CC BY
4СНИЖЕНИЕ РИСКОВ И ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЧС
УДК 62-133.241
РАСЧЕТ ВИНТОКАНАВОЧНОГО РОТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ОТКРЫТОГО ИСПОЛНЕНИЯ ДЛЯ СУДОВ ЛЕДОВОГО КЛАССА
Юрий Викторович Реваи.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, Санкт-Петербург, Россия Mspi 78@mail. ru
Аннотация. Статья посвящена рассмотрению вопросов, связанных с конструкцией и применением погружных электрических машин в морской среде для судов ледового класса, на буровых установках и платформах, расчету винтоканавочного ротора, практике эксплуатации винтоканавочных насосов, где важное значение имеет соотношение длины ротора к его диаметру, от которого зависят гидравлические потери вследствие трения с морской водой. В статье изложен приближенный расчет винтоканавочного ротора для асинхронного электрического двигателя погружных электрических машин. Приведен математический аппарат расчета винтоканавочного ротора в зависимости от его геометрических размеров, таких как диаметра, ширины канавки, числа захода. Также рассмотрены некоторые характерные особенности расчета асинхронных электрических машин открытого исполнения с винтоканавочным ротором, и показаны расчеты теоретической и фактической производительности.
Ключевые слова: диаметр расточки статора, погружные электрические машины, погружные электрические двигатели, гильзы ротора, двухслойные роторы и статоры двигателей, полезная мощность, частота скольжения ротора
Для цитирования: Рева Ю.В. Расчет винтоканавочного ротора электрических машин открытого исполнения для судов ледового класса // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2022. № 2. С. 1-8.
CALCULATION OF THE SCREW-GROOVE ROTOR OF OPEN-TYPE ELECTRIC MACHINES FOR ICE-CLASS VESSELS
Yuri V. RevaH.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia, Saint-Petersburg, Russia Mspi78@mail.ru
Abstract. The article is devoted to the consideration of issues related to the design and application of submersible electric machines in the marine environment for ice-class vessels, on drilling rigs and platforms, the calculation of a screw-groove rotor, the practice of operating screw-groove pumps, where the ratio of the rotor length to its diameter is important, on which hydraulic losses due to friction with seawater depend. The article presents an approximate
© Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2022
1
calculation of a screw-groove rotor for asynchronous electric motor of submersible electric machines. The mathematical apparatus for calculating a screw-groove rotor depending on its geometric dimensions, such as diameter, groove width, number of approaches, is given. Some characteristic features of the calculation of asynchronous electric machines of open design with a screw-groove rotor are also considered and calculations of theoretical and actual performance are shown.
Keywords: stator bore diameter, submersible electric machines, submersible electric motors, rotor sleeves, double-layer rotors and motor stators, useful power, rotor sliding frequency
For citation: Reva Yu.V. Calculation of the screw-groove rotor of open-type electric machines for ice-class vessels // Nauch.-analit. jour. «Vestnik Saint-Petersburg university of State fire Service of EMERCOM of Russia». 2022. № 2. P. 1-8.
Введение
Как известно электрические машины судов Ледового класса эксплуатируются в крайне неблагоприятных условия агрессивной внешней среды Арктики и Антарктики.
При длительных стоянках механизмов с электродвигателями открытого исполнения происходит накопление на гильзе ротора и расточке статора ила, песка, биоорганизмов и других инородных частиц, находящихся в коллоидном состоянии в морской воде. Для удаления этих частиц из машины с помощью направленного движения забортной морской воды разработан ротор с винтоканавочной нарезкой на его поверхности с определенным шагом, конфигурацией канавок и числом заходов, выполняющих функции винтоканавочного насоса, который прокачивает поступающую забортную морскую воду по немагнитному зазору двигателя.
