Разработка индукторов и методики расчета эффективных режимов нагрева вращающихся дисков

На правах рукописи

ЛЕПЕШКИН СТЕПАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ИНДУКТОРОВ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА ВРАЩАЮЩИХСЯ ДИСКОВ

Специальность 05.09.10 – Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

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

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Кувалдин Александр Борисович

Официальные оппоненты: 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 « » 2010 г.

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 пол я. 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 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:

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 конструкций, 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:

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

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 Х-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 конференции “Новые материалы и технологии – НМТ-2008” (МАТИ, Москва, 2008), на IX-XII 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.

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 экспериментально.

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 ANSYS был использован трехмерный элемент SOLID117. 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 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 . Расчеты производились на частотах f = 0,05 8 кГц. при этом использовались различные значения зазора между индуктором и диском 5 15 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 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.

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 1) и с вращением (случай 2). При увеличении частоты вращения 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 вывод, что при

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

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 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 (D = 400 мм) при зазоре = 8 мм, токе 500 А и частоте 2400 Гц.

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, 6 – 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 T по радиусу диска. При расположении эллипсного индуктора 4 получается T в 2 раза меньше по сравнению использования индуктора 3. Петлевой индуктор 6, 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.