Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Лепешкин Александр Роальдович. Разработка эффективных режимов скоростного индукционного нагрева изделий с учетом термических напряжений : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.10 / Лепешкин Александр Роальдович; [Место защиты: Моск. энергет. ин-т].- Москва, 2007.- 317 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/770

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ИЗДЕЛИЯХ ПРИ ИНДУКЦИ

ОННОМ НАГРЕВЕ 13

1.1. Термические напряжения в тепловых процессах 13

1.2. Моделирование термических напряжений и нагрузок в дисках и лопатках авиадвигателей при стендовых испытаниях 18

1.3. Процессы индукционного нагрева и термические напряжения. Постановка задач .20

2. КОМПЛЕКС МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ ИНДУКОДОННОГО НАГРЕВА И ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ 30

2.1. Алгоритм и блок-схема расчета параметров индукционного нагрева и термонапряжений в изделиях 30

2.2. Особенности расчета режимов индукционного нагрева, теплового и термонапряженного состояния дисков и лопаток при термоциклических испытаниях 42

2.3. Описание комплекса программ 48

2.4. Проверка адекватности и область применения математических моделей 50

2.5. Выводы по главе .

3. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ СКОРОСТНОГО ИНДУКЦИОННОГО СКВОЗНОГО НАГРЕВА И ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ 54

3.1. Скоростные режимы индукционного нагрева металлических заготовок круглого сечения 54

3.2. Режимы индукционного нагрева с учетом допустимых скоростей нагрева и теплопроводности материалов 65

3.3. Скоростные режимы нагрева ферромагнитных стальных заготовок круглого и квадратного сечений 70

3.4. Скоростные режимы нагрева немагнитных металлических заготовок прямоугольного сечения 78

3.5. Выводы по главе 87

4. РАСЧЕТ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА С УЧЕТОМ ТЕРМИЧЕСКИХ И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ИНДУКЦИОННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКЕ ИЗДЕЛИЙ 89

4.1. Свойства стальных изделий в процессе закалки с учетом фазовых превращений 89

4.2. Индукционная поверхностная закалка и скоростной нагрев 102

4.3. Расчет скоростных режимов индукционной поверхностной

закалки изделий с учетом термических и остаточных напряжений 107

4.4. Выводы по главе... 119

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА И ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСКОВ ТУРБИН АВИАДВИГАТЕЛЕЙ 122

5.1. Моделирование эксплуатационных термомеханических и тепловых нагрузок дисков турбин при испытаниях и испытательное оборудование 122

5.2. Разработка и выбор конструкций индукторов для моделирования скоростных режимов индукционного нагрева и термонапряженного состояния дисков 138

5.3. Моделирование скоростных режимов нагрева и термонапряженного состояния дисков с использованием индукционного нагрева 147

5.4. Режимы работы тиристорных преобразователей частоты и энергетические характеристики систем при термоциклических испытаниях дисков 171

5.5. Выводы по главе 206

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА И ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК АВИАДВИГАТЕЛЕЙ .207

6.1. Воспроизведение эксплуатационных термомеханических и тепловых нагрузок лопаток турбин ГТД при испытаниях .207

6.2. Испытательное оборудование и устройства индукционного нагрева для термоциклических испытаний лопаток 210

6.3. Воспроизведение скоростных режимов нагрева и терм напряженного состояния лопаток с использованием индукционного нагрева при термоциклических испытаниях .222

6.4. Метод моделирования режимов термонагружения изделий для обрыва лопаток 240

6.5. Выводы по главе 264

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 266

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 270

ПРИЛОЖЕНИЯ :...2  

Введение к работе:

Актуальность работы. Применение электротермического оборудования дает возможность интенсифицировать технологические процессы с одновременным улучшением качества продукции и, во многих случаях, снижением материале- и энергоемкости Среди различных видов электронагревь видное место занимает индукционный нагрев (ИН) материалов, который имеет рад преимуществ перед другими видами нагрева

Большой вклад в развитие теории и техники индукционного нагрева внесли (В П Вологдин, А Е Слухоцкий, А В Донской, А С Васильев, В А Бо-дажков, АН Шамов, В С Немков, ЭЯ Рапопорт, КЗ Шепеляковский, И.Н Кидин, А Б Кувалдин, А М Вайнберг, В С Чередниченко, С В Дресвин, В Б Демидович, Л С Зимин и др )

Выдающийся русский физик Н А Умов создал общую теорию термоупр>-гих явлений в 1881 г Экспериментальные методы определения остаточных напряжений в деталях разработаны металлургом Н В Калакуцким в 1887 г и усовершенствованы в 30-х годах Н Н Давиденковым, а в 60-х годах И А Бир-гером и др