Однако расчета и выбора конструкции, шага, числа заходов винтоканавочной нарезки непосредственно на роторе электрических машин (ЭМ) на данном этапе нет, что представляет определенные трудности, связанные со сложными гидравлическими и гидродинамическими процессами, происходящими в винтовых каналах. Изучение литературы по данной тематике показало, что нет четкой и последовательной методики расчета винтоканавочной нарезки непосредственно на поверхности ротора ЭМ [1].
Методы исследования
В основу исследования положен экспертный метод специалистов по вопросам приближенного расчета винтоканавочного ротора для асинхронного электродвигателя, работающего в жидкой среде.
Этот приближенный расчет выполняется при следующих допущениях:
1. Предполагается, что поверхность статора является идеально гладкой.
2. На поверхности ротора имеется многозаходная винтоканавочная нарезка, остальная часть поверхности идеально гладкая.
3. Зазор между ротором и статором значительно меньше глубины винтовой канавки, следовательно, в расчете им можно пренебречь.
4. Морская вода по винтовым каналам движется поступательно и ламинарно.
5. Предполагается, что весь объем машины заполнен морской водой, поэтому отсутствует перемешивание жидкости с воздухом.
6. Морская вода считается практически несжимаемой средой [2].
Результаты исследования и их обсуждение
Конфигурацию канавки, число заходов необходимо выбрать такими, чтобы нарушение поверхности ротора рифлением не превышало бы 4 %, то есть отношение поверхности канавок Sk к поверхности ротора Sp или приближенное отношение суммарной
2
длины дуг канавок к длине окружности ротора по сечению ротора должно быть меньше 4 %. Тогда влияние этих канавок на увеличение толщины эквивалентного немагнитного зазора <5Э будет минимальным, ведь <5Э влечет к увеличению тока холостого хода. Имеем:
£^*100 *Ю0%=^ * ! о о %<4 %,
5р Ср тт*Ор
где С р - длина окружности ротора, см; Б р - диаметр ротора, см; Ь ^ - ширина канавки, см; Z - число заходов [3].
Эксплуатационная практика винтоканавочного насоса показала, что наиболее эффективной конфигурацией канавки является полусферическая или треугольная резьба с четным числом заходов Z=6-12 с шириной и глубиной Ьд.—3-5 мм. При проектировании ротора выбирают одну из этих резьб, в зависимости от диаметра ротора, при малых диаметрах - треугольная, при больших - полусферическая. Выбрав конфигурацию канавки, определяют ее площадь поперечного сечения. Для треугольной канавки:
(1)
где h - высота канавки, см; Ь ^ - ширина канавки, см. Для полусферической канавки:
^С Ф=
^ В 2 4
где Ь - диаметр окружности канавки, см [4].
Теоретически подача винтоканавочного ротора определяется размерами винтовой канавки, шагом канавки и частотой вращения ротора. При вращении винтоканавочного ротора жидкость, заполняющая впадины канавок, перемещается поступательно на величину одного шага за один оборот по аналогии с винтом, когда за один оборот винта гайка навинчивается на винт на один виток, то есть поступательно на один шаг резьбы. В соответствии с этим производительность или подача винтоканавочного ротора равна произведению площади сечения каналов на величину результирующего шага:
где 1; - результирующий шаг нарезки, см; Б—Р т р*Z - площадь поперечного сечения расточек поверхности ротора под винтовые канавки, с м 2; Р т р - площадь поперечного сечения одной треугольной канавки, определяемая по формуле (1), с м 2; Z - число заходов винта.
Шагом любой винтовочной резьбы является расстояние между вершинами двух соседних ниток в осевом направлении. Так как в данном случае резьба многозаходная, то она характеризуется результирующим шагом 1, который меньше шага однозаходного винта в Z раз:
т
1 (2)
где Т - шаг однозаходного винта, см.
Из физических соображений для реверсивных погружных электродвигателей (ПЭД) винтоканавочную нарезку производят симметрично относительно центра ротора с шагом при однозаходном винте, равном длине ротора при его длине меньше двух диаметров, и шагом, равным половине длины ротора при его длине больше двух диаметров [5].
