Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технических основ создания энергетического комплекса для реализации экологически чистых технологий электронно-лучевой сварки изделий энергомашиностроения.

Номер контракта: 14.577.21.0148

Руководитель: Драгунов Виктор Карпович

Должность руководителя: заведующий кафедрой

Докладчик: Гончаров Алексей Леонидович, доцент

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
электронно-лучевая сварка, электронная пушка, высоковольтный источник питания, инвертор, высоковольтный пробой, диагностика электронного пучка, технология электронно-лучевой сварки, сварное соединение, макроструктура, эффективный диаметр электронного пучка, плотность мощности, угол сходимости электронного пучка, технологический процесс, энергетическое машиностроение.

Цель проекта:
Для успешного преодоления ограничений в развитии технологий обработки и изготовления изделий машиностроения и перехода к созданию новых конкурентоспособных видов продукции необходимо создать основу для разработки технологических энергоблоков для реализации процессов электронно- лучевой сварки. Например, в энергетическом машиностроении с использованием лучевых методов сварки могут быть разработаны новые технологии изготовления конкурентоспособных образцов новой техники различного назначения, таких как роторы турбин, парогенераторы, сосуды высокого давления, роторы электрических машин, корпусы реакторов, элементы трубопроводной арматуры. Цель проекта - получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию на отечественной производственной базе технологий и оборудования мирового уровня для электронно-лучевой сварки конструкционных металлических материалов.

Основные планируемые результаты проекта:
Методика определения технологических параметров электронных пучков в сварочных электронных пушках с термоэмиссионным катодом предназначена для исследования характеристик электронных пучков на технологических электронно-лучевых комплексах с целью установления особенностей работы электронной пушки и определения показателей качества электронного пучка, как инструмента для обработки материала.
Определяемые технологические параметры, диапазон измерения, единицы измерения:
- дистанция фокусировки пучка от края корпуса электронной пушки, от 5 до 300, мм;
- угол сходимости пучка в области наименьшего сечения, от 1 до 100, мрад;
- эффективный диаметр электронного пучка в сечении, от 0,2 до 30, мм;
- средняя и максимальная плотность мощности в сечении, от 400 до 108 Вт/см2;
- относительная погрешность определения дистанции фокусировки, угла сходимости эффективного диаметра должна составлять не более 10%;
- относительная погрешность определения плотности мощности - не более 20%.

Экспериментальный образец высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом предназначен для проверки возможности создания перспективного энергетического блока для электронно-лучевой сварки инверторного типа, обладающего рядом конкурентных преимуществ и созданного на отечественной производственной базе.
Экспериментальный образец высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом включает в себя:
- силовой высоковольтный блок, обеспечивающий повышение напряжения питающей сети до значений выходного напряжения, а также плавную регулировку выходного тока в заданном диапазоне;
- источник накала вспомогательного катода электронной пушки;
- источник напряжения бомбардировки основного катода электронной пушки;
- источник управляющего напряжения, предназначенный для регулирования потенциала управляющего электрода пушки и величины тока электронного пучка;
- источник питания магнитной фокусирующей системы электронной пушки.
Экспериментальный образец высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом обеспечивает подачу электропитания по высоковольтному кабелю к функциональным элементам сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом для генерации электронного пучка в стационарном режиме при осуществлении технологического процесса сварки, а также восстановление заданного режима работы при возникновении переходных процессов, связанных, например, с развитием электрического пробоя между электродами пушки.
Технические характеристики:
- выходное напряжение: 60±0,1 кВ;
- максимальный выходной ток: не менее 650±1 мА
- диапазон регулировки выходного тока: от 0,5±0,1 мА до максимального выходного тока;
- номинальная выходная мощность источника: не менее 40±0,5 кВт;
- напряжение и тип питающей сети: 380 В, переменное, трехфазная;
- режим работы на номинальной мощности: повторно кратковременный;
- продолжительность нагрузки при длительности цикла 10 мин, не менее 50±1%.

