Wheatstone semplifica il raffreddamento dei motori sottomarini ad alta potenza

Pompe, tubi, scambiatori di calore, valvole, controlli: un sistema di raffreddamento a liquido indiretto aggiunge dozzine di punti di guasto. Wheatstone adotta un approccio più semplice alla gestione termica dei motori sottomarini

Nella progettazione di motori sottomarini, la gestione termica è una sfida fortemente sottovalutata.

I motori sottomarini ad alta potenza generano una notevole quantità di calore durante il funzionamento. Prendendo come esempio un motore sommerso da 580 kW, la sovrapposizione delle perdite nel ferro dello statore e del rotore, delle perdite nel rame e delle perdite per attrito nell'olio deve essere controllata, altrimenti l'aumento di temperatura incide direttamente sulla durata e sull'affidabilità del motore. Durante il funzionamento a bassa tensione, bassa velocità e coppia elevata, i motori di propulsione per veicoli sottomarini subiscono elevate correnti di avvolgimento dello statore e un forte riscaldamento, con calore difficile da dissipare a causa dei vincoli spaziali.

Per risolvere questo problema, le soluzioni convenzionali dotano i motori sottomarini ad alta potenza di sistemi di raffreddamento indipendenti per ottenere un raffreddamento forzato. Questi sistemi includono tipicamente: pompe di raffreddamento, tubi di raffreddamento, scambiatori di calore, valvole, serbatoi, sensori di temperatura, sensori di flusso, controller, collegamenti elettrici: ogni componente è un potenziale punto di guasto.

Raffreddamento a liquido indiretto: più è complesso, più diventa fragile

Il raffreddamento a liquido indiretto isola il liquido dalla fonte di calore attraverso un intermediario metallico, con il calore condotto attraverso i solidi al liquido e quindi espulso. Questo approccio funziona bene sulla terraferma. Nelle profondità marine i problemi diventano evidenti.

Punto di guasto 1: la pompa di raffreddamento: un collo di bottiglia nell'affidabilità dei componenti rotanti

I sistemi di raffreddamento a liquido indiretto si basano su pompe di raffreddamento per azionare la circolazione del liquido refrigerante. La pompa stessa è una macchina rotante contenente cuscinetti, giranti, guarnizioni e altri componenti soggetti a usura. Nell'ambiente ad alta pressione delle profondità marine, le tenute meccaniche della pompa affrontano le stesse sfide di tenuta dinamica del motore principale. Se la pompa si guasta, l'intero sistema di raffreddamento viene paralizzato e la temperatura del motore va fuori controllo.

Punto guasto 2: Tubi e raccordi: perdite 'bombe a orologeria'

Il liquido refrigerante assorbe il calore all'interno del motore e viene pompato negli scambiatori di calore dell'alloggiamento a contatto con l'acqua di mare. Ciò richiede che il liquido di raffreddamento circoli tra l'interno del motore e gli scambiatori di calore esterni. Quanto più lunghe sono le tubazioni e quanti sono i raccordi, tanto maggiore è il rischio di perdite. In condizioni di alta pressione in acque profonde, qualsiasi raccordo allentato o guarnizione invecchiata può causare perdite di refrigerante: perdite di refrigerante all'interno del motore causando guasti all'isolamento, oppure acqua di mare che contamina il sistema di raffreddamento.

Punto di fallimento 3: Scambiatori di calore: la doppia minaccia di corrosione e incrostazioni

Gli scambiatori di calore dell'alloggiamento a contatto con l'acqua di mare sono permanentemente immersi in acqua di mare altamente corrosiva. Vaiolatura del cloruro, incrostazione marina ed erosione dei sedimenti: le prestazioni dello scambiatore di calore peggiorano continuamente nel tempo. Man mano che l’efficienza dello scambio termico diminuisce, la capacità del sistema di raffreddamento diminuisce, le temperature del motore aumentano gradualmente e si innesca un circolo vizioso.

Punto di fallimento 4: Sistemi di controllo elettrico: i 'nervi fragili' del mare profondo

I sistemi di raffreddamento a liquido indiretto richiedono sensori di temperatura per monitorare la temperatura del motore, sensori di flusso per monitorare il flusso del refrigerante e controller per regolare la velocità della pompa. Ognuno di questi componenti elettrici è un potenziale punto di guasto nell'ambiente ad alta pressione delle profondità marine. Deriva del sensore, guasti del controller, interruzioni della comunicazione: qualsiasi guasto nella catena rende inoperativo il sistema di raffreddamento.

Punto guasto 5: peso aggiunto – capacità di carico utile ridotta

L'aggiunta di un sistema di raffreddamento esterno aumenta la complessità del sistema di azionamento del motore, riducendo l'affidabilità dell'apparecchiatura. Allo stesso tempo, le attrezzature subacquee devono essere dotate di sistemi di raffreddamento aggiuntivi, che aumentano il peso e riducono la capacità di carico utile effettiva.

