автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Определение оптимальных параметров электромеханической системы погрудного электронасосного агрегата

На правах рукописи

РГ6 од

г

г

ЕРИОВ Сергей Викторович

"ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРО?.!ЕХАН11ЧЕСКОа СИСТЕШ ПОГРУШЮГО ЭЛЕКТРОНАСОСНОГО АГРЕГАТА"

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре Электромеханического оборудован» Тульского Государственного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор. Степанов В.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бзбокин Г.И. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шевырев К).В.

Ведущее предприятие - Акционерное общество "ПНИУИ"

Защита диссертации состоится "5ок/е#8РЯГ 199? г. в 14 час. 00 шв. в аудитории >4-214 на заседании диссертационного совет, К-053.16.06 в Московской энергетическом институте( Техническом уи верситете), адрес: 111250, г. Москва, Е-250, ул. Красноказарыев кал, д.14 Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке Московское энергетического института (Технического университета). Отзыв в автореферат в двух экземплярах, заверенным печатью, направлять с адресу: 111250, г.Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет 1Ш (ТУ).

Автореферат разослан " ?е?/г/Н#£*уг" 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К-053.16.06

к.т.н., доц. (££гЛ**4ААнчарова Т.В.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы: Интенсификация использования подвеиных вод в водоснабжении городов и осупекии пластовых кестороэдвнпй полезных ископаемых, доОывазьак подгсйкыы способом сдерзнвсэтся фактором надежности работы погружных электронасоскых ггрогетоэ.

Основным направлением повызэнпя уровня обоснованности параметров агрегатов, сбеспвчивгзсего улучшение надеавости их рсботы является метод проб и ознбок, т.е. изготовление наиболее слабых узлов насосов и сравнительная оценка для определения наиболее эффективной их конструкции.

Однако, полученная в ходе испытаний область решашых параметров не всегда совпадает с требованиями технического задания. Проведение испытаний требует дополнительных энергетических и мате-рильно-технических затрат, величина которых шает достигать 35 -50Х от стоимости самого погружного электронасосного агрегата. Кроме того, это приводит к тому, что узел агрегата, имеющий высокий уровень надежности при единичном испытании, при серийном производстве может не подтвердиться. Из-за отсутствия дорогостоящих испытательных стендов не все предприятия, выпускающие погружные электронасосные агрегаты, имеют возможность проведения сравнительных испытаний.

Проведение стендовых испытаний для определения наиболее эффективных конструкций узлов погружных электронасосных агрегатов объясняется отсутствием аналитических методов установления их оптимальных режимов работы. Математическое и имитационное моделирование позволит сократить число доводочных испытаний и обеспечит повышение надедности и еффзктивности на стадии проектирования. Это ставит научную задачу определения оптимальных параметров электромеханической системы погруяного электронасосного агрегата, на основе обеспечения надеиности его работы в разряд ваонейшх.

Цель работы - установить зависимости, определяющие оптимальные параметры электромеханической системы погружного электронасосного агрегата для снижения динамических нагрузок на валу электрод вигателя, вызванных пульсациями рабочей дидкости и повышения надедности электропривода.

Идея работы - заключается в повышении надежности электропривода погружных электронасосных агрегатов, достигаемое путем определения оптимальных параметров ступеней насоса и электромеханических показателей электродвигателя, позволяющих снизить динамические

нагрузки на валу электродвигателя, вызванных пульсациями рабочей жидкости.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анаше и обобщение результатов работы по оптимизации параметров и надежности электронасосных агрегатов, аналитические методы оптимального проектирования и теория надежности, математического и имитационного моделирования, теории вероятности и математической статистики, вычислительный эксперимент.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна:

- установлены закономерности формирования динамических нагрузок на валу электродвигателя погружного насоса, учитывающие величины пульсаций рабочей жидкости в зависимости от геометрических форм ступеней насоса;

- определены оптимальные параметры геометрических форм ступеней погружного насоса для снижения динамических нагрузок на валу электродвигателя и установлено их влияние на показатели надежности электронасосного агрегата;

- установлены оптимальные соотношения между показателями электромеханической системы, позволяющие достичь максимального снижения динамических нагрузок, вызываемых возникающими пульсациями рабочей жидкости;

- получены зависимости для расчета нагрева обмоток электродвигателя, учитывающие величину пульсации рабочей жидкости в ступени насоса, ианос изоляции статорной обмотки, выпадение механического осадка и нарушение течения охлаждающего потока. Установлено влияние этих явлений на надежность электропривода.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы заключается в том, что математические и имитационные модели удовлетворяют физически обоснованным допущениям и корректности исходных предпосылок постановки задач, методов их исследования и результатов сравнительной оценки по критерию надежности и экономической эффективности на основе вычислительного эксперимента.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования динамических нагрузок на валу электродвигателя погружного электронасосного агрегата, в зависимости от пульсаций рабочей жидкости, и оптимальных параметров электромеханической системы погружного электронасосного агрегата для повышения уровня надежности его электропривода.