Результирующий шаг по формульному выражению (2) будет выглядеть следующим образом:
3
£ 1 =~при Iр < .Ор;
£ 1 =?&при 1 р - °р;
где Ь р - длина ротора, см; Б р - диаметр ротора, см.
Полная теоретическая подача винтоканавочного ротора, в зависимости от частоты вращения, равна:
г=Ч с *n=F*t*n, см 3 /с,
где п - частота вращения ротора, об/с.
Теоретическая осевая скорость жидкости в рабочем зазоре, в зависимости от площади сечения канавок равняется:
От
иг =—=-=*п, см/с. (3)
Теоретическую осевую скорость жидкости можно также определить через окружную линейную скорость ротора:
"г =" о к р*^а п/; (4)
Р=со1^, (5)
Су
где в - угол подъема винтовой канавки; Ь=Т - длина нарезки, равная шагу однозаходного винта одной канавки, см; С р - длина окружности ротора, ( С р=п*Б р), см.
ио кр=ю*R=R*2л*n=л*n*Dр, см/с,
где R - радиус ротора, см; ю - угловая скорость вращения ротора, 1/с; п - число оборотов вращения ротора, об/с.
Если в выражение (4) подставить 1:а п// по формуле (5) с учетом размера ротора, то получим значение осевой скорости, соответствующей выражению (3). Отсюда следует, что винтоканавочную нарезку необходимо применять с длинными роторами и большой линейной скоростью [6].
Практика эксплуатации винтоканавочных насосов показала, что рекомендуемый при проектировании угол подъема винтовой канавки однозаходного винта должен равняться 10-14°. Кроме того, необходимо учитывать соотношение длины ротора к его диаметру, от которого зависят гидравлические потери на трение всей поверхности ротора о морскую воду.
Теоретическое время, за которое винтоканавочный ротор перекачает первоначальный объем морской воды из внутренних полостей двигателя, равно:
V
т=—, с,
где V - внутренний объем полостей двигателя, который имеет существенное физическое значение при герметичном использовании двигателя, когда винтоканавочный ротор используется для перемешивания и циркуляции диэлектрической жидкости для выравнивания температур активных частей внутри машины. При открытом исполнении машин, как в данном случае, эта характеристика существенного значения не имеет [7].
Однако фактическая подача , необходимая для определения потерь мощности при работе электродвигателя, будет отличаться от теоретической на величину коэффициента расхода, который зависит от геометрических размеров каналов и свойств жидкости (морской воды). Таким образом, можно определить коэффициент расхода следующим образом:
4
Массовая плотность любой жидкости равна:
Р—-,
ч
где у - плотность жидкости, кг/м3; для пресной воды - 1000 кг/м3; для морской воды -1035 кг/м3; д—9,81 м/ с2 - ускорение свободного падения.
Перепад давления Др в гидравлическом канале равен:
ДР—рх -р2— ^*р*ит2, кгс/м2. (6)
Безразмерное число Рейнольдса, характеризующее режим течения жидкости, можно определить двумя способами:
1. Для каналов круглого сечения:
„ _й*ит
Л р--;;—,
е ^ ,
где ё - диаметр канала канавки, м; 0 - кинетический коэффициент вязкости, см 2/ с.
2. Для каналов некруглого сечения:
_4*Г*ит
Л р--;;—,
е ^ ,
где г—Б/х - гидравлический радиус сечения потока, м; х - смачиваемый периметр канала, м.
Течение будет ламинарным, если , если же будет , то изменяют
размеры и конфигурацию канавки [8].
Потеря напора (давления) ДР в каналах при ламинарном течении, в зависимости от геометрических размеров каналов и свойств жидкости, равна:
Др=Х*, (7)
где х—64/ - гидравлический коэффициент трения.
