Разработка энергоэффективной индукционной системы для ремонтно-восстановительных технологий дисков газотурбинных двигателей

Abstract

Актуальность работы обусловлена экономической необходимостью повышения надежности и ресурса работы деталей и узлов газотурбинных двигателей, широко применяемых в качестве привода газоперекачивающих агрегатов в нефтегазовой отрасли. Диски и колеса турбин и компрессоров относятся к наиболее ответственным элементам газотурбинных двигателей, испытывающим в процессе работы критические нагрузки. Существенное влияние на выносливость этих деталей оказывает качество поверхностного слоя. Для увеличения ресурса работы деталей используются различные методы поверхностного упрочнения. Одним из методов повышения качества поверхностного слоя является термопластическое упрочнение, включающее две стадии: нагрев до заданной температуры и последующее спрейерное охлаждение. Данное исследование посвящено решению задачи применения эффективного экологически чистого способа локального нагрева обрабатываемых поверхностей диска в процессе термопластического упрочнения. Цель работы: создание математических моделей электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве изделий сложной геометрической формы с учетом нелинейной зависимости электро и теплофизических характеристик нагреваемого металла изделия от температуры для расчета конструктивных параметров системы индукционного нагрева, а также режимных параметров - мощности и времени нагрева. Методы. Для решения взаимосвязанной электротепловой задачи использовались методы теории электромагнитного поля и теплопроводности, методы математического моделирования. Численное моделирование проводилось с помощью метода конечных элементов в современных инженерных пакетах. Результаты. Разработан комплекс электромагнитных и тепловых моделей процесса индукционного нагрева изделий сложной формы, ориентированный на решение задач проектирования и автоматического управления специализированными нагревательными установками для ремонтных технологий роторов газотурбинных двигателей; предложен алгоритм определения конструктивных и режимных параметров индукционной системы, включающий последовательный расчет электромагнитных и тепловых полей с учетом их взаимного влияния и наличия ограничений на предельно допустимые температуры.

The relevance of the discussed issue is caused by the economic need to improve the reliability and service life of parts and components of gas turbine engines widely used as a drive for gas pumping units in the oil and gas industry. Disks and wheels of turbines and compressors belong to the most critical elements of gas turbine engines, which experience critical loads during operation. The quality of the surface layer has a significant effect on the endurance of these parts. To increase the service life of parts, various methods of surface hardening are used. One of the methods for improving the quality of the surface layer is thermoplastic hardening, which involves two steps: heating to a predetermined temperature and subsequent spray cooling. This research is devoted to the solution of the problem of applying an efficient, environmentally friendly method of local heating of the machined surfaces of a disk during thermoplastic hardening. The main aim of the study is to develop the mathematical models of electromagnetic and thermal processes for induction heating of products of complex geometric shape, taking into account the nonlinear dependence of the electro- and thermophysical characteristics of the heated metal of the article on temperature for calculating the structural and regime parameters of the induction heating system. Methods. To solve the interconnected electrothermal problem the authors have used the methods of the theory of electromagnetic field and thermal conductivity, methods of mathematical modeling. Numerical simulation was carried out using the finite element method in modern engineering packages. Results. The authors developed the complex of electromagnetic and thermal models of induction heating of products with complex shape, designed to solve the problems of design and automatic control of specialized heating installations for repair technologies of rotors of gas turbine engines; proposed the algorithm for determining the design and regime parameters of an induction system, including a sequential calculation of electromagnetic and thermal fields, taking into account their mutual influence and the presence of restrictions on the maximum permissible temperatures.