Практическое вначенне. Данная теоретическая работа - закон-

- б -

ценное исследование, в котором решение доведено до конечных расчетных формул. ПроввдоЕЛоо, на основе математических водолей и методов расчета, кмитацзошое моделирование позволяет определить величину дипгкйчсскях ватруаок на валу электродвигателя псгруяного насоса в аависшости от пульсаций рабочей яидкссти , определить опткиадьЕыэ CEpssarpa геометрических ферм ступеней нгссса н уровень надешюсти злектрозаоосного агрегата с учетом показателей электромеханической системы, при которых достигается макокяальиое снияение динамических нагрузок электропривода. Определен срок слукбы электродвигателя на основе его теплового расчета.

Результаты работы использованы для внедрения на "Энергомеханическом заводе" АО "Тулауголь" г. Новомосковск.

Апробация работы. Основные положения диссертационной роЗоты и ее отдельные разделы докладывались на научно- технических коифере-ницях професхжрско-прэсодавахельского состава Тульского государственного уннверститета (г. Тула 1995-1996 г.); на научно-технической конференции "Электроснабжение, электрооборудование, электросбережение". (г. Новомосковск 21-22 ноября 1996 г.); на Технических советах заводов "Насосного и бурового оборудования" и "Знергомеха-нического" г. Новомосковск.

Публикации. По теме диссертации опубликовано две статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, содержит ЭО рисунков, 23 таблицы, список литературы из 110 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В последние годы кногкыи исследователями ставились вопросы научного обоснования рациональных параметров погружных элактрона-сосных агрегатов для повшения их надежности на основе оптимизации конструкции самого насосного агрегата и подпятникового узла электродвигателя.

В комплексе электромеханическая система погружного электронасосного агрегата не рассматривалась и не учитывались поэнущаоаие воздействия, влияющие на функциональную надежность системы.

Отсутствие комплексного анализа возмущающих воздействий, действующих на электромеханическую систему, и сугубо зкепереиен-тальный подход к повнззшээ надежности погружных электронасосных агрегатов без учета свойств электромеханической скстены но позволили достичь требуемого уровня обоснованности их параметров и на-

дежности.

Анализ работ в области создания погружных электронасосных агрегатов показал, что одним из направлений повышения уровня обоснованности их параметров и надежности является оптимизация параметров электромеханической системы с учетом влияния вогмущающих воздействий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- г~овести научное обобщение выполненных исследований по режимам работы и эксплуатационной надежности погружных элетронасос-ных агрегатов, возмущающих воздействий, действующих на электромеханическую систему, методов определения их оптимальных параметров и надежности;

- провести математическое моделирование формирования пульсаций рабочей жидкости в погружном электронасосном агрегате для исследования влияния ее энергетических характеристик на показатели надежности ступени насоса и динамические нагрузки на валу электродвигателя;

- определить оптимальные параметры ступени погружного насоса для снижения динамических нагрузок на валу электродвигателя и повышения его надежности;

- установить соотношения между показателями электромеханической системы погружного электронасосного агрегата для определения оптимальной жесткости электродвигатля, обеспечивающей максимально возможное снижение динамических нагрузок на валу электродвигателя, вызванных пульсациями рабочей жидкости в погружном электронасосном агрегате, и ее устойчивость;

- определить оптимальные параметры электромеханической системы погружных электронасосных агрегатов и их влияние на установление системы показателей ее надежности;

- определить параметры электродвигателя по критерию надежности с учетом стабильности его теплового баланса и провести вычислительный эксперемент по расчету эффективности проведенных оптимизационных мероприятий и расходу электроэнергии погружным электронасосным агрегатом.

