Введение к работе
Актуальность темы.
Б связи с интенсивным освоением Мирового океана, развитием морской геологии, добычей подводных полезных ископаемых, одной из шстуальных задач судового электромашиностроения становится разработка и освоение новых типов электрических машин (ЗА), активные части которых способны работать в непосредственном контакте с окружагацей морской водой, обладающей высокой химической активностью и ионной электропроводностью. Морская вода в своем составе имеет в больших количествах различные биоорганизмы (в виде биомассы), инородные частицы (ил, ракушки,песок и др.), анионы, катионы, сульфиды, карбонаты, сероводород, борную кислоту и т.д., которые вызывают различные виды морской коррозии и электрохимические процессы в виде электрохимической коррозии металлов и сплавов активных частей ЭМ при погружении ее в морскую воду. Причем, скорость коррозии металлов и сплавов возрастает с увеличением глубинп погружения (гидростатического давления), а также скорости движения вода внутри ЭМ от вращения ротора, при которой происходит смывание продуктов коррозии с активных частей и на их месте образование новых.
При разработке и освоении новых типов Ш, предназначенных для приводов забортных механизмов глубоководных подводных аппаратов (ГПА), добычных морских установок (ДО.У), исследовательских батискафов, роботов и др. при работе в морской воДё на больших глубина:: главной проблемой является создание и разработка новых материалов, входящих в конструкцию электрических машин,
обмоточных проводов, электроизоляционных материалов, новых материалов скользящих пар подшипников, обладахщих высокой прочностью и удельной нагрузкой с антифрикционными и антикоррозионными характеристиками и низким коэффициентом трения. h« менее сложной и трудной задачей является разработка новых передовых технологий при изготовлении указанных материалов, подшипников, обмотки, узлов токоподвода и внутрдаашинных соединений, а такке технологий и способов изготовления подшипниковых узлов, укладки протяжных обмоток и способов сборки ЭМ по сравнению с технологиями общепромышленных и малозаполненных герметичных погружных ЭМ.
До настоящего времени на ГПА, ДМУ и др., в России и за рубежом в основном, используются герметичные маслозалолненные погружные электрические двигатели (ПЭд), которые имеют повышенные массогабаритные характеристики из-за наличия компенсирукщих узлов от температурного расширения масла и противодавления, каскадных торцовых уплотнений вала и Заполнителя (масла). При больших погружениях герметичный корпус ГПА и ДМУ изготавливают с усиленной толщиной стенки и поэтому уменьшение массогабарит-ных характеристик оборудования является проблемной задачей. Кроме того, торцовые уплотнения, металлографитовые и фторопластовые подшипники чувствительны к повышенным механическим нагрузкам и гидравлическим ударам, которые являются основной причиной разгерметизации ПЭД и попаданию морской вода внутрь двигателя. При обводнении масла двигатель выходит из строя из-за химической и электрохимической коррозии активных частей (электротехническая сталь, подшипники, вал и т.д.), и из-за снижения'
изоляции обмотки статора до критического состояния, твердая изоляция которой работоспособна при обводнении масла до 0,1%-Наряду с этим, существущие ПЭД ограничены в глубине погружения (до 1500 м), имеют малый ресурс непрерывной работа (до 6000 чаосв), не ремонтоспособны, не допускают больших кренов и дифферентов, довольно сложны в конструктивном исполнении.
Массовое использование этих машин в большом количестве при освоении ресурсов Мирового океана ставит под угрозу экологическую чистоту вода возможными утечками масла. Поэтому вопрос создания SM- без заполнения полостей диэлектрическими ЖИДКОСТЯМ!? из нефти весьма актуален и на первый план выдвигается задача создания Ш открытого исполнения с охлаждением ее активных частей, в том числе обь.отки и подшипников непосредственно окружащей морской водой. При этом Ш не должны иметь в своей конструкции токсических материалов, угрожающих жизни'.биоорганизмов (планктонам).