Начиная с 20-30-х г до 70-х г прошлого века теория температурных напряжений развита в работах И А Одинга, С П Тимошенко, Н Н Лебедева, Н Ю Тайца, И А Биргера и Б Ф Шорра и за рубежом Б Боли, Дж Уэйнера, Б Гейтвуда, Г Паркуса, С Мэнсона и др В последующие годы появились многие другие работы по расчету термонапряжений, в том числе и с использованием современных программных комплексов

Впервые аналитические расчеты ИН с учетом упругих термонапряжений Г И. Бабат и М Н Родигин провели в 1950 г

В 70-х годах в работах С А Яицкова, Ю И Сосинова, П М Чайкина и др и в 90-х годах в работах Н Д Морозкина рассматривались процессы ИН с учетом упругих термических напряжений в цилиндрических изделиях В работах А С Васильева, В Б Демидовича, В В Царевского также учитывались термонапряжения

В конце 80-х были проведены расчеты процессов ИН и термонапряжений в цилиндрических заготовках с использованием численных методов в работах Р П Хичке и В Андре технического университета Ильменау (Германия) В данных работах не проводились исследования режимов нагрева и не даются какие-либо практические рекомендации по ограничению скорости индукционного нагрева с учетом термонапряжений

В начале 90-х годов в работах ЭЯ Рапопорта рассмотрены вопросы

4 управления индукционным нагревом изделий с учетом упругих термонапряжений При решении указанных задач мощности и длительности стадий нагрева, температуры и термонапряжения в изделиях оценивались приближенно без учета теплового и термонапряженного состояния кромок прямоугольного сечения

В указанных выше работах можно отметить следующее

  1. расчеты параметров электромагнитного поля, полей температур и термонапряжений в изделиях в большинстве задач проводились с использованием аналитических методов, что ограничивало учет свойств материалов (теп-лофизические свойства, модуль упругости, коэффициент термического расширения и др) в зависимости от температуры В частности, в некоторых случаях указанные зависимости не учитывались, расчеты термонапряжений осуществлялись в упругой области,

  2. в выполненных расчетах в качестве ограничений на упругие термонапряжения использовался предел прочности материалов,

  3. расчеты выполнялись для относительно невысоких значений скоростей и удельных мощностей нагрева в технологических процессах,

  4. рассматривался ограниченный круг материалов и сплавов,

  5. недостаточно использовались возможности вычислительной техники и численных методов,

  6. в расчетах термонапряжений в деталях не учитывались сложная форма сечения, углы и т д

В настоящее время для увеличения производительности, которая приводит к повышенным значениям термических напряжений, применяется скоростной индукционный нагрев (СИН)

При применении СИН, в первую очередь, при ускоренном изотермическом нагреве иод обработку давлением или при нагреве под поверхностную закалку, особо важно учитывать термические напряжения, возникающие в изделиях из-за больших температурных перепадов

Совершенствование методик расчета СИН, а также систем управления и конструкций индукторов для специализированных автоматических линий, установок и стендов позволяет повысить производительность установок ИН с использованием больших тепловых потоков, качество продукции, экономию электроэнергии и уменьшить тепловые потери

Для решения указанных задач требуется разработка критериев достижения эффективных режимов СИН изделий с учетом термических напряжений на базе современной вычислительной техники

5 Цель работы. Разработка эффективных режимов скоростного индукционного нагрева изделий с сечениями различной формы с учетом упруго-пластических термических напряжений в них для различных электротехнологических процессов, включая моделирование теплового и термонапряженного состояния дисков и лопаток авиадвигателей с учетом требований и условий эксплуатации, а также конструкций оборудования, систем нагрева и питания

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи

  1. разработка методики определения скоростного индукционного нагрева в несколько стадий с учетом термонапряжений

  2. разработка комплекса математических моделей для расчета скоростных режимов нагрева и охлаждения с учетом термических и остаточных напряжений

  3. теоретическое обобщение основных закономерностей СИН изделий

  4. разработка методики оптимального моделирования многозонного нагрева изделий и дисков авиадвигателей с использованием СИН

  5. разработка методик термоциклических испытаний дисков и лопаток авиадвигателей и термонагружения изделий для обрыва лопаток

  6. разработка конструкций индукторов, индукционных устройств и испытательных систем для СИН изделий

Методы исследования. Исследования скоростных режимов ИН изделий проводились методами математической физики и вычислительной математики Разработанные математические модели базировались на методах конечных элементов и разностей, оптимизации, численного интегрирования и их комбинациях Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанных методик на специальных установках и стендах

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов базируются на корректном использовании известных численных методов и подтверждены хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных

Научная новизна. В диссертационной работе

1 предложена и разработана общая методика расчета СИН в несколько стадий с учетом допустимых термонапряжений (по критерию предела текучести) и перепадов температуры по сечению изделий, реализованная в виде комплекса программ для расчета параметров электромагнитного поля, тепловых и механических величин Даны рекомендации по выбору удельных мощ-