Анализ выполненных исследований по режимам работы и эксплуатационной надежности погружных электронасосных агрегатов позволил установить распределение их отказов:

Распределение отказов в погружных электронасосных агрегатах

Таблица 1

N отказавший угол погружного всоос-ного агрегата послздствиэ отказа количество отказов от обззго чшга отрог., X

1 2 3

1 Упорный подшт-ник Закдшнвагоэ, ос-1 танов. 30

2 Нарушение изоляции обмотки статора Замыкание, останов агрегата. 30

3 Износ направляющего аппарата Снижение подачи, возрастание нагруз ки, останов 7

4 Износ рабочих колес Сшшэние подачи, возрастание нагрузки, останов 13

5 Деформация вала Заклинивание агрегата, останов 4

6 Прочие износовые отказы Выход иэ строя вту лок, подшипников, уплотнителей 16

В таблице 1 - 80% отказов, за исключением двух последних, вызванно пульсациями рабочей жидкости в погружном электронасосном агрегате и охлаждающей в электродвигателе, в которых содержаться взвешенные частицы. Максимально достигнутая надежность уплотнений не исключает полную защиту от проникновения механических частиц.

Пульсации рабочей жидкости влияют на величину динамических нагрузок на валу электродвигателя, вызывают пульсации в окяаздаю-щей его жидкости и создают ыедду корпусом и обсадной трубой турбулентное течение, вызыващее кавитацию. Наличие пульсации рабочей и охлаждающей жидкостей с абразивными частицами вызывает износ упорного подшипника (заклинивание и останов), обмоток статора (пробой изоляции), износ рабочих колес и направляющего аппарата (снижение подачи, останов). ~

Кавитация рабочей жидкости между обсадной трубой и корпусом электродвигателя и выпадение осадка в охлаждающей жидкости, вызванное износом изоляции обмотки статора, приводят к нарувенкю об-

щего теплового баланса электродвигателя. Кроме того, пульсации рабочей жидкости приводят к изменению амплитудных значений скольжения электродвигателя. Изменения скольжений вызывают изменение активного сопротивления обмотки ротора погружного электродвигателя. При этом нагрев обмотки ротора и его частей усиливается, теплопередача черев завор между ним и статором ускоряется. Этот процесс приводит к дополнительному нагреву ротора, ухудшая общие показатели надежности системы.

Пульсации формируются элементами насоса, которые являются деталями сложной конфигурации, где скорость движения воды меняется по величине и направлению в условиях неустойчивого отрыва потока, при котором срываются с поверхности элемента и уносятся по течению вихри различных размеров. Неустойчивость процесса проявляется в турбулентных пульсациях давления и скоростей,в сложном, пространственном течении, в характерных сечениях элементов погружных электронасосных агрегатов.

Пнорготичоские показатели пульсаций определяются интенсивностью вихревых структур, характеризуемых коэффициентом Эйлера Ей. в общем виде имеющего критериальную зависимость Еи=£Чф,К,П, где: Ф - коэффициент подачи; К - коэффициент кавитации; Р геометрические параметры колеса насоса в относительных единицах.

Определение оптимальных параметров ступеней погружных элект ронасосных агрегатов заключается в установлении минимального значения Ей путем оптимизации параметров правой части критериальной зависимости. Поскольку ф и К зависят от Р. то геометрические параметры колеса являются определяющими в формировании величины Ей.

основными конструктивными соотношениями геометрии рабочих колес погружного электронасосного агрегата, определяющими величину Р - являются: Рпо/Ог; Бо/Ог; Ьг/Ог; где: БПо - диаметр покрывного диска, м; 0о - диаметр ведущего диска, м; Бг - наружний диаметр колеса, м; - ширина колеса на входе потока в колесо, м; е. -диффузорность канала колеса.

Приведенные соотношения определяют коэффициент а в формуле интенсивности вихреобразования 1еэе=а1+П11(?(0/«023), которая является частным случаем зависимости определяющей коэффициент Эйлера, где логарифм величины зоны активного потока, характеризующий интенсивность вихреобразования; а1 - коэффициенты полинома; гц -коэффициенты полинома при безразмерной подаче, 0<1<9; 1<1<2, тогда в развернутом виде имеем:

= ао + щ1гГ0/(ь>02Э)3 - а1(0поЛ)2) -

- а2(10Ь2/Е>2) - аз(10О - а4(/Шо/[)2)+ + п2Пг(0/«(023))]2 + а5(0„о/1>2)2 + + ав(10Ьг/0г) +«7(100 +ав(Л0оЛ)2). (1)

Проведенное научное обобщение и анализ экспериментальных исследований режимов работы погружных влектронесосиых агрэгатоапоэво-лил установить эмпирическую модель, свявыгезздуп Оееразигрзую энергию пульсаций относительной скорости с рабочими характеристиками ступени насоса:

1г(10Е„) - - 5.62 + 10.271^ - 6.31 1г(ю4) + 7.33ч -

- 3.43С1г(П]2 + 1.16[1в(104)]2 - 8.74ц2. (2)

где: д - коэффициент заполнения колеса; Г - частота вращающейся решетки, Гц; е. - диффузорность канала.

