Введение к работе
Актуальность темы. Электротехнологические комплексы с линейными индукционными машинами нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Наибольшее распространение получили электромагнитные насосы, дозаторы, дроссели, перемешиватели. Основными областями применения линейных индукционных машин являются атомная энергетика, металлургия, химическая промышленность, техника физического эксперимента.
В настоящее время во многих странах изготавливают электротехнические устройства на базе линейных индукционных машин. В СНГ основными их серийными изготовителями являются ОАО "Электросила", СКБ МГД Института физики АН республики Латвия, НПЦ Магнитной гидродинамики г.Красноярск. В США индукционные насосы изготавливают фирмы General Electric Со (Nuclear Energy Division), Atomic International, Westinghouse Electric Corp., в Англии - General Electric Co (Reactor Equipment Ltd), во Франции - Novaatom, в Японии - фирма Toshiba, Mitsubishi Atomic Power Industries Inc., в Германии Asea Brown Bovveri и другие. Исследования линейных индукционных машин металлургического назначения проводятся в УГТУ (УПИ) г. Екатеринбург, НЭТИ г. Новосибирск, С-ПГТУ(ЛПИ) г. Санкт-Петербург.
На кафедре "Электротехнология и электротехника" Красноярского государственного технического университета, под руководством В.Н. Тимофеева, в течение ряда лет, ведётся работа по разработке и усовершенствованию электромагнитных перемешивателей цветных и черных металлоп в плавильно-литейных агрегатах. Возрастающая потребность в повышении качества сплавов стимулирует оснащение плавильно-литейных агрегатов (миксеров) электромагнитными перемешивателями. Применение этих устройств позволяет улучшить тепломассообмен металла между различными областями ванны, получить однородный по составу сплав, а также автоматизировать процесс перемешивания. В настоящее время плавильно-литейные агрегаты заводов г. Красноярска: ОАО "КрАЗ", ОАО "КраМЗ", а также АО "ОКСА" г.Саяногорска частично оснащены электромагнитными перемешивателями. Учитывая, что оборудование каждого завода уникально, а технологический процесс имеет свои особенности, необходимо индивидуальное проектирование перемешивателя для каждого миксера.
Несмотря на довольно широкое промышленное внедрение электротехнологических комплексов с линейными машинами, на современном этапе, теория и методы их расчета, разработка конструктивных схем ещё далеки от завершения. Актуальными остаются: углубление анализа процессов в таких устройствах на основе решения краевых задач, учитывающих совместно возможно большее число факторов, в частности - анизотропные движущиеся среды; выработка уточненных методик расчета с их программные обеспечением: проблемы оптимизации параметров устройств. Важное значение
приобретает поиск общих подходов к аназизу и разработке методик расчета различных конструктивных модификаций линейных машин на основе единой теоретической базы.
Цель работы: развитие методов анализа электромагнитного и гидродинамического полей, разработка атгоритмов и методики проектирования электромагнитных перемешивателей жидких металлов
Достижение указанной цели в диссертации требует решения следующих основных задач:
-
анализ методов математического моделирования электромагнитных процессов в перемешивателях, насосах и дозаторах;
-
развитие метода дискретизации свойств сред применительно к задачам магнитной гидродинамики;
-
разработка алгоритмов и методики электромагнитного расчета устройств металлургического назначения с линейными индукционными машинами;
-
выдача рекомендаций по проектированию и управлению режимами работы электромагнитного перемешивателя в плавильно-литейном агрегате алюминиевых сплавов от 10 до 100 тонн;
-
проведение экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математических моделей и достоверности основных положений методик расчета.
Методы исследований. Поставленные задачи решены современными методами вычислительной математики. При разработке программных сргдстн расчета использован алгоритмический язык FORTRAN 90 и пакеты прикладных программ MATHCAD и 'AeroChem' (разработчики А.А. Дектереь, A.M. Ковалевский, Л.П. Каменщиков). Экспериментальные исследования проведены на физических моделях и промышленных образцах.
Научная новизна работы состоит в развитии метода дискретизации свойств сред применительно к задачам магнитной гидродинамики и теории линейных индукционных машин. Показана его эффективность в качестве инструмента для исследования электротехнологического оборудования с анизотропными и движущимися средами. Изучено влияние типа обмотки, количества пазов, токов в них и места расположения катушек обмотки на электромагнитные характеристики линейных индукционных машин и гидродинамические процессы в ванне плааильно-литейного агрегата.
Практическая ценность работы:
-
Разработаны алгоритмы и комплексы программ для анализа электромагнитных и гидродинамических процессов, интегральных характеристик электромагнитных перемешивателей, насосов дозаторов.
-
Создана методика проектирования устройств металлургического назначения с линейными индукционными машинами.
-
Выданы технические решения для проектирования и управления режимами работы электромагнитного перемешивателя алюминиевых сплавов в плавильно-литейном агрегате.
-
Предложен способ повышения технико-экономических показателей линейных индукционных машин (патент на изобретение №2150777).
Положения выносимые на защиту.
'..Метод дискретизации свойств сред для исследования устройств с
линейными индукционными машинами, имеющими анизотропные и
движущиеся среды.
-
Одномерную теорию линейных индукционных машин с дискретным представлением обмотки индуктора, позволяющую оценить влияние количества пазов, их распределение, величин и фаз токов обмотки на характеристики установки.
-
Алгоритмы и программы, разработанные на базе развития метода дискретизации свойств сред, позволяющие оценивать влияние различных параметров на электромагнитные и гидродинамические процессы.
-
Методика электрического расчета позволяет проводить инженерного проектирования устройств с линейными индукционными машинами.
-
Новое техническое решение по повышению энергетических показателей линейной индукционной машины.
-
Результаты сравнения экспериментальных и теоретических исследований позволяющих оценивать достоверность математических моделей и принятых технических решений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
П на II международной научно - технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода (г. Ульяновск, 1998
г.);
3 на III международной конференции по физико - техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов "МК ЭМК -99" (г. Клязьма, 1999 г.) И на II всероссийской научно - практической конференции с международным участием "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" {г. Красноярск, 2000 г.). Я на 6-ой Всероссийской научно-технической конференции: "Перспективные материалы, технологии, конструкции - экономика" (г. Красноярск, 2000 г.) Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ. Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при модернизации электромагнитных перемешивателей установленных на АО "ОКСА" г.Саяногорск, а также внедрены в учебный процесс Красноярского государственного технического университета. Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 128 страницах основного текста, содержит 37 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 100 наименований и 2 приложения. Общий объем работы составляет 163 страницы.
