Разработка и исследование индукционных систем для ремонтно-восстановительных технологий роторов газотурбинных двигателей

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. Сказанное 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. Наиболее существенными среди них являются центробежные и газодинамические силы, высокие термонапряжения.

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.

По причине износа дисков турбины и ослабления посадки дисков на валах роторов наблюдается тенденция увеличения числа ремонтов газотурбинных двигателей.

Восстановление прочностных характеристик деталей, продление срока эксплуатации оборудования путем ремонтно-восстановительных работ позволяет сократить объем поставок нового дорогостоящего оборудования.

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.

В процессе эксплуатации по истечении срока службы или выявлении дефекта отдельных элементов или узлов роторов газотурбинных двигателей 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 не позволяет обеспечить нагрев отдельных элементов конструкции без предварительной разборки или выполнить локальный и интенсивный нагрев отдельных участков узла или детали при разборке или сборке таких сложных изделий, каким является ротор газотурбинного двигателя.

Единственной альтернативой в этом случае является экологически чистый эффективный способ индукционного нагрева, обеспечивающий избирательность и высокую скорость нагрева, что, в свою очередь, позволяет существенно уменьшить трудоемкость и сократить время на ремонтно-восстановительные работы.

Богатый опыт применения индукционного нагрева в различных областях промышленности — металлургии, машиностроении, различных специализированных производствах, на транспорте — убедительно показывает, что он является перспективным методом нагрева. По сравнению с другими видами нагрева он обладает рядом преимуществ, которые заключаются не только в возможности создания практически любой заданной 5 неравномерности распределения температуры, но и в обеспечении высокой интенсивности нагрева. 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. В связи с этим возникает проблема разработки и реализации индукционных систем с пространственно распределенными источниками тепла, обеспечивающими требуемое температурное распределение по объему нагреваемого изделия или его части с заданным температурным градиентом.

Для повышения надежности и качества функционирования индукционных нагревательных систем требуется создание автоматизированных систем управления температурными режимами.

В этой связи актуальными задачами являются моделирование электромагнитных и тепловых полей 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.

Решение поставленной проблемы позволит применить результаты научно — исследовательской работы при капитальном ремонте роторов газотурбинных двигателей, применяемых в добыче, транспорте и подземном хранении газа.

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 на базе предложенных в работе математических моделей и методики проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математических моделей процессов индукционного нагрева изделий сложной геометрической формы, проблемно-ориентированной на создание индукционных нагревателей и систем автоматического управления температурными режимами.

2. Разработка специального математического, алгоритмического и программного обеспечения для автоматизированного 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.

Работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (гос. регистрационный № 1 200 208 264) и «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (гос. регистрационный № 1 200 602 849) по заданию Министерства образования РФ.

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.

Достоверность результатов работы оценивалась путем сравнения с результатами численных и физических экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов.

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 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 и монтажа роторов газотурбинных двигателей;

— разработана и реализована на ЭВМ программа расчета термомеханических смещений при локальном индукционном нагреве деталей сложного профиля, обеспечивающая минимальное время нагрева;

— разработан комплекс индукционных устройств для термоупрочнения зубцовой зоны диска 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» 1.

I (г.Иваново 2005) — Третьей Всероссийской научной конференции t х «Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами» (Самара, Сам ГТУ, 2006) — Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль», (г.Тольятти: ТГУ, 2006, 2007гг) — Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XIII Бенардосовские чтения), г. Иваново, ИГЭУ, 2006) — VI международной научно-технической конференции ЕФЕКТИВШСТЬ ТА ЯКИСТЬ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПРОМИСЛОВИХ гаДПРИСМСТВ, 21−23 июня 2008 г., Мариуполь, УкраинаВсероссийской научной конференции «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ», Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г. Новосибирск: 2007, 2008гг и др.

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 текстасодержит 64 рисунка и 12 таблиц, список использованных источников, включающий 92 наименования и 3 приложения.

Выводы.

1. Разработана и реализована в виде опытно-промышленного образца автоматизированная установка термопластического упрочнения дисков турбоагрегата газотурбинного двигателя с электронагревом.

2. По результатам исследований предложены устройства и системы автоматического управления, обеспечивающие программное управление всеми устройствами. Система автоматического управления режимами термоупрочнения, реализованная на базе микропроцессорного программируемого контроллера WAGO-1/O-SYSTEM и станции оператора АСУ IPC-510-SYSI-3, обеспечивает удовлетворительное качество управления в стационарных и переходных режимах и высокое качество процесса термоупрочнения.

Заключение

.

В диссертации дано решение актуальной задачи проектирования конструкций и режимов работы индукционных нагревателей в специализированных технологиях по восстановлению работоспособности и увеличению ресурса турбоагрегатов газотурбинных двигателей, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Актуальность проблемы подтверждается возрастающей ролью электротермических процессов в промышленном производстве, повышением требований к качеству продукции, повышению энергоэффективности. Выполненные исследования позволили получить следующие результаты.

1. Проведённый анализ существующих технологий нагрева деталей роторов газотурбинных двигателей в процессе ремонтно-восстановительных работ показал, что используемые в настоящее время методы нагрева не обеспечивают возросших требований к эффективности и надежности систем, не удовлетворяют требованиям экологии. В то же время существуют более эффективные способы нагрева, которые при определенном подходе к их проектированию позволят обеспечить высокую надежность, экологическую чистоту, оперативность и удобство управления процессом термоупрочнения.