Эта проблема тем более актуальна, что Мировой океан - будун щее жизни человечества на нашей планете. Задача человечества при создании ДМУ - беречь шзнь Мирового океана, поддерживать экологическое равновесие, ибо его биомасса при фотосинтезе дает планете около 80, кислорода.
Диссертант взял на себя труд по созданию высоконадекшх, экологически чистых ЭМ открытого исполнения, работающие в морской воде на неограниченной глубине погружения в приводах забортных механизмов ІЇЇА и ДМУ, при любых кренах и дифферентах с высокими энергетическими и значительными уменьшенными iiacco-
габаритными характеристиками, которые позволят., обеспечить гарантированный ресурс не менее 10000 чаоов и срок службы 10 лет. Настоящая работа выполнена по тематическому плану НИИ ШЭО (АО) "Электросила".
Цель работы заключалась в разработке конструкции ЭМ открытого исполнения, активные части которых непосредственно омываются морской водой, не нарушая ее экологии, с высокой работоспо-собносаыо, надежностью, живучестью, с большим ресурсом работы на неограниченной глубине погружения (средняя глубина Мирового океана - 6500 м), а также в разработке технологии изготовления Ш открытого исполнения для работы в уїсазанннх условиях в качестве приводов различных механизмов ГПА и ДМУ, в том числе для систем автоматики и робототехника.
Для .достижения указанной цели необходимо было решить -сле-дуыдие задачи:
рассмотреть, проанализировать вопросы коррозии конструкционных материалов, обмоточных проводов, подшипниковых узлов, работающих в морской воде;
разработать основы теории гидролитической стойкости материалов, находящихся в контакте между собой, к морской воде;
теоретически обосновать и разработать технические требования на материалы, обмоточные провода, подшипники и ЭМ в целом, работающих в морской воде (как электролите) с учетом глубины погружения и скорости движения морской вода внутри ЭМ при вращении ротора;
теоретически обосновать и разработать конструкцию и технологию изготовления, методику расчета электрохимической защиты
от контактной коррозии, подшипников, схемы и технололда-изто— товления протяжных обмоток статоров и токоподвод к нему;
разработать конструкцию, технологию изготовления и- способ сборки Ш открытого исполнения для привода силовых забортных механизмов, а также систем автомазика и роботехники;
разработать теоретические основы проектирования и расчета 31 открытого исполнения, работающих в морской воде, по сравнению с цогруяныш герметичными ЗМ и общепромышленного назначения, в том числе массогабаритные и виброакустические характеристики (ВАХ).
Научная новизна. На основе научных и экспериментальных исследований установлено и подтверлдено, что при погружений в морог кую воду чистых металлов, а также при электрическом контакте разнородных металлов проявляются, в основном, биологическая и электромеханическая коррозия, которая возникает при контактировании меаду собой различных металлов или сплавов с различными электродными потенциалами, имеющих между собой плотный механический (электрический) контакт. Контактная коррозия является определяющей (основной) и поэтому необходимо иметь способы борьбы с ней. В результате тщательных исследований в диссертации сформулированы основы теории гидролитической стойкости материалов в морской воде применительно к корабельному электромашиностроению с учетом собственных электродных потенциалов активных частей 2М, входящих в ее конструкцию.
Основы гидролитической стойкости материалов являются основополагающими, без учета и знания которых невозможно сконструировать и изготовить ЭМ открытого исполнения на большие ресурсы
работы в морской водо. С учетом этого разработана конструкция Ш типа ЗШЗ и еа технология изготовления и способ сборки, разработана электрохимическая протекторная защита, приостановившая контактную коррозию активных частей SS, дана методика расчета протекторов с учетом глубин погружения и движения морской воды внутри ЭМ.