На основании эмпирической модели (2), которая определяет границы области оптимальных режимов работы погружных электронасосных агрегатов установлены коэффициенты полинома (1) в развернутом виде: ао=1.15; 31=0.56; аг=0.32; аз=1.62; Э4=1.84; аб=0.12; а§=0.17; а7=1.33; ав=3.15; щ=1.58; Пг=0.38.

Варьируя параметрами 0.4<0Пс/02<0.7; 0.КДЦуТ^О.З; О.4<10Ьг/02<1.4; 0<£,<0.6; 0.1<я<0.5 проведен оптимизационный поиск по разработанному алгоритму расчета для установления геометрических соотношений рабочего колеса, при которых достигается минимум амплитуды пульсаций, с надежностью получения результатов расчета р=0.95:

1£(0/*В23) = - 2.473 + 0.488*1СГ2п3

0поЛ)2 - 1.13 +0.31е(0ЛЮ23)

ЛОо/Ог = 0.617 + 0.2221г(0/«023)

10Ь2/02 - 3.07 + 1.19 1г(0/«С>23), (3)

где п3 - быстроходность погружного насоса;

По системе соотношений (3) для конкретного типоразмера погружного зяектронасосного агрегата подстановкой Бг определяются оптимальные геометрические параметры колеса, которые обеспечивают его работу с минимальными энергетическими характеристиками пульсаций рабочей жидкости.

Оптиыальные геометрические параметры ступеней насоса обеспечивают достижение снижения величины амплитуды пульсаций на 23.4-25 X.

Дополнительное снижение пульсаций возможно за счет исследования переходных процессов в электромеханической системе, для выбора оптимальной жесткости электродвигателя, поскольку упругая механическая связь между электродвигателем и насосом оказывает денпфнру-

ющее воздействие на электромеханическую систему.

Рассматривая уравнение динамики погружного электронасосного агрегата как двух массовой электромеханической системы, была равра-ботана ее структурная схема (рис.1)

Структурная схема электромеханической систеш погружного электронасосного агрегата

«о

«г

К/р

M Mcl

8/ТэРИ -< 1/JlP

«1

»2

Ml2

ф С12/Р Т® 1/J2P "

М12

<jU

Рис.1

где: wo.ui.w2 - угловые скорости соответствующих точек структурной схемы, рад/с; в - жесткость электродвигателя, Н*м*с; Т8 -электромагнитная постоянная; M - магнитный момент, Н*н; Uci - момент сопротивления электродвигателя, Н*м; Мег - момент сопротивления на валу насоса, Н*м; ciг - коэффициент упругости; Ji - момент инерции электродвигателя, кг*ы2; J2 - момент инерции насоса с учетом массы перекачиваемой воды, кг*м2.

В структурной схеме величина момента Мег вквочает две составляющие - линейную и периодическую, которые определяется энергетическими параметрами пульсаций рабочей жидкости: peHQ

Мс2=-i-AntSintnAu/E) (4)

«П3600

где: р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; H - напор насоса, м; Q - подача, м3/с; « - угловая скорость,с-1; и - КПД насоса; Аи - амплитуда пульсаций момента сопротивления, Н*м; Дм - амплитуда пульсаций угловой скорости,с-1.

Проведены научные обобщения и анализ экспериментальных исследований режимов работы погружных электронасоскых агрегатов, в результате которых установлено, что для ЗЦВ 8-16-140, H -160-0.1QZ*0.3Q и п - 0.07Q-0.00176Q2. Подстановкой H и Q в (4) оп-

ределена обобщенная эмпирическая зависимость для Мс2-

Энергетические показатели в (4) установлены в результате расчета по зависимостям (1-3), где: Ащ » 5.12 Н*м; Да - 3.14 с-1.

Для определения обобщенных параметроз, позволявши установить максимально возможную степень ватуханш посебакий в вле!ит?с^зхаж1-ческой системе погружного электронасоспего агрегата м езстиость электродвигателя, определена передахочггз функция по структурной схеме (рис. 1).

На основе научного обобщения и аиаиша релимов работы погружных электронасосных агрегатов иощностью 12 кВт, для определения коэффициентов, постоянных времени и входных и выходных величин элементов структурной схеме электромеханической системы установлено: номинальная угловая скорость «н.нам = 307.72 1/с; номинальный момент электродвигателя Мном =39 Нм; критический момент Мк = 89.69 Н*м; жесткость в = 6.52 Н*ы*с; соотношение масс г = 2.2; частота колебаний системы Я=267.1 с-1; электромагнитная постоянная Тэ=0.03б.

