Wheatstone упрощает охлаждение мощных подводных двигателей

Насосы, трубы, теплообменники, клапаны, органы управления — система непрямого жидкостного охлаждения добавляет десятки точек отказа. Уитстон использует более простой подход к управлению температурой подводных двигателей

При проектировании подводных двигателей управление температурным режимом является серьезно недооцененной проблемой.

Мощные подводные двигатели выделяют значительное количество тепла во время работы. На примере погружного двигателя мощностью 580 кВт необходимо контролировать суперпозицию потерь в железе статора и ротора, потерь в меди и потерь на трение в масле — в противном случае повышение температуры напрямую влияет на срок службы и надежность двигателя. Во время работы при низком напряжении, низкой скорости и высоком крутящем моменте ходовые двигатели подводных аппаратов испытывают высокие токи в обмотке статора и сильный нагрев, при этом тепло трудно рассеивать из-за пространственных ограничений.

Чтобы решить эту проблему, традиционные решения оборудуют мощные подводные двигатели независимыми системами охлаждения для обеспечения принудительного охлаждения. Эти системы обычно включают в себя: охлаждающие насосы, охлаждающие трубы, теплообменники, клапаны, резервуары, датчики температуры, датчики расхода, контроллеры, электрические соединения — каждый компонент является потенциальной точкой отказа.

Косвенное жидкостное охлаждение: чем оно сложнее, тем более хрупким оно становится

Косвенное жидкостное охлаждение изолирует жидкость от источника тепла через металлический промежуточный материал, при этом тепло передается через твердые тела в жидкость, а затем выводится. Этот подход хорошо работает на суше. В глубоком море проблемы становятся очевидными.

Точка отказа 1: охлаждающий насос — узкое место в надежности вращающихся компонентов

В системах непрямого жидкостного охлаждения используются охлаждающие насосы для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости. Сам насос представляет собой вращающуюся машину, содержащую подшипники, рабочие колеса, уплотнения и другие подверженные износу компоненты. В глубоководной среде с высоким давлением механические уплотнения насоса сталкиваются с теми же проблемами динамического уплотнения, что и главный двигатель. Если насос выйдет из строя, вся система охлаждения будет парализована, а температура двигателя выйдет из-под контроля.

Точка отказа 2: Трубы и фитинги — утечка «бомбы замедленного действия»

Охлаждающая жидкость поглощает тепло внутри двигателя и перекачивается в корпус теплообменника, контактирующего с морской водой. Для этого требуется, чтобы охлаждающая жидкость циркулировала между внутренней частью двигателя и внешними теплообменниками. Чем длиннее трубопровод и больше фитингов, тем выше риск утечки. В условиях высокого давления на глубоководье любая незакрепленная посадка или старое уплотнение могут вызвать утечку охлаждающей жидкости — либо утечка охлаждающей жидкости во внутреннюю часть двигателя, вызывающая нарушение изоляции, либо морская вода, загрязняющая охлаждающую жидкость.

Точка отказа 3: теплообменники — двойная угроза коррозии и загрязнения

Корпусные теплообменники, контактирующие с морской водой, постоянно погружены в сильно агрессивную морскую воду. Хлоридная коррозия, морское биообрастание и эрозия отложений — производительность теплообменника со временем постоянно ухудшается. По мере снижения эффективности теплообмена снижается мощность системы охлаждения, температура двигателя постепенно повышается, и возникает порочный круг.

Точка отказа 4: электрические системы управления — «хрупкие нервы» глубоководных глубин

В системах непрямого жидкостного охлаждения требуются датчики температуры для контроля температуры двигателя, датчики расхода для контроля потока охлаждающей жидкости и контроллеры для регулирования скорости насоса. Каждый из этих электрических компонентов является потенциальной точкой отказа в глубоководной среде высокого давления. Дрейф датчика, неисправности контроллера, перебои связи — любой сбой в цепочке выводит систему охлаждения из строя.

Точка отказа 5: дополнительный вес — снижение грузоподъемности

Добавление внешней системы охлаждения увеличивает сложность системы привода двигателя, снижая надежность оборудования. Одновременно подводная техника должна нести дополнительные системы охлаждения, увеличивая вес и снижая эффективную грузоподъемность.

Подход Уитстона: решение сложных проблем с помощью более простых решений

Цзянсу Уитстон, обладающий более чем 20-летним опытом работы в области двигателей специального назначения, предлагает множество решений для управления температурой мощных подводных двигателей, которые проще и надежнее, чем непрямое жидкостное охлаждение.