Из формулы (7) теоретическая подача винтоканавочного ротора при ламинарном осевом течении равна:
1др*2£*сг. (8)
' л/ Х*ь*г 4 '
С другой стороны, из выражения (6) потеря напора равна:
Др=-*р*и т2
к 2 к 1 2 4 V7- '
из которого теоретическая подача определяется следующим образом:
От—Р*^
Фактическая подача равна произведению коэффициента расхода на величину теоретической подачи, из последнего выражения имеем:
Оф (9)
Разделив выражение (9) на выражение (8), получим коэффициент расхода:
5
^ * X ^
где Ь - длина ротора, см; г, ё - радиус и диаметр канала канавки, см.
С учетом коэффициента расхода определяется фактическая подача и фактическая линейная осевая скорость движения жидкости по рабочему зазору, то есть:
<2Ф=ц*<2 т.
Объемный КПД:
<2ф
Поб—Ц.
Фактическая осевая скорость течения жидкости будет иметь вид:
<2ф
иФ =7.
Фактическое время, за которое весь объем воды из полости двигателя будет перекачан винтоканавочным ротором, равно:
ТФ =£, с.
Теоретическая мощность, которая необходима для обеспечения теоретической производительности (подач), равна:
N т=Др*((т, кгс/с,
N кВт.
1 75*1,36'
Соответственно, фактическая мощность будет равняться:
=0ф*Др, кВт. ф 102 '
Эта мощность затрачивается на дополнительные потери к потребляемой мощности из сети. Практически она составляет небольшой процент от общих потерь, и ее учет можно отнести за счет добавочных потерь в 0,005 % от Р
Например, для погружных электрических машин мощностью 5 кВт с ротором длиной 200 мм, диаметром 112 мм, частотой вращения 500 об/мин, полусферической нарезкой диаметром 3 мм, числом заходов, равным 6, фактическая мощность потерь на гидравлику насоса равнялась 25 Вт [9].
Заключение
Таким образом, на основании вышеизложенных обоснований в расчете винтоканавочного ротора ЭМ открытого исполнения для судов ледового класса можно сделать вывод, что главная задача винтоканавочного ротора состоит в том, чтобы обеспечить ламинарное (поступательное) движение воды внутри двигателя при вращении ротора, тем самым исключить турбулентность, уменьшить шумы и вибрацию машины, то есть качественно улучшить виброакустические характеристики. Вторая не менее важная задача заключается в удалении различных инородных частиц из полостей погружных электрических машин, поступающих внутрь вместе с забортной морской водой, которые могут повредить обмотку и тормозят ротор во время работы. В целом эти технические решения повышают надежность и срок службы машины [10].
6
Список источников
1. Рева Ю.В. Технология изготовления и способ сборки электрических машин открытого исполнения на средствах водного транспорта // Проблемы управления рисками в техносфере. 2020. № 2 (54). С. 36-40.
2. Рева Ю.В. Применение опорно-упорных подшипников скольжения электрических машин открытого исполнения в морской воде арктической зоны // Проблемы управления рисками в техносфере. 2020. № 1 (53). С. 27-30.
3. Вешняков А.С. Опыт ОАО «Удмуртнефть» по внедрению штанговых насосов двойного действия // Нефтегазовая вертикаль - Технологии: спец. прил. 2014.
4. Францев А.В., Юшкин А.Ю., Якимов С.Б. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса // Научно-технический вестник ОАО «НК «РОСНЕФТЬ». 2013. № 6. С. 62-66.
5. Рева Ю.В. Технические средства добычи минеральных ресурсов и полезных ископаемых из глубин Мирового океана // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2020. № 1. С. 16-19.
6. Погружные электродвигатели с повышенным напряжением - двойной эффект без инвестиций / С.Б. Якимов [и др.] // Научно-технический вестник ОАО «НК «РОСНЕФТЬ». Приложение. 2014. № 3.
