1.3. Индукционный нагрев кольцевых изделий

1.3.1. Индукционная система термомеханических и вибрационных испытаний дисков и колес турбоагрегатов

Наряду с широким применением индукционных устройств для нагрева и термообработки они успешно конкурируют с другими типами нагревателей в таких нетрадиционных сферах машиностроительного производства, как прочностные и доводочные испытания новых элементов и узлов конструкций газотурбинных двигателей, обеспечивая значительный экономический эффект за счет сокращения сроков проектирования, испытания и внедрения в серийное производство нового оборудования.

Ответственные элементы конструкции турбоагрегатов в процессе работы подвергаются комплексному воздействию термомеханических и вибрационных нагрузок. Повышение надежности и долговечности отдельных узлов и деталей возможно лишь при наличии совершенных технологий испытаний и специализированного оборудования, позволяющих получить достоверную информацию о разрушающем воздействии возмущений, действующих на объект исследования в реальной производственной ситуации.

Воспроизведение реальных нагрузок и полный комплекс исследований прочностных свойств дисков и колес газотурбинных двигателей позволяют создать специализированные автоматизированные стенды, реализующие заданную программу испытаний в реальном или ускоренном масштабе времени [167, 168, 172, 216, 223, 228, 235].

На стенде проводятся циклические испытания дисков и колес с целью определения их ресурса, лимитируемого накоплением повреждений из-за малоцикловой усталостной прочности. Схема нагрева диска системой кольцевых индукторов приведена на рис.1.5.

Диски, препарированные термопарами и тензодатчиками, устанавливаются на подвижной опоре внутри вакуумной бронекамеры, в которой с помощью вакуумных насосов системы вакуумирования создается необходимое разрежение. Циклическое изменение скорости вращения дисков осуществляется с помощью регулируемого электропривода. Одновременно с этим в процессе разгона диска осуществляется его нагрев с помощью системы индукционного нагрева, а в процессе торможения – струйное охлаждение с помощью подаваемого в камеру воздуха системой воздушного охлаждения. Тем самым осуществляется периодическое наложение и снятие температурных напряжений и напряжений от центробежных сил, что позволяет имитировать процессы, имеющие место при работе диска в реальных условиях. Система управления процессом термомеханических испытаний обеспечивает изменение по заданным программам мощности нагрева, интенсивности охлаждения и скорости вращения диска, пуск, останов и блокировку оборудования стенда, а так же диагностику состояния всех его систем.

Схема нагрева диска

Рисунок 1.5

Применение автоматизированных систем управления процессом испытаний ставит перед исследователями задачу расчета температурных полей в процессе термоциклирования, коррекции программ испытаний, их реализацию в форме управляющих воздействий. Математическое моделирование электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве диска сводится к решению электромагнитной и тепловой задач. Отсутствие ферромагнитных масс в системе позволяет принять ряд обоснованных допущений, сводящих решение сложной взаимосвязанной электротепловой задачи к раздельному последовательному их решению. Температурное поле диска с учетом принятых допущений описывается дифференциальным уравнением в частных производных

; (1.8)

где – функция распределения мощности внутренних теплоисточников, создаваемых распределенной параллельно торцевой поверхности диска системой индукторов. Теплообмен с окружающей средой учитывается введением граничных условий 3 рода.

Основной задачей процесса термоциклических испытаний является формирование заданного температурного поля, определяемого программой испытаний. Для качественного решения динамической задачи управления нагревом целесообразно рассмотреть задачу минимизации отклонения температурного распределения в диске при отработке заданной программы. Формирование заданного температурного поля с помощью нескольких индукторов предполагает автономное управление каждой зоной. При этом неизбежно возникает взаимное влияние зон как за счет электромагнитных полей, так и за счет теплопроводности, что приводит к необходимости разработки эффективных методов синтеза многомерных систем управления для объектов с распределенными параметрами.

Термоциклические испытания дисков турбоагрегатов направлены на определение прочностных характеристик в условиях, приближенных к реальным. При этом ускорение процесса испытаний не должно сопровождаться снижением качества испытаний. С этих позиций синтез многосвязной системы управления нагревом является важной задачей, предопределяющей эффективность испытаний.

Не менее важным фактором перед подготовкой к испытаниям является моделирование температурных полей, позволяющее предотвратить отрицательные последствия путем коррекции программы испытаний. Информация, полученная в ходе моделирования, позволит выбрать оптимальные программы испытаний.

Исходя из этих концепций, в работе решаются задачи моделирования температурных полей диска, синтеза распределенной многосвязной системы автоматического регулирования, разработки способов и средств реализации программ испытаний.