По общеизвестным зависимостям проведены исследования изменения величины затухания колебаний, которые характеризуются логарифмическим декрементом Л, табл. 2.

Определение декремента колебаний

т<шицл

I—I-1-1-1-1-1-I-1-1-1

|0,|Н*м*с| 1 |8 I 16 [ 24 | 40 | 48 | 64 |67.2|

|--1---(--1-1-^-------)---------1----[--\

IX | |0.0951|0.870511.6864|2.59|5.0344|7.068|48.22|51.2|

I____1_______1_1__|_I_I_I___I_I_I

Из табл.2 видно, что максимальное затухание колебаний происходит если жесткость механической характеристики составит о - 67.2 Нам*с. Но такую жесткость механической характеристики погружного асинхронного электродвигателя конструктивно реализовать сложно, так как необходимо в десятки рае снизить активное сопротивление ротора. Поэтому проведены исследования переходных процессов в электромеханической системе погружных электронасосных агрегатах в диапазоне 0.1<в<67.2 Н*м*с с помощью 324 по типовым программам расчета. Результаты исследований приведены на рис.2 и рис. З.где на рис.2 - 1- логарифмическая фазовая характеристика; 2 - логарифмическая амплитудно-фазовая характеристика (ЛАФХ) при 0=1; 3 - при В=6.52; 4 - при В = 15.1. На рис.3 приведен график изменения корней уравнения.

I

- 12 -

Логарифмические характеристики SMC погружного электронасосного агрегата

L(«)

20 10 О -10

0.01 0.1 1 10 100 lg(u) Рис.2

Поведение корней характеристического уравнения

Рис.3

Из рис.2 и рис.3 видно, что для погружных электронасосных агрегатов с модностью электродвигателя 12 кВт при в - 6.52 Н*м*с электромеханическая система является неустойчивой за счет некомпенсированных пульсаций рабочей жидкости. Система становится устойчивой при В = 15.1 Н*м*с, что позволяет при увеличении жесткости механической характеристики в 2.3 раза снизить амплитуду пульсаций момента нагрузки на 17 г. Таким образом достигнуто макси-

мальное возможное снижение амплитуды пульсаций и гашения колебаний в ЭМС на 40.4-52 7., что в свою очередь позволит стабилизировать тепловой режим погружного электродвигателя, поскольку он имеет ограниченную нагревостойкооть. применяемую в настоящее время изоляции обмоток статора не превышающей 60 °С для полихлорвинила и ВО °С для полиэтилена, в го время как самый нивкий класс нагрввоотой-кости изоляции электродвигателей общего назначения (клеос Е) допускает нагрев до 120 °С.

Проведен тепловой расчет электродвигателя серии ПЭЩВ 12-140 с учетом воаникладих в полости насоса пульсаций рабочей жидкости, кавитации за корпусом статора, гидроайразивного ивноса изоляции обмотки и выпадения осадка, ухудшающего теплоотдачу.

Пульсации на входе в электронасосный агрегат приводят к кавитации за корпусом электродвигателя, которая сопровождается образованием паровоздушных каверн, покрывавших корпус электродвигателя и ухудшающих его теплоотдачу окружающей воде. Кроме того, это приводит к нарушению равномерности обтекания потоком охлаждаемой поверхности погружного электродвигателя, что усиливает снижение эффективности его охлаждения.

Получена зависимость, учитывающая влияние пульсации рабочей жидкости на величину кавитации за корпусом электродвигателя:

9 < 2 2

Чо -чо «

Л^тр = М - + Х2 --(5)

2г 2г

где: XI, Хг - коэффициенты входа потока в погружной электронасосный агрегат, равные А1=1.2, Хг=0.3; чо - скорость на входе в насосный агрегат, м/с; уо'2 - амплитуда пульсаций скорости на входе в электронасосный агрегат, и/с; ы - относительная скорость на входе в агрегат.

По общеизвестной формуле рассчитывался допустимый кавитацион-ный запас ДЬд. Если Дйтр > ДЪд, то за стенками корпуса электромеханической системы будет возникать кавитация, ухудпая охлаждение электродвигателя. Установлено, что при кавитации паровоздушный кавернами покрывается четвертая часть поверхности двигателя, а скорость обтекания снижается примерно вдвое.

