикальном положении вала. В силу указанных различий в свойствах материалов и методиках проведения такелажных работ технологии их нагрева также различаются. Эти особенности объектов исследования необходимо учитывать и при моделировании.

Рисунок В. 1. - Объекты исследования: а - ротор турбогенератора, б - ротор

низкого давления паровой турбины Целью работы является разработка технологии нагрева, включая выбор типа и мест размещения индукторов, режимов работы нагревательных постов, обеспечивающих выполнение поставленных задач с соблюдением технических требований.

Решение этой проблемы возможно только на базе адекватных компьютерных моделей, позволяющих точно прогнозировать процессы нагрева и связанного с ним напряжённо-деформированного состояния.

Разработке методики моделирования, включающей обоснование принятых допущений и проверку адекватности натурными экспериментами, посвящена первая глава. В рамках первой главы производится выбор типов индукторов для нагрева магнитных и немагнитных деталей. Обоснован следующий алгоритм моделирования процессов, происходящих при низкотемпературном высокочастотном индукционном нагреве

крупногабаритных деталей: последовательно решаются электромагнитная задача по первой гармонике и термопрочностная, в рамках которой решается и контактная, во временной области. При этом для учёта температурной зависимости сопротивления в электромагнитной задаче к модели прикладывается рассчитанное для данного шага температурное поле, а источниками тепла при термопрочностном анализе служат джоулевы потери, рассчитанные при электромагнитном анализе. Рассмотрены условия дискретизации расчётной области во времени и пространстве, обеспечивающие приемлемую точность при решении поставленных задач, а также корректный обмен данными между электромагнитной и термопрочностной задачами. Рассмотрена методика оценки погрешности решения. Рассмотрена возможность исключения из термопрочностной задачи индуктора и изоляции и задания теплоотдачи с поверхности посредством аналитически рассчитанных коэффициентов. При горизонтальном расположении вала рассмотрены отклонения от осевой симметрии положения индуктора, условий конвективного охлаждения и зазора, образующегося между насадной деталью и валом в процессе нагрева. Оценена погрешность при моделировании подобных систем в осесимметричной постановке.

Во второй и третьей главах рассматриваются процессы, происходящие при высокочастотном нагреве бандажных колец роторов турбогенераторов и рабочих колёс роторов паровых турбин соответственно. Исследования проводятся на компьютерных моделях, созданных с применением предложенной и разработанной в первой главе методики, а также экспериментально на реальных технических объектах. При этом во второй главе рассматривается нагрев для посадки немагнитных бандажных колец при горизонтальном положении вала турбогенератора, а в третьей — нагрев для снятия с посадки магнитных рабочих колёс при вертикальном положении вала ротора паровой турбины низкого давления, представляющие собой существенно различающиеся случаи. В обоих случаях результатом

проведённых численных и натурных экспериментов является технология высокочастотного индукционного нагрева крупногабаритных насадных деталей, успешно внедрённая в производство.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика моделирования системы "индуктор - насадная деталь — вал".

2. Модель высокочастотного индукционного нагрева, термического расширения и схода с посадки немагнитного бандажного кольца ротора турбогенератора ТЗВ-1200-2 при горизонтальном положении вала.

3. Модель высокочастотного индукционного нагрева, термического расширения и схода с посадки магнитного рабочего колеса паровой турбины к-300-240 при вертикальном положении вала.

4. Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей при монтаже и демонтаже.

Глава 1. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ "ИНДУКТОР -

НАСАДНАЯ ДЕТАЛЬ - ВАЛ"

Численный эксперимент гораздо дешевле для проведения, чем натурный - не расходуются охлаждающая вода, электроэнергия и расходные материалы, не требуется наличие объекта исследования, оборудования и оснастки, наконец, цена ошибки — потерянное машинное время, а не порча дорогостоящих ответственных деталей. В этом свете для отработки методики нагрева крупногабаритных деталей видится целесообразным создание методики моделирования системы "индуктор — насадная деталь — вал", дающей адекватные результаты.

Целью моделирования физических процессов, протекающих при высокочастотном индукционном нагреве насадных деталей является учёт взаимодействий электромагнитных полей, температурных полей и полей механических напряжений, вызванных ими. Внешние электромагнитные поля на высоких частотах малы, однако всё равно требуется их оценка вне системы "индуктор-деталь" на соответствие нормам техники безопасности [5]. Поверхности деталей имеют ограничение по предельно допустимой температуре нагрева, предусмотренные конструкторской документацией, что также должно отслеживаться при моделировании. Наконец, напряжения, возникающие в деталях не должны превышать предел упругости во избежание перехода к пластической деформации.

Таким образом, разработка методики моделирования системы "индуктор - насадная деталь - вал" имеет важное значение для разработки технологии высокочастотного индукционного нагрева крупногабаритных насадных деталей, так как позволяет прогнозировать ход технологического процесса не только с учё