Впервые разработаны выооконагруаэнные металлокерамические подшипники скодьЕанжя, их технология изготовления методом горячей прессовки вкладыши из композиционных порошковых материалов, трибошханнчбшіе характеристики которых на порядок выше, чей у фторопластовых ж метадлографэгеошх, применяемых в настоя-щ2 мемент в подобных устройствах. Разработанная методика расчета основных характеристик и определения коэффициента трения и коэффициента треагя гроганяя отяичаэтся от известных тем,' что коэффициента трения и трения трогания определяются из потерь холостого хода на воздухе и в воде при работе машины на холостом ходу. Разработано устройство для определения этих коэффициентов на изготовленной машине, ранее определялись на машинах трения, результаты которых отличаются от реальных после окончательное обработка вкладышей подшипников и сборка ЕМ.
Разработанные теоретические основы проектирования позволили установить-отличительные особенности проектирования и.расчета Ш открытого исполнения с повышенными плотностями токов в обмотке статора с учетом непосредственного охлаждения активных частой-морской водой. Научной новизной основ проектирования является теоретячаваое обоснование методики определения размеров
активного ядра Ш, исходя из заданного диакзтра корпуса и повышенной плотности тока статрра^2-3 раза Ізнпз, чем у герметичных Ш), которая определяет сечеше обкотс^шого провода протяв-ной обмотки. Это сечение является главным Е^зтерзем. определения геометрии лаза и конструкцій активного ядра Ш. После выбора обмоточного провода с'полимерной изолщией и определения геометрии паза, графическим методом определяют количество проводов -*" в пазу и количество витков в фазе.
При расчете энергетических характеристик и КПД Ш научно-" обоснован и предложены новый метод и аналнгическне формулы для определения гидравлических потерь трения ротора о морскую воду, в зависимости, от геометрических размеров ротора, частоты вращения и гидравлического коэффициента трения, предлояенн формулы для его определения в зависимости от размеров, веса ротора и. числа Рейнолвдса.
Теоретически обоснованы особенности теплового расчета ЭМ открытого исполнения. Тепло от всех видов потерь путем теплопроводности передается непосредственно окрулшщеи забортной морской воде. Поэтому самой нагретой часэдагЗЗ является обмотка в пазах, а ее максимальная температура определается температурой забортной вода,плюс перепад температуры в полимерной изоляции обмоточного провода и выкладке паза. Получены а даны математические зависимости для расчета температур нагрева различных участков частей ЗМ.
Теоретически проанализированы математические зависимости для расчета сопротивления изоляции обмоток статора, коЙЙипден-v та трения и трэния троганжя металлокерашческих подшипников, а
также зависимости составлящих бегущих магнитных полей в немагнитном зазоре компенсированных линейных индукторов в зависимости от линейной токовой нагрузки.
Теоретически обоснованы и разработаны различные модификации конструкций Ш открытого исполнения, охватывающих практически все забортные механизмы ША. и Д4У, в том числе микромашиш для систем автоматики и робототехники, а также линейных индук-пиошых машин поступательного и возвратно-поступательного движения. Разработана методика расчета винтоканавочного ротора для ЭЙ с короткозамкнутым ротором и гильзой на роторе из магнито-электропроводящего материала, винтоканавочная нарезка повышает надежность и ВАХ машины.
Практическая ценность. Разработаны технологические инструк-г циг с .описанием техпроцессов изготовления Ш открнтого исполнения, укладки протяжных обмоток и способы сборки, подготовлен цех-изготовитель для выполнения заказов и серийного выпуска электродвигателей типа АМВ (Асинхронная машина Ветохина).
На основании поэтапного исследования узлов, деталей, обмоток, контактной коррозии и тй;. разработаны методики расчета протекторов от контактной коррозии.в зависимости от глубины погружения, движения морской вода внутри машины,предложена мето-дака расчета винтоканавочного ротора с целью придания ламинарного движения морской вода по зазору и вымывания инородных час-виц из двигателя.