ностей на каждой стадии в зависимости от частоты тока, теплопроводности, размеров изделий

  1. разработаны рекомендации в виде обобщенных данных о допустимых скоростях индукционного сквозного нагрева изделий и перепадах температуры в зависимости от формы и размеров сечения изделия, теплофизических и механических характеристик Даны рекомендации по выбору минимального числа и продолжительности стадий (этапов) СИН

  2. разработана методика комплексного расчета режимов нагрева и охлаждения при скоростной поверхностной закалке с учетом термических и остаточных напряжений Исследовано влияние удельных мощностей СИН и режимов охлаждения на тепловое состояние, термические и остаточные напряжения в деталях

  3. разработана методика оптимального моделирования многозонного нагрева и термонапряженного состояния дисков авиационных іазотурбинньїх двигателей (ГТД) с источниками переменной частоты при стендовых испытаниях с использованием СИН и с учетом эксплуатационных условий термона-гружения

  4. разработаны методики термоциклических испытаний дисков и лопаток ГТД и термонагружения изделий для обрыва лопаток с использованием скоростного индукционного нагрева и индукционные устройства

Практическая ценность работы заключается в следующем

  1. На основе предложенной методики расчета создан пакет программ для расчета параметров нагрева и охлаждения изделий с учетом термонапряжений, о .сличающийся удобством интерфейса ввода и вывода, вводом количества стадий нагрева и охлаждения и исходной информации на каждой стадии

  2. Разработанный пакет программ даег возможность реализовать в инженерной практике методики определения оптимальных скоростных режимов ИН и охлаждения с учетом термонапряжений в изделиях, выявлять обобщенные закономерности СИН С использованием разработанного пакета программ могут быть получены результаты расчета СИН, позволяющие экономить электроэнергию

  3. Разработаны рекомендации по применению пакета программ для расчета режимов СИН заготовок круглого и прямоугольного сечения (под обработку давлением и др) и под поверхностную закалку с учетом ограничений на термические и остаточные напряжения для повышения производительности установок ИН и качества продукции.

  1. Разработаны рекомендации по применению пакета программ для расчета режимов СИН при моделировании теплового и термонапряженного состояния деталей авиадвигателей Разработаны методики СИН изделий с выбором частот тока и скоростей нагрева, методики термоциклических испытаний, оригинальные конструкции индукторов, индукционные устройства и испытательные системы, метод термонагружения изделий с использованием индукционного нагрева для обеспечения обрыва лопаток при специальных испытаниях На основе этих исследований и оптимизации многозонного индукционного нагрева повышена точность воспроизведения термонапряженного состояния деталей при физическом моделировании на стендах и определения ресурса деталей авиадвигателей, сокращены сроки испытаний и расход электроэнергии

  2. Разработанные методики и рекомендации по оборудованию использованы в практике ЦИАМ Результаты экспериментальных исследований и испытаний, полученные с применением разработанных методик на стендах и установках ЦИАМ для испытаний деталей авиационных ГТД, приведены в 15 научно-технических отчетах ЦИАМ, в том числе (2000-2004 г г), а также б 16 патентах РФ на конструкции оборудования

На защиту выносятся следующие основные положения

  1. методики определения скоростного индукционного нагрева в несколько стадий с учетом термонапряжений

  2. комплекс математических моделей для расчета скоростных режимов нагрева и охлаждения с учетом термических и остаточных напряжений

  3. теоретическое обобщение основных закономерностей скоростного индукционного нагрева изделий с учетом ограничений по термическим напряжениям на основе проведенных расчетах и экспериментальных исследованиях

  4. методика оптимального моделирования многозонного нагрева изделий и дисков авиадвигателей с использованием скоростного индукционного нагрева

  5. методики термоциклических испытаний дисков и лопаток авиадвигателей и термонагружения изделий для обрыва лопаток

  6. конструкции индукторов, индукционные устройства и испытательные системы для скоростного индукционного нагрева изделий

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих основных международных конгрессах, конференциях, симпозиумах коллоквиумах, семинарах и совещаниях Международной конференции