7. Шафиков И.Н. Пути повышения энергоэффективности электроприводов скважинных центробежных насосных установок // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. трудов III Междунар. (VI Всерос.) науч.-техн. конф. / отв. ред. В.А. Шабанов. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2017. С. 156-160.
8. Шафиков И.Н. Регулируемый привод скважинного электроцентробежного насоса на основе высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2019. Т. 15. № 3. С. 53-60.
9. Бардулин Е.Н., Скрипник И.Л., Воронин С.В. Подходы к созданию современных приборов приемно-контрольных пожарных // Проблемы управления рисками в техносфере. 2018. № 2 (46). С. 105-109.
10. Марек Е. Обмотки электрических машин постоянного и переменного тока. 2014.
References
1. Reva Yu.V. Tekhnologiya izgotovleniya i sposob sborki elektricheskih mashin otkrytogo ispolneniya na sredstvah vodnogo transporta // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2020. № 2 (54). S. 36-40.
2. Reva Yu.V. Primenenie oporno-upornyh podshipnikov skol'zheniya elektricheskih mashin otkrytogo ispolneniya v morskoj vode arkticheskoj zony // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2020. № 1 (53). S. 27-30.
3. Veshnyakov A.S. Opyt OAO «Udmurtneft'» po vnedreniyu shtangovyh nasosov dvojnogo dejstviya // Neftegazovaya vertikal' - Tekhnologii: spec. pril. 2014.
4. Francev A.V., Yushkin A.Yu., Yakimov S.B. Oborudovanie i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa // Nauchno-tekhnicheskij vestnik OAO «NK «ROSNEFT'». 2013. № 6. S. 62-66.
5. Reva Yu.V. Tekhnicheskie sredstva dobychi mineral'nyh resursov i poleznyh iskopaemyh iz glubin Mirovogo okeana // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2020. № 1. S. 16-19.
6. Pogruzhnye elektrodvigateli s povyshennym napryazheniem - dvojnoj effekt bez investicij / S.B. Yakimov [i dr.] // Nauchno-tekhnicheskij vestnik OAO «NK «ROSNEFT'». Prilozhenie. 2014. № 3.
7. Shafikov I.N. Puti povysheniya energoeffektivnosti elektroprivodov skvazhinnyh centrobezhnyh nasosnyh ustanovok // Elektroprivod, elektrotekhnologii i elektrooborudovanie predpriyatij: sb. nauch. trudov III Mezhdunar. (VI Vseros.) nauch.-tekhn. konf. / otv. red. V.A. Shabanov. Ufa: Izd-vo UGNTU, 2017. S. 156-160.
7
8. Shafikov I.N. Reguliruemyj privod skvazhinnogo elektrocentrobezhnogo nasosa na osnove vysokovol'tnogo mnogourovnevogo preobrazovatelya chastoty // Elektrotekhnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. 2019. T. 15. № 3. S. 53-60.
9. Bardulin E.N., Skripnik I.L., Voronin S.V. Podhody k sozdaniyu sovremennyh priborov priemno-kontrol'nyh pozharnyh // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2018. № 2 (46). S. 105-109.
10. Marek E. Obmotki elektricheskih mashin postoyannogo i peremennogo toka. 2014.
Информация о статье:
Статья поступила в редакцию: 04.04.2022; одобрена после рецензирования: 23.05.2022; принята к публикации: 24.05.2022 Information about the article:
The article was submitted to the editorial office: 04.04.2022; approved after review: 23.05.2022; accepted for publication: 24.05.2022
Информация об авторах:
Юрий Викторович Рева, доцент кафедры сервис безопасности Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 149), кандидат военных наук, доцент,е-шай: yreva@list.ru
Information about the authors:
Yuri V. Reva, associate professor of the department of security service of Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia (196105, Saint-Petersburg, Moskovsky ave, 149), candidate of military sciences, associate professor, e-mail: yreva@list.ru
8