Разработаны схемы протяжные обмоток статоров из обмоточных проводов с полимерной изоляцией, токоподвод и их технология из-
готовленая для любых Щ по мощности, частоте вращения с охватом мопщостей от 100 Вт до 300 кВт, напряжением до 600 В. Тоководвод соединения питающего кабеля с обмоткой статора впервые применен на зтих машинах, запеченная монолитная изоляция из облученного полиэтилена обеспечивает высокую надежность в высокое сопротивление изоляции не менее 500 МОм. На герметичных маслозаполненных Ш применяются штепсельные соединители, обладающие вероятностью разгерметизации от вибрации и обладают свойством отпотевания резины.в месте соединения разъема, и как результат падение сопротивления изоляции в этом соединении.
Подготовлен цех-изготовитель на АО"Электросила" для выполнения заказов и серийного выпуска электродвигателя типа АМВ для нуад морского флота и народного хозяйства.
. Винтоканавочный ротор внедрен в электродвигателях приводов гребных винтов и насосов на ІШ. типа "Поиск", г.Севастополь; Способ определения коэффициента трения и трения трогания подшипников внедрен на АО"Электросила". Изготовлены и испытаны опытные конструкции электродвигателей типа АМВ-3 и АМВ-5, црошедщие испытания по полной программе на стенде в искусственной морской воде и длительные ресурсные испытания в естественных морских условиях в течение 10000 ч. Они рекомендованы на серийное изготовление.
личный вклад автора состоит в разработке научно-технической программы на 1985-1995 годы по созданию электрических машин (Ш) открытого исполнения, работающих в морской воде на неограниченной глубине погружения. Программа полностью и в полном объеме выполнена. Программой было предусмотрено разработка технических
-УІ
требований на ЗЛ открытого исполнения, обмоточные провода, подшипники, материалы, по которым поэтапно создавались отдельные узлы ЗМ.
За указанный срок автором были изготовлены пять модификаций асинхронных ЗМ типа MB, которые проходили испытания на стенде в искусственной морской воде и в натурных условиях в бассейне Черного моря. Из них два опытных электродвигателя типа АМВ-3 и АМВ-5 мощностью 9 и 5 кВт подготовлены к серийяо-му промышленному изготовлению.
3 результате работы, проделанной в 1987-1992 годах по изучению зарубежных и отечественных патентов, современных достижений по изоляции, по конструкционным я порошковым материалам, морской коррозии и собственных научных разработок были созданы три типа Ж открытого исполнения и запатентованы в СССР и России шестнадцатью патентами. Для мощных, забортных механизмов (гребные винты, активные рули, насосы и т.д.) - "Электрическая машина Ветохина ЭМВ", исполняется, в основном, асинхронного типа. Для средних и малых мощностей - "Торцевая машина Ветохина ТЗМВ", изготавливается с дисковыми индукторами и ротором, в асинхронном ТЗМВ ротор выполняется из набора дисков между индукторами в виде дисков из магнитоэлектропроводящего материала, в синхронном TSMB в окна диска ротора вставлены постоянные магниты, полюса которых напралены в стороны индукторов в осевом направлении. Для системы автоматики и робогоехники разработаны машины-малых мощностей - -- "Электрическая микромашина Ветохина ЗММВ", в которой подшипниковые узлы оовмещены с подшипниковыми щитами, а ротор выполнен в взде монолитного узла с валом. В асинхронном ЭММВ на активную честь ротора насажена гильза из магниаопроводящей металлокерамики,
выполняющей роль короткозамкнутой обмотки. В синхронной ЭШВ на роторе из высокопрочной антикоррозионной немагнитной стали размещены постоянные магниты.
В теоретическом плане автором разработаны основы теории гидролитической стойкости материалов, работающих в морокой воде в вышеприведенных корабельных ЭМ. Э^а теория является фундаментом для проектирования и конструирования ЗМ с использованием разработанннх новнх обмоточных проводов, подшипников и т.д.только отечественного производства. Б соответствии с основами теории гидролитической стойкости предложена методика расчета протекторной защита активных частей статора и ротора, предложены аналитические зависимости определения размеров протекторов в зависимости от глубины погружения и движения морской воды внутри машины от вращении ротора на ресурс 10000 часов и срок службы 10 лет. Протектори в данном случае приостанавливают контактную коррозию и несут роль анода и будут коррозировать, а активные часта ЗЛ будут находиться в.исходном состоянии и нести функщп-. катодов. Предложена методика определения основных трибоглохаш,-ческих характеристик металлокерамических подшипников и спосо"' определения коэффициентов трения и трения трогания, получеш.;
/4
зависимости их количественного определения. Способ внедрен и применяется яа АОиЭлектросила" для определения этих коэффициентов на подшипниках скольжения Щ.