8 «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «Исследования в электротехнологии» (Катовице, Польша 2005), Международных коллоквиумах (Иль-менау, Германия, 2002, 2006), IV Среднеевропейской Международной конференции "Компьютерные методы и системы в автоматике и электротехнике" (Ченстохова, Польша, 2001) Международных симпозиумах по индукционному и диэлектрическому нагреву (Падуя, Италия, 2001, 2004, 2007), Всероссийских электротехнических конгрессах - ВЭЛК-99, ВЭЛК-2005 (Москва, 1999, 2005), Международных конференциях «Электромеханика и электротехнологии» (Клязьма, 1998. 2000, Алушта, 2003), Международных конференциях (Тверь, 2001, 2004), Международных конференциях "Энерго и ресурсо-сбережение-ХХЇ век" (Орел, 2001, 2002, 2003. 2006), Международных конференциях "Авиационные технологии - 21 века" (Жуковский, 1995, 1997, 1999, 2001), Научно-технических сессиях по проблемам газовых турбин (Рыбинск, 1993. Санкт-Петербург, 1994, 1996, 1998, Москва, 1995, 1997, Самара, 1999, Пермь, 2000), Международных Конгрессах двигателесіроителей (Крым, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005. 2006), Научно-технических совещаниях по проблемам прочности двигателей (Москва, 1994, Самара, 1996, Москва, 1999 2002), Международных н -т совещаниях по конструкционной прочности двигателей (Самара, 1996, 1999. 2001, 2003), Международной конференции "Ре-сурс-2000'" (Киев, 2000), Международных конференциях «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ, 2000, 2005), II н -т конференция с межд уч "Электротехника, Электромеханика и электротехнологии" - (Новосибирск, НГТУ 2005), Всероссийской конференции "Новые материалы и технологии -HMT-20G4" (Москва, 2004), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы ресурсе- и энергосберегающих электротехнологий» - АПЭЭТ-06 (Екатеринбург, 2006)

Работа докладывалась на кафедре Физики электроматериалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов МЭИ (ТУ) в марте 2005 г в июне 2006 г и апреле 2007 г, на семинаре ЦИАМ "Проблемы конструкционной прочности газотурбинных двигагелей и энергетических установок" в январе 2007 г

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты связаны с выполнением работ в рамках НИР ЦИАМ им П И Баранова, кафедры ФЭМАЭК МЭИ (ТУ), а также в рамках ряда программ Российского авиационно-космического агентства и Министерства науки и промышленности РФ развития гражданской авиации, совершенствования экспе-

риментальных методов и средств испытаний узлов авиационных двигателей, фундаментальных исследований в области теплообмена и прочности и др

Основные теоретические положения и рекомендации работы внедрены в промышленности и использовались в учебном процессе в вузах

при разработке методик скоростною индукционного нагрева изделий с учетом термонапряжений,

при совершенствовании и модернизации уникальных стендов для прочностных испытаний изделий,

при внедрении разработанных методик, оригинальных конструкций индукторов и устройств в технологических процессах и термоциклических испытаниях изделий, дисков, лопаток с повышением производительности электротермических индукционных установок и точности воспроизведения термонапряженного состояния изделий,

в учебном процессе МЭИ (ТУ) при чтении лекций по курсу "Теория электронагрева', курсу "Установки индукционного и диэлектрического нагрева" и при выполнении курсового и дипломного проектирования в МЭИ (ТУ) и "МАТИ"- РГТУ им К Э Циолковского

В 2002 году автор награжден медалью "Лауреат Всероссийского Выставочного Центра" за разработку системы с конструкциями индукторов для нагрева вращающихся деталей

Публикании. По теме диссертации опубликовано более 120 печатных работ, в том числе одна монография, 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК «Электричество», «Электротехника», «Электрометаллургия», «Вестник МЭИ», статьи в журналах «Авиакосмическая техника и технология», «Вест-кик двигателестроения», а также 32 патента на изобретения

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 296 страниц текста, 111 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 238 наименований и приложения на 21 страницах

Подобные работы
Острик Владислав Валерьевич
Разработка рациональных энергетических режимов плавления лома и металлизованных окатышей в дуговых сталеплавильных печах
Дианов Андрей Игоревич
Разработка методик расчета, конструкции и режимов работы индукционно-резистивных нагревательных устройств со стержневыми индукторами
Бузуев Алексей Николаевич
Разработка и исследование системы индукционного нагрева для пайки многослойных изделий
Мышков Валентин Георгиевич
Разработка методов оценки динамических напряжений котла цистерны с учетом влияния жидкости
Семисалов Виталий Вениаминович
Разработка математической модели для исследования динамических режимов работы шагового электропривода с трехфазным инвертором напряжения
Зубкова Мария Михайловна
Исследование и разработка режимов нагрева в скоростных конвективных печах
Каширских Вячеслав Федорович
Совершенствование режимов нагрева стальной полосы в протяжных печах непрерывного отжига на основе разработки и развития расчетных и экспериментательных методов теплотехнического исследования
Чудный Владимир Сергеевич
Оптимизация параметров воздушных линий постоянного тока сверх- и ультравысокого напряжения с учетом требований надежности и экологии
Шонин Владимир Анатольевич
Сопротивление усталости сварных соединений алюминиевых сплавов с учетом влияния остаточных напряжений
Симарчук Анна Сергеевна
Совершенствование метода расчета змеевика печи пиролиза с учетом локальных концентраторов напряжений

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net