L'approccio di Wheatstone: risolvere problemi complessi con soluzioni più semplici

Jiangsu Wheatstone, con oltre 20 anni di esperienza specializzata in motori per scopi speciali, offre molteplici soluzioni per la gestione termica dei motori sottomarini ad alta potenza che sono più semplici e affidabili rispetto al raffreddamento a liquido indiretto.

Soluzione 1: Raffreddamento a convezione naturale con bagno d'olio: senza pompa, senza tubazioni

I motori per acque profonde di Wheatstone utilizzano una struttura riempita d'olio, con l'interno del motore riempito di olio isolante. Durante il funzionamento, la rotazione del rotore determina la convezione naturale dell'olio interno, trasferendo il calore dagli avvolgimenti e dal nucleo all'alloggiamento, che poi scambia calore con l'acqua di mare. Nessuna pompa di raffreddamento, nessuna tubazione esterna, nessuno scambiatore di calore: punti di guasto minimi.

Soluzione 2: struttura riempita di olio con compensazione della pressione: bilanciamento della pressione interna ed esterna

Per condizioni di acque ultra profonde, Wheatstone utilizza una struttura riempita d'olio con compensazione della pressione: l'interno del motore è riempito con olio isolante, con una membrana di compensazione che bilancia la pressione dell'olio interna con la pressione dell'acqua esterna. La differenza di pressione nel motore si avvicina allo zero. L'olio ha un duplice scopo: sia come mezzo isolante che come mezzo di raffreddamento.

Soluzione 3: raffreddamento diretto dell'acqua dell'alloggiamento: sfruttare l'ambiente a bassa temperatura delle profondità marine

Le temperature dell'acqua delle profondità marine sono basse (0 ℃), fornendo una fonte di raffreddamento naturale di alta qualità. Wheatstone ottimizza il design della struttura di dissipazione del calore dell'alloggiamento per consentire lo scambio di calore diretto tra l'alloggiamento e l'acqua di mare. Il raffreddamento naturale non solo riduce notevolmente l'aumento della temperatura in stato stazionario, ma può anche aumentare la coppia di uscita di circa il 10% in stato stazionario termico. Nessun mezzo di scambio termico intermedio: percorso di resistenza termica più breve.

Soluzione 4: strutture di raffreddamento adattive: utilizzo della potenza di rotazione del motore

Basandosi su concetti all'avanguardia di raffreddamento adattivo, Wheatstone può integrare le strutture della girante sull'albero del rotore del motore, utilizzando la potenza rotazionale del rotore per azionare la circolazione interna del mezzo di raffreddamento. Non sono necessari pompa aggiuntiva, scambiatore di calore, olio di raffreddamento o controllo elettrico: la struttura complessiva è più semplice.

Soluzione 5: convalida della simulazione del ciclo completo: calcolo del flusso di calore in fase di progettazione

Wheatstone integra la simulazione accoppiata elettromagnetico-termico-fluido nel processo di sviluppo, stabilendo modelli di calcolo del campo di temperatura basati sulle condizioni operative, ottenendo il trasferimento automatico di calore dell'interazione fluido-struttura e simulando il flusso dei mezzi di raffreddamento interni ed esterni. Trasformare la progettazione termica da tentativi ed errori basati sull'esperienza in metriche ingegneristiche quantificabili e verificabili.

di riferimento degli standard applicabili

della norma	Ambito di applicazione
CEI 0034:2022	Macchine elettriche rotanti – Parte 1: Potenza e prestazioni
CEI 0034-	Macchine elettriche rotanti – Parte: Metodi di raffreddamento (Codice IC)
API17F	Sistemi di controllo della produzione sottomarina – Standard di progettazione per apparecchiature sottomarine
ISO 1328-	Industrie del petrolio e del gas naturale – Progettazione e gestione di sistemi di produzione sottomarini

Quando un motore sottomarino ad alta potenza fornisce una potenza sostenuta a 3.000 metri di profondità; quando il sistema di raffreddamento non richiede più pompe, tubazioni, scambiatori di calore, valvole e complessi controlli elettrici; quando il carico utile effettivo non viene più consumato da sistemi di raffreddamento aggiuntivi: all'interno di ogni sistema di alimentazione delle apparecchiature per acque profonde, i motori sottomarini personalizzati Wheatstone risolvono le sfide termiche più complesse con le soluzioni più semplici.

A proposito di Wheatstone

Con oltre 20 anni di esperienza specializzata in motori per scopi speciali, Wheatstone offre un portafoglio completo che comprende motori sottomarini, servomotori ignifughi, motori ad alta temperatura e motori a flusso assiale. L'azienda è certificata ISO 9001 e IATF 1949. La serie di motori sottomarini copre quattro profondità nominali: 500 m, 3.000 m, 000 m e 8.000 m, offrendo molteplici soluzioni di gestione termica tra cui convezione naturale a bagno d'olio, riempimento di olio con compensazione della pressione, raffreddamento ad acqua diretto dell'alloggiamento e raffreddamento adattivo, con soluzioni personalizzate disponibili da 50 W a 200 kW.

Per consulenze e soluzioni personalizzate sulla gestione termica dei motori sottomarini, contattare il team tecnico di Wheatstone.