Введение к работе
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:
-
Разработка математических моделей процессов индукционного нагрева изделий сложной геометрической формы, проблемно-ориентированных на создание индукционных нагревателей и систем автоматического управления температурными режимами.
-
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 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 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», (XIII Бенардосовские чтения), г.Иваново, ИГЭУ, 2006); VI МIЖНАРОДНА НАУКОВО–ТЕХНIЧНА КОНФЕРЕНЦIЯ «ЕФЕКТИВНIСТЬ ТА ЯКИСТЬ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПРОМИСЛОВИХ ПIДПРИЄМСТВ». 21–23 травня 2008р., Марiуполь, УкраЇна; 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 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.
