CC BY
46
УДК 539.4-621.365.5
А.Р. Лепешкин
Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова
НОВЫЙ МЕТОД НАГРЕВА ВРАЩАЮЩИХСЯ ДИСКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
Приведен обзор методов нагрева вращающихся дисков. Отмечена актуальность разработки энергосберегающих методов нагрева вращающихся дисков. Предложен новый метод нагрева вращающихся дисков с использованием постоянных магнитов. Представлены некоторые характеристики постоянных магнитов из редкоземельных сплавов, в частности, из самарий-кобальтовы/х сплавов. Приведены результаты исследований теплового состояния модельного диска, вращающегося в магнитном поле, созданном постоянными магнитами, на разгонном стенде. Приведены рекомендации по применению постоянных магнитов с улучшенными характеристиками для нагрева малоразмерны/х вращающихся дисков.
Ключевые слова: нагрев, вращающийся диск, тепловая энергия, температура, постоянные магниты, магнитное поле.
Введение
Применяются различные методы нагрева: индукционный, аэродинамический, газодинамический, радиационный для реализация тепловых процессов в телах вращения для проведения разгонных и термоциклических испытаний дисков и деталей авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и турбин энергетических установок на разгонных и специализированных стендах [ 1 -8]. Индукционный нагрев позволяет обеспечить высокие скорости нагрева и получить заданное неравномерное распределение температур по радиусу диска, соответствующего эксплуатационным условиям при испытаниях на разгонных стендах [2-8]. Обычная система индукционного нагрева состоит из нескольких плоских кольцевых индукторов, расположенных на разных радиусах диска. Ее недостатком является: невозможность получения дополнительной тепловой энергии за счет вращения, т.к. индукторы осесимметричные. Натурные эксперименты и разгонные испытания с индукционным нагревом вращающихся дисков на установках и стендах связаны с существенными материальными затратами.
В настоящее время актуальна разработка и применение энергосберегающих методов нагрева. К одному из таких новых методов нагрева относится нагрев деталей с использованием постоянных магнитов с улучшенными характеристиками.
При вращении детали в поле магнита в ней наводится ЭДС и, таким образом, появляется тепловая энергия (мощность внутренних источников тепла при определенных условиях в зависимости от формы магнита). Однако, ранее нагрев вращающихся дисков с помощью постоянных магнитов, в том числе, и на разгонных стен© А.Р. Лепешкин, 2011
дах не рассматривался и не оценивался. Также не исследованы вопросы комбинированного нагрева вращающихся дисков с применением постоянных магнитов.
Разработка методики нагрева - получения тепловой энергии в дисках за счет вращения (выделения мощности внутренних источников тепла) в магнитном поле, созданном постоянными магнитами является актуальной задачей. При термоциклических испытаниях максимальная частота вращения дисков может составлять 20000 - 70000 об/мин.
Результаты исследований
Технология изготовления современных постоянных магнитов совершенствуется и достигла определенного прогресса и в настоящее время для нагрева вращающихся малоразмерных дисков можно применить постоянные магниты из редкоземельных сплавов — неодим-железо-бор и самарий-кобальтовых сплавов, производство которых началось сравнительно недавно. Они намного сильнее обычных ферритовых магнитов и магнитов из других магнитных материалов. Это позволило использовать их в промышленности, в частности, они нашли широкое применение в электродвигателях и генераторах для получения электрической или механической энергии.
Исследования теплового состояния дисков, вращающихся в постоянном магнитном поле на начальном этапе целесообразно проводить с использованием магнитов из самарий-кобальтовых сплавов, т.к. они имеют не только значительную магнитную индукцию, но и работают при повышенных температурах до 250-330 °С. Однако, следует учитывать, что они обладают хрупкостью.
ЮБЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 59 -
ЭДС наводится при вращении диска в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. В результате чего возникают индуцированные токи. На небольшой частоте вращения указанная ЭДС мала. При увеличении частоты вращения увеличивается скорость изменения (пульсации) магнитного потока в диске и наведенная ЭДС становится значимой в диапазоне больших частот вращения. В результате мощность внутренних источников тепла увеличивается и повышается интенсивность нагрева вращающегося диска.
В данной работе впервые рассмотрен нагрев дисков, вращающихся в постоянном магнитном поле, с учетом выделения мощности внутренних источников тепла на невысоких частотах вращения.
Исследование теплового состояния модельного диска (из нержавеющей стали), вращающегося в поле постоянных магнитов, проводилось на разгонном стенде. Диск был препарирован термопарами на трех радиусах. Диск и узел крепления с магнитами, установленные в вакуумной разгонной камере, показаны на рис. 1.
В указанных экспериментах использовались магниты с 0,1 Тл, т.е., имеющие магнитную индукцию в десять раз меньше.
Рис. 1. Диск и узел крепления с постоянными магнитами в разгонной камере стенда
Между диском и магнитами установлен зазор 5 мм. Измерения температур диска осуществлялись через ртутный токосъемник с помощью компьютерной системы. На рис. 2 представлено тепловое состояние диска на разных радиусах в зависимости от частоты вращения в процессе эксперимента. На радиусе 95 мм наблюдалась максимальная температура, т.к. средняя линия наибольшего установленного магнита совпадала с указанным радиусом.