Макет сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом предназначен для проверки возможности создания технологической электронной пушки мощностью до 40 кВт, обладающей рядом конкурентных преимуществ и созданной на отечественной производственной базе.
Макет сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом выполнен в виде устройства в едином корпусе и обеспечивает генерацию сфокусированного пучка электронов на поверхности обрабатываемого изделия, размещенного в вакуумной камере.
В состав макета сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом входит:
- корпус, обеспечивающий размещение и фиксацию отдельных функциональных блоков;
- блок высоковольтного изолятора, обеспечивающий изоляцию частей, работающих при высоком напряжении от потенциала корпуса;
- блок электростатической линзы, обеспечивающий генерацию и фокусировку пучка электронов в промежутке между катодом и анодом;
- анодный блок;
- магнитная фокусирующую система, предназначенная для фокусировки и транспортировки пучка в зону обработки.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов проекта, является энергетический комплекс для электронно-лучевой сварки конструкционных материалов, включающий электронную пушку с термоэмиссионным катодом и высоковольтный источник питания.
Анализ вариантов возможных решений по совершенствованию существующего электронно-лучевого оборудования показывает целесообразность осуществления перехода на импульсные высоковольтные источники питания с максимальной заменой импортной составляющей их элементной базы на отечественную российскую. Это приведет к значительному уменьшению габаритов, массы и стоимости вновь создаваемых источников
питания (благодаря замене крупногабаритных металлоемких источников, работающих на промышленной частоте 50 Гц и содержащих дорогостоящие мощные электровакуумные приборы, на малогабаритные полупроводниковые блоки, состоящие из широко распространенных и достаточно часто применяемых полупроводниковых модулей). За счет каскадирования (дублирования/суммирования) узлов источника питания, в частности высоковольтного блока, появляется возможность использовать менее мощные полупроводниковые и другие элементы. Наряду с применением достаточно большого количества отечественных элементов это позволяет снизить цену источника питания в 2…4 раза по сравнению с существующими аналогами.
При создании новой конструкции технологической электронной пушки, предназначенной для целей сварки целесообразно отказаться от дополнительных электромагнитных систем юстировки электронного пучка. При этом обеспечение требуемого качества пучка должно быть обеспечено соосностью узла высоковольтного изолятора с блоком катода, анодного узла и магнитной фокусирующей системы. Требуемая точность изготовления узлов пушки должна быть обеспечена построением оптимальной технологии их изготовления и не изменяться в процессе всего срока эксплуатации. Возможности существующего оборудования для обработки и свойства современных материалов позволят выполнить это требование.
Основными конкурентными преимуществами энергетических комплексов для ЭЛС, построенных на результатах данной работы, является возможность импортозамещения технологического сварочного оборудования, применяемого в отраслях имеющих стратегическое значение для безопасности страны (энергетическое машиностроение, авиа- и ракетостроение, судостроение), а также уменьшение стоимости
оборудования.
В случае успешной реализации проекта планируется организация опытного производства энергетических комплексов для электронно-лучевой сварки мощностью 60 кВт на базе Индустриального партнера проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Применение ожидаемых результатов при проведении опытно-конструкторских работ и подготовке производства технологического оборудования для ЭЛС на предприятиях позволит существенно сократить объем работ, необходимый для отработки технических решений, позволяющих переходить к созданию примышленных образцов энергетических комплексов для электронно-лучевой сварки.
Результаты работы также могут применяться при отработке технологий электронно-лучевой сварки на предприятиях энергетического машиностроения, где электронно-лучевая сварка применяется или планируется к внедрению. Так например, методика диагностики параметров пучка может быть использована при создании программного обеспечения для управления конкретным технологическим процессом сварки.
Результаты исследовательских испытаний экспериментального образца и макета позволят оценить значения эффективности, надежности, экономичности и экологичности энергетического комплекса как продукта для последующей коммерциализации, и послужат основой для технико-экономического обоснования организации производства.
Дальнейшими крупными потребителями продукции, произведенной с применением результатов данного проекта, могут быть ОАО «НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля», ОАО «Ижорские заводы», ОАО «ЭМК-Атоммаш», НПО «НИКИМТ», ОАО «Калужский турбинный завод» и другие. Также результаты работы могут быть использованы в авиационной промышленности (ФГУП ГНЦ ВИАМ, ФГУП «ГНЦ газотурбиностроения «Салют», ФГУП «Российская самолетостроительная корпорация «МиГ», НПО «Энергомаш» им. академика В.П. Глушко), в судостроении (ЦНИИ КМ «Прометей», ЦНИИТСМ «Сириус») и других отраслях.

Текущие результаты проекта:
Проведена верификация математической модели формирования электронного пучка в сварочной электронной пушке с термоэмиссионным катодом и выполнено математическое моделирование при различных режимах работы сварочной электронной пушки. Предложен метод параметрического анализа, позволяющий свести задачу проектирования электронных пушек к классической оптимизационной. Показано, что при учете технических ограничений, обусловленных электрической прочностью межэлектродных промежутков и использованием унифицированных конструктивных элементов и соединений число варьируемых параметров можно свести даже к двум.
Разработаны комплекты эскизной конструкторской документации на макет сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом, экспериментальный образец высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом и технологическая инструкция на изготовление макета сварочной электронной пушки.
Разработана методика определения технологических параметров электронных пучков в сварочных электронных пушках с термоэмиссионным катодом с применением фотометода, разработан алгоритм обработки изображения, позволяющий определять положение фокальной плоскости и поперечный размер пучка в заданном сечении. Показана возможность изучения внутренней структуры пучка.
Изготовлены компоненты экспериментального образца высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом, в том числе:
- силовой высоковольтный блок;
- источник напряжения бомбардировки основного катода электронной пушки;
- источник управляющего напряжения;
- источник накала вспомогательного катода электронной пушки;
- источник питания магнитной фокусирующей системы электронной пушки.
Проведены испытания компонентов экспериментального образца высоковольтного источника питания, которые показали соответствие полученных характеристик заявленным в техническом задании.