Разработана,методика расчета и получены зависимости по определению конструкции и характеристик винтоканавочного ротора с ыногозаходноЕ резьбой, предложены схеш протяжных обмоток статоров, их расчет и рекомендации по выбору, выведены зависимости определения бегущих полей в немагнитном зазоре линейных индукционных машин и предложены компенсированные индукторы, которые будут создавать только бегущие поля в зазоре, создающие полезный напор.
Теоретически обоснована и разработана методика проектирования и расчета SM открытого исполнения с повышенной плотностью тока в обмотке статора с учетом охлаждения обмоток-непосредственно морской водой.
Апробация работы. Основные положения и научно-технические работы по диссертации периодически ежегодно докладывались (1987-1992 годы) на закрытом экспертном совете НИИ ЛПЭ0"2йектро-єила", а также на: 5-й Всесоюзной научно-технической конференции
"Проблемы повышения технического уровня судового электрооборудования" (ЦНИИСЗТ, г.Ленинград, 1989 г.); на Всесоюзном семинаре "Совершенствование судовых и автономных: электромеханических систем" (СЕВМИУ, г.Севастополь, 1990 г.); на заседании кафедры электротехники ($ 32) Севастопольского высшего военно-морского инженерного училища, 1991 г.; на заседании малого ученого Совета института электродинамики АН УССР, г.Киев, 1991 г.; на заседании кафедры электроэнергетических систем Военно-морской академии им.адм.Н,Г.Кузнецова, Ленинград (С.-Петербург) 1991, 1995 гг.); на заседании кафедры электротехники и измерений Высшего военно-морского инженерного училища им.Ф.Э.Дзерлишского, С.-Петербург, 1995 г.; на заседании кафедры электротехники Ленинградского высшего военно-морского инженерного училища им.В.И.Ленина, г.Пушкин, 1991 г.; на заседании кафедры "Электрооборудование судов" С.-Петербургского морского технического университета, 1996 г.; на семинаре международной выставки UNEL-96 "Приводы, средства управления и автоматического регулирования", г.С.-Петербург, 1996 г.
Даны рекламы на машины типов ЭМВ И.Л. В 456-95, 2MB И.Л. Г* 3-95, ТЗМВ И.Л. & 2-95, на металлокерамический подшипник скольжения типа ПС ЭМВ И.Л. -і 623-95 и на Асинхронную машину Бетохина типа АМВ-5 И.Л. № 624-96, через НГЦ г.Санкт-Петербург, 1995-1996.
Рекламные материалы с описанием технических характеристик ЭМ опубликованы в периодической печати массовой информации: газета "Электросила" В 32, 16.II.1994 г.; газета "Электросила" В 8, 24.04.1996 г.; газета "Новый Петербургъ", J* 46, 28.11.1996 г.; газета ..'Экстра Балт", № 4, 30.01.1997 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в печатных статьях, из них 12 закрытых и приведенных
в списке научных трудов, 16 патентах и 10 авторских свидетельствах, из них 7 а.с. - закрытых и приведенных в списке научных трудов, а также в 9 научно-технических отчетах НИИ АО "Электросила", из них 4 отчета закрытого оформления, которые использовались в качестве рабочего материала в объединении "Электросила" и СШШ "Малахит".
Структура и объем -работы. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав текста, заключения, содержит 229 страниц машинописного текста, 64 рисунка, 20 таблиц и списка используемой литературы из 144 наименований, всего 270 страниц.