Решение 1. Охлаждение с помощью естественной конвекции в масляной ванне — без насоса и трубопроводов

Глубоководные двигатели Уитстона имеют маслонаполненную конструкцию, внутренняя часть двигателя заполнена изолирующим маслом. Во время работы вращение ротора вызывает естественную конвекцию внутреннего масла, передавая тепло от обмоток и сердечника к корпусу, который затем обменивается теплом с морской водой. Нет охлаждающего насоса, нет внешних трубопроводов, нет теплообменника — минимальное количество точек отказа..

Решение 2. Маслонаполненная конструкция с компенсацией давления — баланс внутреннего и внешнего давления

Для сверхглубоководных условий компания Wheatstone использует маслонаполненную конструкцию с компенсацией давления — внутренняя часть двигателя заполнена изолирующим маслом, а компенсационная мембрана уравновешивает внутреннее давление масла с внешним давлением воды. Перепад давления на двигателе приближается к нулю. Масло служит двойной цели: в качестве изолирующей и охлаждающей среды.

Решение 3. Прямое водяное охлаждение корпуса — использование глубоководной низкотемпературной среды

Температура глубоководной воды низкая (0℃), что обеспечивает естественный источник высококачественного охлаждения. Wheatstone оптимизирует конструкцию конструкции рассеивания тепла корпуса, чтобы обеспечить прямой теплообмен между корпусом и морской водой. Естественное охлаждение не только значительно снижает повышение температуры в установившемся режиме, но также может увеличить выходной крутящий момент примерно на 10 % в установившемся температурном режиме. Отсутствие промежуточного теплообменного агента — кратчайший путь термического сопротивления.

Решение 4. Адаптивные конструкции охлаждения — использование собственной вращательной мощности двигателя

Опираясь на передовые концепции адаптивного охлаждения, Wheatstone может интегрировать конструкции крыльчатки на вал ротора двигателя, используя собственную вращательную силу ротора для обеспечения внутренней циркуляции охлаждающей среды. Не требуется дополнительный насос, теплообменник, охлаждающее масло или электрическое управление — общая конструкция проще..

Решение 5. Валидация полного цикла моделирования — расчет теплового потока на этапе проектирования

Уитстон интегрирует электромагнитно-тепло-жидкостное моделирование в процесс разработки, создавая модели расчета температурного поля на основе условий эксплуатации, обеспечивая автоматическую передачу тепла при взаимодействии жидкости и конструкции и моделируя поток внутренней и внешней охлаждающей среды. Преобразование теплового проектирования из метода проб и ошибок, основанного на опыте, в измеримые и проверяемые инженерные показатели..

Применимые стандарты Ссылка на

стандарт	Область применения
МЭК 0034:2022	Вращающиеся электрические машины. Часть 1. Номинальные характеристики и характеристики.
МЭК 0034-	Вращающиеся электрические машины. Часть: Методы охлаждения (код IC).
API 17F	Системы управления подводной добычей. Стандарты проектирования подводного оборудования.
ИСО 1328-	Нефтяная и газовая промышленность. Проектирование и эксплуатация подводных систем добычи.

Когда мощный подводный двигатель обеспечивает устойчивую мощность на глубине 3000 метров; когда система охлаждения больше не требует насосов, трубопроводов, теплообменников, клапанов и сложного электрического управления; когда эффективная полезная нагрузка больше не потребляется дополнительными системами охлаждения — внутри каждой энергосистемы глубоководного оборудования специальные подводные двигатели Wheatstone решают самые сложные тепловые проблемы с помощью самых простых решений.

О Уитстоне

Обладая более чем 20-летним опытом работы в области двигателей специального назначения, Wheatstone предлагает обширный ассортимент, включающий подводные двигатели, взрывозащищенные серводвигатели, высокотемпературные двигатели и двигатели с осевым магнитным потоком. Компания сертифицирована по стандартам ISO 9001 и IATF 1949. Серия подводных двигателей охватывает четыре номинальных глубины: 500 м, 3 000 м, 000 м и 8 000 м и предлагает множество решений по управлению температурным режимом, включая естественную конвекцию в масляной ванне, заправку маслом с компенсацией давления, прямое водяное охлаждение корпуса и адаптивное охлаждение, а также доступны индивидуальные решения мощностью от 50 Вт до 200 кВт.

Для получения индивидуальных консультаций и решений по управлению температурным режимом подводных двигателей обращайтесь в техническую группу Wheatstone.