2. Разработана и реализована программно численная конечно-элементная модель электромагнитного поля, проблемно-ориентированная на решение задач поиска пространственно — распределенных источников тепла при индукционном нагреве осесимметричных тел сложного профиля. С ее помощью проведены расчеты и выполнен анализ распределения мощности электромагнитных источников тепла для различных вариантов^ конструкции индукционной системы. Получены диаграммы распределения плотности токов, мощности внутренних источников тепла по объему нагреваемого изделия.

3. Предложено решение тепловой задачи для осесимметричных тел сложного профиля искать численным методом конечных элементов, который дает возможность достаточно точно учитывать все нелинейности путем изменения всех нелинейных величин с каждым шагом по времени, а также задать сложную геометрию нагреваемого изделия.

4. Предложена конечно — элементная модель упругих деформаций, которая позволяет рассчитать величины смещений и термонапряжений в разных точках нагреваемого изделия и минимизировать затраты на нагрев при демонтаже и монтаже ответственных узлов и деталей роторов турбоагрегатов.

5. Выполнен расчет и анализ систем индукционного нагрева диска в процессе термоупрочнения для стандартного ряда частот в диапазоне 50-^8000 Гц. Как следует из приведенных результатов, при локальном индукционном нагреве сегмента диска предпочтительным оказывается выбор более высокой частоты.

6. Наиболее эффективной и простой в реализации конструкцией индукционной системы при нагреве диска в процессе термоупрочнения является цилиндрический индуктор на промышленной частоте, охватывающий весь диск. Однако, применение такой схемы предполагает одновременный нагрев и последующее спрейерное охлаждение всех выступов. Это требует установки специального трансформатора большой мощности, конденсаторной батареи для компенсации реактивной мощности индуктора и сложной конструкции спрейерного устройства высокой производительности, обеспечивающего охлаждение сразу всех выступов. Кроме того, мощная однофазная нагрузка может привести к несимметрии питающей сети.

7. Нагрев части диска (сегмента) на промышленной частоте приводит к снижению мощности индуктора, но значительно усложняет согласование параметров индуктора и сети из-за низких значений напряжений на индукторе (несколько десятков вольт) и больших токов (десятки килоампер). Вторичные цепи получаются громоздкими и требуют принудительного водяного охлаждения.

8. Анализ индукционных систем различных конструкций для локального нагрева сегмента диска показал, что преимущества по массогабаритным показателям, простоте конструкции, согласованию параметров индуктора и источника питания имеет щелевой индуктор без магнитопровода с рабочей частотой 8000 Гц.

9. Произведен сравнительный анализ температурных полей, термонапряжений и смещений при нагреве деталей в процессе демонтажа и монтажа ротора турбоагрегата нагревательными устройствами различного типа — открытым пламенем газовой горелки, нагревом в печи сопротивления, с помощью индукционных нагревателей. Показано, что локальный нагрев открытым пламенем газовой горелки не обеспечивает требуемое смещение по длине выступов, что приводит к необходимости применения съемников при демонтаже ротора. Кроме того, нагрев открытым газовым пламенем загрязняет атмосферу цеха, требует выполнения специальных мер техники безопасности при выполнении монтажных работ и не позволяет автоматизировать процесс нагрева.

10.Анализ нагрева в печи сопротивления показал, что этот способ позволяет обеспечить необходимые смещения для свободной напрессовки диска, причем, напряжения, возникающие в материале диска, не достигают критических значений. Однако, равномерный нагрев всего диска приводит к значительному увеличению времени нагрева и непроизводительным затратам энергии, что значительно увеличивает стоимость ремонтно-восстановительных работ.

11.Показано, что существенное снижение энергозатрат, уменьшение времени нагрева, улучшение массогабаритных показателей нагревательных устройств можно обеспечить за счет применения индукционного способа нагрева.

12.Разработаны методика и алгоритм поиска конструкции и режимов работы индукционных систем для нагрева элементов конструкций в процессе монтажных работ, обеспечивающих наилучшие энерготехнологические характеристики. Исследованы параметры и характеристики различных вариантов конструкций и режимов индукционных нагревателей, использующих различные частоты от 50 Гц до 8000 Гц. Показано, что наилучшие энерготехнологические характеристики достигаются при использовании индукционных нагревателей на частоте 50 Гц, что объясняется большей глубиной проникновения тока по сравнению с нагревом на повышенных частотах.

13.Предложены конструкции индукционных нагревателей для нагрева ступицы диска перед напрессовкой на вал, обеспечивающие создание заданных смещений с минимальными энергозатратами.

14. Разработана и реализована в виде опытно—промышленного образца автоматизированная установка термопластического упрочнения дисков турбоагрегата газотурбинного двигателя с индукционным нагревателем.

15. По результатам исследований предложены устройства и системы автоматического управления, обеспечивающие программное управление всеми устройствами. Система автоматического управления режимами термоупрочнения, реализованная на базе микропроцессорного программируемого контроллера WAGO-1/O-SYSTEM и станции оператора АСУ IPC-510-SYSI—3, обеспечивает удовлетворительное качество управления в стационарных и переходных режимах и высокое качество процесса термоупрочнения.

Результаты проведенных экспериментальных исследований на опытно-промышленной установке подтвердили правильность полученных в работе теоретических положений и выводов.