Разработка индукторов и методики расчета эффективных режимов нагрева вращающихся дисков

В настоящее время индукционные установки находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и промышленности благодаря своим высоким энергетическим и технологическим показателям [1−5]. Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами нагрева: отсутствие контакта между индуктором и нагреваемым изделиемвысокая скорость нагревавысокие тепловой и электрический КПДпростота управления и возможность полной автоматизации процесса нагрева. При использовании индукционного нагрева достигаются высокие значения удельной поверхностной мощности, что сокращает время нагрева и повышает производительность.

В современной промышленности стержневые индукторы находят достаточное широкое применение: обогрев стенок емкостей и штампов, закалка поверхностей вращающихся деталей и т. д.

Одним из перспективных направлений применения индукторов является моделирование тепловых процессов в телах вращения для проведения испытаний дисков и лопаток турбин авиационных 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.

Разработка и применение стержневых и плоских индукторов позволит повысить точность воспроизведения заданного распределения температуры в диске.

Проблемой индукционного нагрева вращающихся дисков турбин в нашей стране занимались Кувалдин А. Б., Рабинович В. П., Рапопорт Э. Я., Данилушкин А. И. и другие ученые, которые применяли, в основном, аналитические методы и одноили двухмерные численные методы расчета, физическое моделирование или натурные эксперименты по разработке индукторов. Каждый из этих методов имеет свои недостатки. Указанные методы не позволяют учесть сложную геометрию системы индукционного нагрева и требуют введения многих допущений, снижающих точность расчетов. Натурные эксперименты на установках связаны с существенными материальными затратами и ограничивались по времени исследований.

Современный уровень развития вычислительной техники и численных методов позволяет провести компьютерное трехмерное моделирование конструкций индукторов в система «индуктор-диск» и получить новые, более достоверные результаты, на базе которых могут быть разработаны рекомендации по дальнейшему проектированию конструкций индукторов и режимам нагрева с улучшенными характеристиками.

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.

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 работы.

Разработаны рекомендации по проектированию конструкций индукторов различной конфигурации и моделированию эффективных режимов индукционного нагрева с учетом дополнительного выделения мощности в дисках (составляющей удельной мощности нагрева при вращении диска в электромагнитном поле) при воспроизведении эксплуатационных распределений температур дисков авиационных двигателей.

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.

1. ПРИМЕНЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕРЖНЕВЫХ И.

ПЛОСКИХ ИНДУКТОРОВ.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основании проведенного анализа литературы показано, что наиболее эффективными конструктивными устройствами для нагрева вращающихся дисков являются плоские индукторы. Для расчета параметров указанных индукторов и режимов нагрева необходимо использовать трехмерные методы расчета с использованием выбранного пакета программ ANSYS.

2. Разработана модель в среде ANSYS для расчета электрических и тепловых параметров стержневых и плоских индукторов.

3. Получены результаты исследований электрических и энергетических характеристик со стержневыми индукторами с учетом влияния зазора, частоты тока, проведены исследования распределений параметров электромагнитного поля в диске с учетом влияния его толщины.

4. На основе расчетно-экспериментальных исследований выбраны конструкции индукторов для моделирования эффективных режимов нагрева дисков. Получены результаты исследований влияния частоты вращения на формирование внутренних источников тепла в диске, вращающегося в трехмерном электромагнитном поле. Увеличение мощности составляет 20−40% для частоты вращения до 1200 об/с.

5. Разработанные конструкции индукторов, схема их питания от ТПЧ и методика расчета применены для моделирования тепловых режимов вращающихся дисков турбин авиационных двигателей, что позволило обеспечить повышение точности воспроизведения распределений температур в 2−3 раза (с погрешностью ±10¹⁵ °С) и снизить количество индукторов и источников питания в 1,5−2,0 раза.