Высокоскоростные электрокомпрессоры на основе вентильных двигателей на подшипниках с газовой смазкой

Румянцев М.Ю., Прусаков А.С.

Московский энергетический институт (ТУ), кафедра ЭКАО.

Abstract: The design concepts of high-speed electric drives for perspective turbomachines with frequency of rotation of a rotor up to 200000 RPM and power considerations are discussed in thepaper. Application of the foil gasdynamic bearings and of the brushless DC motors is proved. The special attentionis given to problems of mechanical durability of a rotor and calculation ofthermal losses. Experimental data on the compressor, by capacity of 3,5 kW onfrequency of rotation 120000 RPM are resulted. The obtained results are treated in the form of the recommendations for future design.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, одним из направлений развития техники является разработка электромеханических систем со сверхвысокими частотами вращения ротора (до 200 тысяч об/мин) для создания эффективных центробежных компрессорови воздуходувок, турбогенераторов, холодильных агрегатов и других устройств.

В указанных устройствах исполнительными элементами являются одно или два центробежных колеса, закреплённых непосредственно на валу электрической машины (ЭМ), а в качестве опор используются подшипники с газовой смазкой. Применение подобных опор позволяет не только добиться повышения частоты вращения ротора, но и реализовать важную тенденцию развития современной техникипо созданию машин, не требующих смазки.

В работе рассмотрены вопросы разработки и исследования высокоскоростного центробежного безмасляного электрокомпрессора, предназначенного для сжатия атмосферного воздуха. Технические параметры электрокомпрессораприведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры электрокомпрессора

При создании высокоскоростных агрегатов возникает ряд специфических проблем, главными из которых являются:

• Выбор типа подшипников.
• Выбор типа привода.
• Обеспечение механической прочностиротора.
• Обеспечение теплового режимаработы.

ОПОРЫ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МАШИН

Для промышленного применения, как показывает практика, из всего многообразия известных подшипников с газовой смазкой наиболее перспективным типом опор являются лепестковые газодинамические подшипники [1].

Данные опоры образованы совокупностью упругих металлических пластин - лепестков, которые закреплены в неподвижном корпусе подшипника и плотно охватывают вращающиеся поверхности вала и/или подпятника. При вращении ротора в клиновых зазорах опор возникают зоны повышенного давления. При частоте вращения, называемой частотой всплытия n_вс, силы давления полностью отжимают лепестки опор от поверхностей ротора, в результате чего вал оказывается «подвешенным» в газовом слое. При правильно спроектированных лепестковых газодинамических подшипниках величина n_вс в 4-5 раз меньше номинальной частоты вращения ротора ЭМ. Газовый слой, удерживающий ротор во взвешенном состоянии, обладает высокой жесткостью, что исключает механический контакт и, соответственно, износ подвижных и неподвижных частей подшипников при сверхвысоких частотах вращения. Тем самым достигается ресурс работы машины, исчисляемый десятками тысяч часов. Важным достоинством лепестковых газодинамических подшипников являются их высокие демпфирующие свойства и способность к самоустановлению ротора, обусловленные тем, что податливость пакета лепестков существенно выше, чем податливость газового слоя. В результате, подшипники могут отслеживать колебания вала, вызванные, например, вибрацией и тряской корпуса, компенсировать тепловые деформации деталей и узлов машины, не предъявляют повышенных требований к чистоте рабочего тела. Кроме того, детали и узлы лепестковых газодинамических подшипников требуют меньших точностей и допусков при изготовлении, чем детали и узлы других типов высокоскоростных опор с газовой смазкой.

Однако, при проектировании ЭМ на лепестковых газодинамических подшипниках следует учитывать специфические особенности этого типа опор, главными из которых являются ограниченная несущая способность и повышенный пусковой момент.