Поскольку пульсации рабочей дидкости приводят к пульсациям охлаядающей жидкости в электродвигателе, то наличие абразивных частиц, степень концентрации которых в десятки раз превосходит допустимую, подвергает изоляцию обмотки статора интенсивному механн-

ческому износу. Это приводит к оголению проводников, замыканию и выходу погружного эдектронасосного агрегата из строя. Имеет место и электрический пробой изоляции в процессе ее механического износа. Износостойкость изоляции значительно ухудшается если температура в полости электродвигателя превышает допустимую для данного типа изоляции, что приводит к ее тепловому старению.

Для теплового расчета погружного электродвигателя разработана имитационная модель его теплового режима. Она включает тепловую схему замещения электродвигателя (рис.4) и зависимости учитывающие влияние пульсаций на тепловой режим.

Тепловая схема замещения погружного электродвигателя.

2Лвс1

Рис.4

В сх»ме использован принцип симметрирования относительно оси муцины. И представленной схеме узлы 1,2,3 фиксируют радиальные градиенты температур. Потери в лазоре представлены двумя источниками 4,5. Обмотка ротора представлена телом 6. Обмотка статора представлена телами 7,8,9 - пазовая часть, лобовая часть. Узлом 10 представлены потери на трение в подшипниках и потерями от пульсаций рабочей и охлаждающей жидкости. Корпус статора представлен четырьмя телами : 11 - корпусом в гюне ярма статора, 12 - корпусом в зоне пакета статора, 13 - корпусом в зоне лобовой части обмотки статора, 14 - корпусом в зоне осевого упорного подшипника.

Термические проводимости, обусловленные теплопроводностью в телах расчитывались по зависимости А = €.5/1, где: е. - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от равномерного распределения градиента температуры [<•■£,< 7; 1 - длина, м; Б - площадь поперечного сечения элемента, м2; X - удельная теплопроводность элемента, Вт/м°С; А - термическая проводимость, Вт/°С.

По схеме (рис.4) определялись термические проводимости в соответствующих узлах: Л1.эп> Л1.0Л - термические проводимости всып-ных обмоток, пазовой и лобовой частей соответственно; Лг1.Лг2.Лл-термические проводимости зубцов и яры, зазором ыежду пакетом статора и корпуса Л^а ~ пазовой пеоляцки Лпл. Лпг. Лиг» корпуса вдоль оси Л<с.Лко.к1.Л«1,Лк12. шссзагэпая проици^сста сбгдапа Дм» термическая проводимость от корпуса к окру^сщзЗ средо Лако.Лггй.Ла«2 термические проводимости в сово лобовых частей и корпуса Лл1.Ла.к1.

Дак2-

Потери мощности обозначались на схеме для соответствующего узла Рь Вт, где: 1<1<14; Рре _ потери в металле, Вт; Ртр - потери на трение, Вт; АРПуль - пульсационные потери, Вт; Рм - потери в меди, Вт; РДОб - добавочные потери, Вт.

Превышение температуры нагрева обмоток статора над температурой охлаждающей воды, с учетом пульсаций рабочей жидкости, влияющих на колебания электромеханической системы кмеют вид: п п

Е киР4 + Р1+ДРПУЛь Е Р 1=1,3=1 1=1

Л»! = - + --(б)

Л1 Ак

где: Л; - термическая проводимость тела к корпусу, Вт/°С; Ак -термическая проводимость корпуса к окружающей среде, Вт; кп - коэффициент влияния потерь на нагрев тела 1; ЕР - суммарные потери мощности в двигателе с учетоы пульсаций жидкости, Вт.

По схеме (рис.4) был выполнен расчет температуры превышения нагрева обмотки статора над температурой окружающей среды, с учетом параллельного или последовательного соединения элемента схемы. При этом термические проводимости ыедду отдельнши телами эквивалентной тепловой схеш определялись как:

2ЛкоЛкОа 2ЛмЛк1а 2ЛкгЛк2а

А« = - + - + -

2Лко+ЛкОа 2Лк1+Лк.1а 2Лк2+Лк2а - (7)

По зависимости (7) получено в системе с оптимальными параметрами Л« = 45.047 Вт/°С, в системе с неоптимизированными параметрами Лк.иэн = 161.736 Вт/°С.

ЛпАг,эп

Л13 = --(8)

Лп+Л1.эп+Лк-в-

По формуле (8) получено в системе с оптимальными параметрами Л13 = 80.909 Вт/°С, в системе с неоптимизированными параметрами А13иэн - 151.97 Вт/°С.

1

Л15----(9)

1/Л1+1/Л1й+1/2Лко • По формуле (9) получено в системе с оптимальными параметрами Л15 = 123.15 Вт/°С. в системе с неоптимгеированнши параметрами Л15иан - 127.489 Вт/°С.

