Введение к работе
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
4 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 Lupi S., Nacke 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.
На основе анализа литературы по индукционному нагреву и его применению на разгонных стендах выбрать наиболее перспективные варианты конструкций индукторов и пакеты программ для моделирования.
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.
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.
Исследовать влияние частоты вращения на выделение активной мощности внутренних источников в диске с использованием индукторов разных конст-
5 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 ANSYS Multiphysics. 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:
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.
На основе расчетно-экспериментальных исследований выбраны конструкции индукторов и режимы нагрева дисков, обеспечивающие повышение точности воспроизведения температур и сокращение времени исследования.
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.
Получены зависимости удельной мощности внутренних источников тепла в диске от частоты вращения для индукторов разной конструкции.
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 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.
Апробация работы Основные результаты работы обсуждались на X-XVI 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-
7 ференции "Новые материалы и технологии - НМТ-2008" (МАТИ, Москва, 2008), на ІХ-ХІІ Международных конгрессах двигателестроителей (Крым, Рыбачье, 2004-2007), на VII конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM gmbh (Москва, 2007), на Международном симпозиуме по нагреву с использованием электромагнитных источников - HES-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.
