Система индукционного нагрева для термообработки елочного паза дисков турбоагрегатов

УДК 621.365

А. Л. Головачев, А.И. Данилушкин, Е.А. Мишанин СИСТЕМА ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ЕЛОЧНОГО ПАЗА ДИСКОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ

Рассматриваются вопросы создания автоматизированной установки для термопластического упрочнения рабочих поверхностей дисков газовых турбин. Предлагается конструкция установки с индукционными нагревателями. Анализируются различные варианты конструкций индукторов, их возможности по реализации

технологических требований процесса упрочнения.

A.L. Golovachev, A.I. Danilushkin, E.A. Mishanin

THE INDUCTION HEATING SYSTEM OF THE TURBOSET DISC HERRING-BONE GROOVE THERMAL TREATMENT

Questions of creation of the automated installation for thermoplastic hardening of working surfaces of the discs of gas turbines are examined. The design of installation with induction heaters is offered. Various variants of inductors design and opportunities of the technology requirements realization of the strengthening process are analyzed.

Среди многообразия проблем, связанных с продлением срока службы газотурбинных двигателей, одной из основных является повышение надежности и эффективности функционирования наиболее нагруженных элементов конструкции.

К наиболее ответственным элементам газотурбинных двигателей, испытывающим в процессе работы циклически изменяющиеся нагрузки, относятся диски и колеса турбин и компрессоров, поэтому вопросы повышения их надежности и долговечности представляют значительный интерес. На предприятиях добычи, хранения и транспортировки газа, где эксплуатируется большое количество газоперекачивающих агрегатов, возникает необходимость в капитальном ремонте газотурбинных двигателей, причем большая часть повреждений связана с возникновением и развитием усталостных трещин наиболее нагруженных деталей - лопаток и дисков турбин. Важной задачей при решении вопросов реконструкции и модернизации газотурбинных агрегатов нефтегазодобывающего комплекса является восстановление работоспособности дисков, проработавших свой ресурс. Замена выработавшего свой ресурс диска на новый является дорогостоящей операцией. В этой связи существенный интерес представляет проблема создания такой ремонтной технологии, которая позволяет существенно продлить срок службы диска. Для повышения надежности и долговечности отдельных узлов и деталей, работающих в условиях знакопеременных термических и вибрационных нагрузок, широкое применение нашел метод термопластического упрочнения (ТПУ) [1].

Для восстановления дисков методом термопластического упрочнения используется специальная технология, включающая заделку образовавшихся в процессе эксплуатации

трещин с помощью сварки, слесарную доработку поверхности, нагрев до определенной температуры с заданной точностью (650±20)°С и последующее интенсивное (спрейерное) охлаждение. Интенсивное охлаждение нагретого до определенной температуры поверхностного слоя изделия создает значительный перепад температур, который приводит к возникновению температурных напряжений, превышающих по величине предел текучести упрочняемого металла. В результате после полного охлаждения в поверхностном слое детали формируются остаточные сжимающие напряжения.

Для нагрева упрочняемых поверхностей деталей принципиально можно использовать различные устройства, использующие энергию газа (нагрев в газовой печи) или нагрев открытым газовым пламенем, электроэнергию (нагрев в печи сопротивления и индукционный нагрев).

Нагрев дисков в газовой печи имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих ее применение для данной технологии.

Нагрев диска в печи сопротивления не создает вредных выбросов в атмосферу, позволяет полностью автоматизировать процесс, но в то же время обладает рядом недостатков, что и нагрев в газовой печи. Время выхода печи на рабочий режим сопоставимо с временем нагрева диска, что приводит к большим потерям электроэнергии при разогреве печи до рабочей температуры и снижению коэффициента полезного действия. Печь сопротивления, как и газовая печь, имеет большие габариты. При обработке дисков в газовой печи или печи сопротивления необходимо снять диск с вала ротора турбины, что приводит к дополнительным затратам на демонтаж диска и последующий монтаж после упрочнения.

В настоящей работе предлагается установка для термопластического упрочнения диска, которая позволяет с высокой эффективностью осуществить технологический процесс упрочнения диска без его демонтажа. Для нагрева диска или его части в предлагаемой установке используется индукционный нагреватель, который обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с другими видами нагревателей. К ним относятся: возможность концентрации большого количества энергии в ограниченном объеме, высокая интенсивность нагрева, обеспечение заданного градиента температур, простота и плавность регулирования, компактность, экологическая чистота и удобство обслуживания. Применение их может дать существенные технологические преимущества: более высокую точность стабилизации температуры, высокую степень автоматизации и удобство регулирования, более высокую надежность и долговечность. Однако на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем. К их числу относится необходимость создания индивидуальной конструкции нагревательного устройства применительно к каждому объекту нагрева, а также проблема разработки математических моделей и реализации на их основе автоматизированных систем, обеспечивающих требуемое температурное распределение с заданным температурным градиентом.