Л1».л Ли Л*» + Л1.в, п

Л34 - - +--(Ю)

А1.э.л+Лл Лп + А1.Э. П + Ляв . По формуле (10) получено в системе с оптимальными параметрами Л34 - 81.576 Вт/°С, в системе с неоптимизированными параметрами ЛзДиэн - 81.576 Вт/°С.

2Лк1/\в.к1 2Лк Ла.к2 Л43 - - + --(И)

2Лк1+Лв.к1 2Лк2+Лв.к2 • По формуле (11) получено в системе с оптимальными параметрами Л43 - 138.977 Вт/°С, в системе с неоптимизированными параметрами Лдзизн - 73.91 Вт/°С.

Коэффициенты взаимного влияния: Л14Л34 + Л13Л14

к31-- (12)

Л11Л44 - Л214 ;

Лц А34+Л14Л13

к 34 = -

Л11Л44 - Л142 • (13)

По Формулам (12,13) кз1 = 0.293; кз1иэн - 0.4087; кз4 - 0.578; кз4изн = 0.86.

Эквивалентная термическая проводимость тела 3 к корпусу

Аз = Лзз - (кззЛз! + кз4Л4з) «=

= 162.485-(О.293*80.909+0.138*138.977) = 139.307 Вт/°С Лзизн=76.245 Вт/оС Сумма потерь в электродвигателе:

ЕР = PMl+Pj+Pzc+PFe+ДРпуль+Рб; (14)

где: РМ1 - потери в обмотке оратора, Вт; Pj - потери в ярме статора, Вт; Р2С - потери в зубцах статора, Вт; Pf0 потери в стали, Вт;

АРпуль - потери от пульсаций, Вт; Ре - потери в узле 6 тепловой схемы замещения, Вт.

При пульсациях в системе с неоптиыизированнши параметрами по формуле (14) и,пудь=3642.1 Вт.

При пульсациях в системе с оптимальными параметрами: ЕР»1682.4 Вт

Потери в эквивалентной схеме:

Р1 = Ррв1+1/2РТр+1/2РДоб

Рз = РтШ+АРпуль (15)

Р4 = Рт2+(П\«вх-1/2РТр) + 1/2Рдо«.

По гиг'томо уравнений (15): Г>1 - Г^'б.ПЬ Ит; Рц - «48.8 Нт;

Р4 = 642.45 Вт.

С неоптимизированными параметрами: Рзизн = 1709.5 Вт; Рщэн =

1640.75 Вт.

Превышение температуры оОмотки статора над температурой окружающей воды в общем виде

(кз.1Р1+кЭ4Р4+Рз) ЕР

о ----------+ -----••■ (16)

Аз Ак

По зависимости (16) для агрегата с оптимальными параметрами колес йопт - 4Ь. °С. Для агрегата с неоптимальнымн параметрами «>пуль " 64.66 °С.

Таким образом за счет снижения энергетических поазателей пульсаций, на основе определения оптимальных геометрических параметров ступени насоса и жесткости электромеханической систем температура нагрева обмоток снизилась на 19.21 °С, что соответстует 2.7 кратному увеличению сроку ее службы.

Прогнозирование надежности электронасосного агрегата проводилась с учетом интенсивности изнашивания элементов ступеней по квантилю вероятности безотказной работы, с учетом збразпвности среды: п - 1

ир = -

/

у' п2у2 + vi2 , где: ошибка прогнозирования соответствует допустимой вероятности 0.01. Здесь V = Бь/Д - коэффициент вариации размера. В случае расчета по предельно-допустимому изменению размера Д = ЬИач - Ьпред. а в случае увеличения зазора меаду колесом и направляющим аппаратом Д = ЬПрвд - ЬНач;

Д

п = - - условный коэффициент запаса по износу,

1УавЬ

вычисленный, как отношение средних значений допустимого износа Л к действительному 1Уав1 (линейному износу).

По вероятности безотказной работы по общеизвестным формулам определены остальные показатели надежности, срок службы (относительный) Т^/Топт. вероятность отказа интенсивность отказа

Расчет вероятности безотказной работы погружного электродвигателя велся с учетом вероятности безотказной работы упорного под-випника н обюткн статора.

Показатель вероятности беэоткавной работы упорного подшипника определялся так же по критерию износостойкости.

Увеличение срока службы обмотки статора от температуры нагрева.

Тсл.ч 8000

6000

4000 2000 О

О 4 8 12 16 £0 24 28 32 М°С рис. 3

Результат расчета основных показателей насоса приведен в табл.3

Показатели надежности погружных электронасосных агрегатов.

