Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1532-1534

ВВЕДЕНИЕ

В промышленности широко используется как индукционный нагрев, так и другие виды электронагрева для обеспечения заданных температурных режимов деталей, изделий и заготовок в различных технологических процессах. Применение индукционного нагрева для обеспечения тепловых режимов дисков турбин газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ) в процессе их испытаний рассмотрено в работах [1–5]. Установки индукционного нагрева отличаются высокой стоимостью и требуют дополнительного оборудования по их электроснабжению. В связи с этим, актуальна разработка новых методов нагрева, которые снижают материальные затраты и позволяют экономить электроэнергию.

В работе [6] были проведены расчетно-экспериментальные исследования неравномерного распределения температуры диска и распределения температуры, близкого к равномерному, в ободной части диска турбины с использованием индукционного нагрева, который обеспечивался устройством с использованием трехвиткового индуктора. Недостатком указанных исследований являлось использование малой скорости вращения диска, равной 18 об/мин.

Использовать постоянные магниты (ПМ) в устройствах нагрева актуально, т.к. они позволяют экономить электроэнергию. С точки зрения физики нагрева ПМ так же, как и индукторы, создают вихревые токи во вращающихся деталях, поэтому устройства с ПМ можно считать разновидностью индукционного нагрева.

В работе [7] проведен эксперимент по нагреву обода диска турбины с использованием одного постоянного магнита. Однако использование одного магнита с малой индукцией 0.1 Тл привело к малому нагреву диска в эксперименте. Максимальная температура составила лишь 70°С. Следует отметить, что такой низкотемпературный нагрев диска не соответствует рабочим температурам эксплуатации двигателя.

В работе [8] проведены экспериментальные исследования нагрева вращающихся дисков в электромагнитном поле, созданном с использованием постоянных магнитов. Однако в результате проведенных экспериментов были получены стационарные распределения температур во вращающемся диске. При проведении специальных неизотермических циклических испытаний дисков и деталей ГТД и ГТУ в машиностроении необходимо задавать скорости нагрева и временные параметры испытательных термо-циклов в различных программах исследований [1]. Свойства постоянных магнитов Nd–Fe–B рассмотрены в [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью данной работы являлась разработка методики моделирования и исследование нестационарного нагрева диска, вращающегося в электромагнитном поле, при разных скоростях вращения на ускорительном стенде, с помощью устройства, в котором используются постоянные магниты.

В указанной цели новизна работы состоит в моделировании и исследовании нестационарного нагрева диска, исследовании влияния зазора между поверхностью диска и постоянными магнитами на тепловое состояние диска и в применении бесконтактного метода измерений температуры диска.

На рис. 1 показан диск, установленный в вакуумной установке ускорительного стенда. Передаточное число ускорителя (зубчатой передачи) составляет 10. С помощью ускорителя скорость вращения стендового электродвигателя преобразуется от номинальной 3000 об./мин до максимальной.

Рис. 1.

Диск в вакуумной установке стенда.

Перед проведением исследований на специальный крепежный алюминиевый диск, имеющий стальные подставки, были установлены 8 сильных постоянных магнитов c размерами 60 × × 30 × 15 мм из сплава Sm–Co. Алюминиевый диск обеспечивал также отвод тепла от постоянных магнитов, что очень важно с точки зрения потери магнитных свойств при повышении температуры. Средний зазор между поверхностью диска и поверхностью сильных постоянных магнитов обеспечивался при монтаже и составил 5 мм. Термопары были установлены на радиусах диска, равных 125, 100 и 50 мм. Провода термопар подключались через токосъемное устройство к измерительной аппаратуре, использующей приборы ТРМ-201.

Экспериментальные исследования нестационарного нагрева диска проводились до максимальной скорости вращения (кривая 1, рис. 2). Из анализа экспериментальных результатов следует, что скорость нагрева составляет от 2.0 до 2.5°С/с до достижения температуры 440°С (кривая 3, рис. 2) и 3.0–3.5°С/с до температуры 650°С (кривая 5, рис. 2). Исследование влияния зазора между поверхностью диска и магнитами на скорости 15 000 об./мин показало (кривая 4, рис. 2), что при увеличении зазора с 5 до 10 мм максимальная температура диска снижалась на 150°С. Этот фактор влияния можно использовать как дополнительный способ регулирования температуры вращающихся дисков с использованием постоянных магнитов.

Рис. 2.

Нестационарный нагрев: 1 – скорость диска (об./мин), 2 – кривая температуры в зависимости от времени (R = = 100 мм), 3 – кривая температуры в зависимости от времени (R = 50 мм), 4 – кривая температуры в зависимости от времени (R = 100 мм) при зазоре 10 мм, 5 – кривая температуры в зависимости от времени (R = 125 мм).

Следует отметить, что по сравнению с индукционным нагревом разработанная методика моделирования нагрева дисков позволяет в среднем в два раза повысить КПД нагрева до величины, соответствующей КПД электропривода, обеспечивающего подвод механической энергии для вращения диска, и в целом повысить эффективность нагрева вращающихся дисков.

Рис. 3.

Диаграмма теплового состояния диска.

Проводились также исследования для модельного диска с использованием небольших сильных постоянных магнитов из сплава Nd–Fe–B c размерами 25 × 20 × 5 мм, расположенных в ободной части диска, на специальной установке на разных скоростях вращения в диапазоне от 3000 до 12 000 об./мин. Такие исследования проведены с использованием бесконтактного средства измерения температуры – термографа FLIR. На рис. 3 приведена диаграмма распределения температуры, полученная с помощью не скоростного термографа, для вращающегося модельного диска на скорости 12 000 об./мин в электромагнитном поле, созданном с использованием постоянных магнитов. При этом максимальная температура в ободной части составила около 100°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная методика нестационарного нагрева диска, вращающегося в электромагнитном поле, позволяет повысить КПД и эффективность нагрева вращающихся дисков. Получены скорости нагрева вращающегося диска при нестационарном нагреве и результаты влияния зазора между диском и магнитами на тепловое состояние диска. Предложен бесконтактный метод измерений вращающихся дисков с использованием термографа. Данную методику моделирования целесообразно применять для нагрева небольших дисков и деталей в промышленности.