На рис. 1 представлена схема установки с индукционным нагревателем для термопластического упрочнения диска. Ротор турбоагрегата устанавливается на роликах, обеспечивающих непрерывное вращение или пошаговый поворот ротора с упрочняемым диском. Нагрев периферийной части диска с выступами осуществляется вихревыми токами, создаваемыми электромагнитным полем индуктора при непрерывном или дискретном вращении диска с помощью электропривода ЭП. Питание индуктора осуществляется от регулируемого источника питания ТПЧ. Управление нагревом, охлаждением и вращением диска, а также контроль за технологическим процессом производятся с помощью системы управления, на вход которой поступают сигналы от датчика температуры ДТ, датчиков давления воды и воздуха ДД 1, ДД 2 в магистрали, датчика положения ротора Дф, а также электрических параметров нагрева - напряжения, тока и коэффициента мощности. Для охлаждения диска используется спрейерное устройство Сп, в которое охлаждающая жидкость поступает из бака с водой, а воздух - из

поршневого компрессора ПК. Подача включается автоматически с помощью управляемых вентилей В 1 и В 2. Компрессор приводится в движение электродвигателем М 2, питающимся от шкафа управления компрессора ШУПК.

Рис. 1. Установка для термопластического упрочнения диска

В работе проводится анализ различных конструктивных решений систем индукционного нагрева диска или его части для термопластического упрочнения.

1. Нагрев части диска (сектора) в линейном индукторе с магнитопроводом (рис. 2). Индуктирующий провод располагается в пазу П-образного магнитопровода, который охватывает периферийную часть диска с выступами.

2. Нагрев части диска (сектора) в щелевом индукторе (рис. 3). Индуктирующий провод охватывает периферийную часть диска с торцов. Нагреваемый сектор диска располагается в зазоре между прямым и обратным индуктирующими проводами.

3. Нагрев диска в цилиндрическом индукторе (индуктор охватывает весь диск, нагрев одновременный) (рис. 4).

Рис. 4

Использование той или иной конструкции индуктора зависит от ряда критериев. Линейный и щелевой индукторы могут быть использованы для нагрева части (сектора) диска в двух режимах нагрева:

1. При периодическом нагреве сектора диска и последующем его одновременном охлаждении. Устройство охлаждения должно быть рассчитано на одновременную обработку всех выступов, находящихся в индукторе. Количество одновременно нагреваемых выступов определяется возможностями системы охлаждения и условиями согласования параметров индуктора и источника питания.

2. При методическом нагреве с дискретным поворотом диска на один или несколько выступов и последующем охлаждении. При методическом нагреве диск поворачивается на определенный угол, соответствующий выходу из индуктора нагретых выступов. Темп выхода нагретых до определенной температуры выступов из индуктора определяется уровнем мощности индуктора и требованиями к равномерности нагрева. При выходе выступов из индуктора они охлаждаются с помощью спрейерного устройства.

Разработана конечно-элементная методика электромагнитного и теплового расчётов, реализованная программно. Реализуемая задача решалась в программном пакете Femlab 3.0.

Исследуемый процесс индукционного нагрева диска описывается нелинейной взаимосвязанной системой уравнений Максвелла [2] и Фурье соответственно для электромагнитного и теплового полей с соответствующими краевыми условиями:

rot{H}={J}+ = J}+{J,} ;

rot{É}= “j^J  div{s}= 0 ;

dT

Ci

dt

Здесь {H}, {B}, {D} - векторы напряженности магнитного поля, магнитной и электрической индукции; {J,} - вектор плотности приложенного тока; {Je} - вектор плотности индуцированного тока; р - плотность электрических зарядов; t - время; c1, у1 -удельные значения теплоемкости и плотности материала изделия; T1(r,x,t) -температурное поле диска. Объемная плотность внутренних источников тепла, индуцируемых в тепловыделяющем цилиндре, определяется дивергенцией вектора Пойнтинга ^div [E H] [2].

Анализ полученных авторами результатов показал, что уровни мощности индукторов в первом и втором вариантах отличаются незначительно. В первом варианте более высокие КПД и коэффициент мощности, однако этот вариант предполагает использование магнитопровода нестандартной конструкции, что ведет к существенному усложнению при изготовлении, увеличению габаритов и веса индукционной системы и, следовательно, к увеличению стоимости. Второй вариант - щелевой индуктор без магнитопровода - имеет более простую и дешевую конструкцию, но имеет более низкие энергетические характеристики.

Цилиндрический индуктор обеспечивает одновременный и быстрый нагрев всех выступов с незначительным нагревом полотна диска, имеет наилучшие энергетические показатели, но требует установки трансформатора большой мощности. Использование этого варианта целесообразно лишь при массовом производстве, когда приоритетным является требование высокой производительности. Кроме того, при интенсивном нагреве периферии диска возможно возникновение термонапряжений, превышающих допустимые значения, что может привести к деформации диска и образованию микротрещин.

Существенным фактором, влияющим на окончательный выбор той или иной конструкции индуктора и схемы питания, является рабочая частота. Габариты источника питания и индуктора, их масса и стоимость в значительной степени зависят от частоты, причем с ростом частоты габариты и масса индуктора и источника питания уменьшаются.

Анализ различных вариантов систем индукционного нагрева показывает, что преимущество по простоте конструкции, согласованию параметров индуктора и источника питания имеет щелевой индуктор без магнитопровода с рабочей частотой 8000 Гц.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кравченко Б. А. Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей и машин / Б.А. Кравченко, В.Г. Круцило, Г.Н. Гутман. Самара: СамГТУ, 2000. 216 с.

2. Лыков А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. М., 1967. 592 с.

3. Немков В.С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева / В.С. Немков,

В.Б. Демидович. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.

Головачев Александр Леонидович -

аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

Самарского государственного технического университета

Данилушкин Александр Иванович -

доктор технических наук,

профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

Самарского государственного технического университета

Мишанин Евгений Александрович -

студент Самарского государственного технического университета