Таблица 3

Материал рабочих колес Р(Ь) сш ми Топт/Т1

Бронза 0.8849 0.1151 2*Ю"5 2.7

Чугун 0.9 0.1 1.7*10~5 2.3

Пластик 0.8643 0.1357 2.3*10"5 3.2

Пластик опт. 0.9554 0.0446 7.7*10~6 1

для полихлорвиниле-вой изоляции

/ ' для полиэтиленовой изоляции 11111

Экономический эффект проведенной оптимизации.

Таблица 4

Наименование показателя Обозначение Величина

Годовой экопсшческнй эффект оптимизации для насосов с - бронвовкми колесами - чугуншся кодесали - пластншвкш! колесами Эт.ер. РУб. Эг.ч. РУб. Эт.пл. РУб. 1.66 10® 0.92 10® 0.72 10®

Годовой расход электроэнергии - промыаленнки агрегатом - оптимизированного Аг.кВт ч. Аг.опт.«Вт ч. 113880 112741

Стоимость годовых энергозатрат на работу - промышленного агрегата - оптимизированного Сг, РУб. Сг. опт.РУб. 37011000 36640000

Экономический эффект по критерию энергосбережения ЭэС=Сг-Сг.опт руб. 371000

Суммарный экономический эффект ЕЭн.г.РУб. 1950000

Из таблицы 3 видно , что снижение энергетических показателей пульсаций на основе определения оптимальных параметров ступени насоса, жесткости и теплового режима электродвигателя повысило вероятность безотказной работы в 1.2 раза и срок службы в 2-3 раза погружного электронасосного агрегата.

Проведен вычислительный эксперемент с помощью ЭВМ с надежностью получения расчетных результатов 0.996 который показал, что снижение энергетических показателей пульсаций, максимально возможное повышение жесткости электродвигателя и эффективности его теплового режима приводят к росту экономического эффекта (табл.4)

Таким образом проведенная оптимизация параметров электромеханической системы позволила получить дополнительный годовой эффект в размере: £Э„.г«1млн.в50ткс.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является законченной научной квалификационной работой в которой содержится новое решение актуальной задачи, позволяющей определить оптимальные параметры ступени насоса, жесткости и теплового режима электродвигателя для повышения надежности электромеханической системы -погружного электронасосного агрегата за счет снижения динамически« нагрузок на валу электродвигателя, вызванных пульсациями рабочей жидкости, и уменьшения расхода электроэнергии погружным электронасосным агрегатом.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель переходных процессов рабочей жидкости в погружных электронасосных агрегатах для исследования влияния ее пульсаций на показатели надежности ступени насоса и формирование динамических нагрузок на валу электродвигателя.

2. Определены оптимальные параметры геометрических форм ступеней погружного насоса, что позволило достичь снижения динамических нагрузок на валу электродвигателя на 23.4 - 25 Z. Установлено их влияние на показатели надежности электронасосного агрегата.

3. Установлена максимально возможная жесткость электродвигателя, соответствующая 15.1 Н*м*с, при которой обеспечивается снижение амплитуды момента нагрузки на 17 Z.

4. определены зависимости для расчета нагрева обмоток электродвигателя, учитывающие величину пульсаций рабочей жидкости, кавитацию аа корпусом электромеханической системы, гидроабразивный износ изоляции обмоток статора и выпадение механического осадка, а так же изменение активного сопротивления за счет скольжения и установлено их влияние на надежность электропривода.

5. Получены зависимости для расчета уровня надежности погружного электронасосного агрегата и его электропривода, по которым установлено, что его вероятность безотказной работы повысилась в 1.2 раза и увеличился его срок службы в 2-3 раза.

6. Проведен вычислительный эксперимент для определения эффективности разработанных оптимизационных рекомендаций по системе критериев: энергетическому, формы напорной характеристики, экономического эффекта за счет повышения надежности, улучшения основных показателей надежности и энергосбережения. По всем указанным критериям эффективность оптимизации была подтверждена и достигнутым экономическим эффектом от ее применения, который составил 1950 тыс. руб.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих статьях:

1. Степанов В.М., Ершов C.B. Стенд для испытания погружных электронасосных агрегатов//Механизация горных работ на угольных шахтах: Сб. ст./ТулГУ. - Тула,1994. - с. 15-18

2. Степанов В.М., Ершов C.B. Совершенствование устройства для снижения осевого усилия в упорном подшипнике погружного электронасосного агрегата//Механизация горных работ на угольных шахтах: Сб.

СТ./ТулГУ. - Тула, 1994. - с.36-39.

Печ. л. ¿¡¿f ТиРаж WC__Заказ НЧб _

"""Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.