В данных экспериментах тепловое состояние модельного диска исследовалось на частотах вращения до 22000 об/мин. На более высоких частотах вращения следует ожидать нагрев дисков до более высокой температуры. Кроме того, в дальнейших исследованиях по нагреву малоразмерных дисков планируется использовать постоянные магниты с магнитной индукцией более 1 Тл.
Рис. 2. Температуры диска на разных радиусах: 1 — 95 мм, 2 - 75 мм, 3- 55 мм; 4 - температура воздуха в камере, 5 - частота вращения
Заключение
Предложен новый метод нагрева вращающихся дисков с использованием постоянных магнитов.
Приведены результаты исследований нагрева модельного диска, вращающегося в магнитном поле, созданном постоянными магнитами, на разгонном стенде.
Приведены рекомендации по применению постоянных магнитов с улучшенными характеристиками для проведения дальнейших исследований по нагреву малоразмерных вращающихся дисков на повышенных частотах вращения.
Перечень ссылок
1. Пат. 2235982 Российская Федерация, МПК Н02К 11/00. Способ термоциклических и разгонных испытаний дисков турбомашин / А.Р. Лепешкин, В.А. Скибин ; заявитель и патентообладатель ЦИАМ - № 2002132094/06 ; заявл. 29.11.2002 ; опубл. 20.05.2004, Бюл. 25.
2. Лепешкин А.Р., Кувалдин А.Б. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях: Монография / А.Р. Лепешкин, А.Б. Кувалдин - Новосибирск: Изд.-во НГТУ, -2006. - 286 с.
3. Лепешкин А.Р. Циклические испытания дисков ГТД на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева / А.Р. Лепешкин / / Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научных трудов. Тепловые двигатели и энергоустановки. Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т «ХАИ», - 2000. - Вып.19. - С. 456-460.
4. Лепешкин А.Р. Моделирование нестационарного теплового и термонапряженного состояния дисков и рабочих колес ГТД на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева при неизотермических циклических испыта-
ниях / А.Р. Лепешкин // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научных трудов. -Харьков: Национальный аэрокосмический ун-т «ХАИ», -2001. — Вып.23. Двигатели и энергоустановки. - С. 144-146.
5. Лепешкин АР. Индукторы для нагрева дисков ГТД при испытаниях на разгонных стендах / А.Р. Лепешкин // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научных трудов. - Харьков: Национальный аэрокосмический ун-т «ХАИ», - 2002. - Вып. 334. Двигатели и энергоустановки. - С. 163-165.
6. Лепешкин А.Р. Формирование испытательных циклов дисков ГТД при термоциклических испытаниях на разгонном стенде с использованием индукционного нагрева / А.Р. Лепешкин,
С.А. Лепешкин // Вестник двигателестроения. -2006. - № 3. - С. 121-125.
7. Лепешкин АР., Лепешкин С.А. Многокритериальная оптимизация индукционного нагрева дисков ГТД при испытаниях на разгонном стенде / А.Р Лепешкин., С.А. Лепешкин // Авиационно-космическая техника и технология. Харьков: Национальный аэрокосмический ун-т «ХАИ». -2007. - Вып. 8/44. - С. 156-164.
8. Кувалдин АБ., Лепешкин А.Р., Лепешкин СА Метод испытаний дисков турбомашин и бандажей роторов турбогенераторов с использованием индукционного нагрева/ А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин, С.А. Лепешкин // Электричество. - 2009. - № 7. - С. 33-38.
Поступила в редакцию 01.06.2011
А.Р. Лепьошкш. Новий метод Harpiey дисюв, що обертаються з використанням по-тшних магнтв
Наведено огляд методов nazpiey ducKie, що обертаються. В1дм1чено актуальность роз-робки енергозбергаючих методiв нaгpiвy ducKie, що обертаються. Запропоновано новий метод нaгpiвy дикв, що обертаються з використанням постшних магнтв. Представлено деяш характеристики постшних магнМв з piдкоземельнuх cплaвiв, зокрема, з самарш-кобальтових cплaвiв. Наведено результати долджень теплового стану модельного диска, що обертаеться в магнтному полi, створеному постшними магнтами, на розгшному cтендi. Наведет рекомендацИ до використання постшних магнМв з покращеними характеристиками для нaгpiвy мaлоpозмipнuх дис^в, що обертаються.
Ключов1 слова: нaгpiв, диск, що обертаеться, теплова енеpгiя, температура, постшш магтти, магнтне поле.
A.R. Lepeshkin. New Hearing method of rotating dicks with use of constant magnets
The review of heating methods of rotating disks is resulted. The actuality of development of power saving up methods of heating of rotating disks is noted. The new heating method of rotating disks with use of constant magnets is offered. The some characteristics of constant magnets from seldom ground alloys, in particular, from samarium-cobalt alloys are presented. The results of investigations of a thermal state of the modelling disk rotating in a magnetic field created by constant magnets on spin rig are presented. The recommendations on application of constant magnets with the improved characteristics for heating of a small rotating disks are resulted.
Keywords: heating, rotating disk,, thermal energy, temperature, constant magnets, magnetic field.
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 61 -