Несущая способность характеризует способность лепесткового газодинамического подшипника выдерживать нагрузку, действующею на подшипники со стороны ротора в радиальном и осевом направлениях. Основными составляющими этой нагрузки являются вес ротора с учётом действия ускорений, вызванных условиями работы агрегата; сила одностороннего магнитного притяжения ротора к статору ЭМ, возникающая вследствие протекания электромагнитных процессов коммутации фаз и наличия технологического эксцентриситета, а также осевая сила реакции центробежных колёс. Несущая способность лепесткового газодинамического подшипника ограничена с одной стороны жёсткостью лепестков и габаритными размерами подшипника, а с другой стороны величиной мощности потерь в опорах. На практике для характеристики несущей способности лепесткового газодинамического подшипника используют величину удельной нагрузки на подшипник, величина которой определяется отношением нагрузки F к площади опоры S:

     (1)

Предельная величина удельной нагрузки составляет 3÷7 Н/см², а габаритные размеры лепесткового газодинамического подшипника назначаются по величине линейной скорости цапфы ротора (для радиальных подшипников) и по величине линейной скорости на наружном диаметре пяты (для осевых подшипников). Таким образом, для каждого типоразмера лепесткового газодинамического подшипника предельная нагрузка является практически заданной величиной.

В отличие от подшипников других классов, лепестковые газодинамические подшипники обладают повышенным пусковым моментом M_п, вызванным явлением сухого трения при частотах вращения ротора, ниже частоты всплытия. Величина этого момента соизмерима с номинальным моментом ЭМ, а в высокоскоростных машинах малой мощности зачастую превышает его, что необходимо учитывать при проектировании, как электродвигателя, так и системы управления им.

В таблице 2 приведены данные по скоростям всплытия n_вс  и пусковому моменту M_п  для ряда лепестковых газодинамических подшипников с различным диметром d цапф ротора.

 Таблица 2.

Параметры лепестковых опор

Нагрузка центробежных компрессоров носит вентиляторный характер, но наличие значительного момента сухого трения делает механическую характеристику ЭМ с лепестковыми газодинамическими подшипниками отличной от классической. На рис. 1. приведена характеристика М(n) нагрузки для разработанного воздушного центробежного электрокомпрессора. 

 Рис.1 Момент сопротивления на валу ЭМ

 Производство лепестковых газодинамических подшипников ведётся ООО «Турбоком-М», г. Москва, где разработан ряд радиальных лепестковых газодинамических подшипников с диаметром цапфы ротора 14÷70 мм и осевых лепестковых газодинамических подшипников с диаметром подпятника 30÷230 мм, что позволяет создавать высокоскоростные турбомашины мощностью от 0,3 до 75 кВт.

ПРИВОД ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МАШИН

 Для привода высокоскоростных турбомашин можно использовать только бесконтактные электродвигатели, наиболее перспективными из которых являются:

• Асинхронный частотоуправляемый двигатель (АД);
• Вентильный двигатель (ВД) с возбуждением от постоянных магнитов;
• Вентильно-индукторный двигатель (ВИД).

Как правило, при мощности более 300 Вт все указанные выше типы двигателей выполняются трёхфазными с электропитанием обмоток от специального электронного преобразователя (ЭЛП).

Выбор конкретного двигателя зависит от ряда факторов, главными из которых являются энергетическая эффективность.

Критерий энергетической эффективности не случайно выдвинут на первое место, ибо в конечном счёте именно этот показатель прямо или косвенно определяет все остальные. Действительно, при равной выходной мощности двигатель с бόльшим КПД потребляет меньше энергии, а значит стоимость его эксплуатации ниже. В таком двигателе меньше мощность потерь, поэтому при равных габаритах его элементы работают в менее напряжённых тепловых режимах, что повышает надёжность. И, наконец, меньшее выделение тепла упрощает систему охлаждения, что ведёт к уменьшению габаритов и снижению массы агрегата.

Для частотоуправляемых АД характерно потребление намагничивающего (реактивного) тока, величина которого может достигать до 20% номинального тока якоря. Это вызывает уменьшение КПД и коэффициента мощности (cosj). Другой особенностью АД является наличие мощности потерь в цепи короткозамкнутой (беличьей) клетки ротора, величина которых достигает 8-10% от общих потерь в ЭМ.

В последнее время получают распространение вентильно-индукторные двигатели. Принято считать, что главным достоинством ВИД явля-ется простота конструкции: зубцовый безобмо-точный ротор изготавливается из листов электротехнической стали, пазы статора полностью открыты, что позволяет выполнять фазные обмотки по схеме "зубец-катушка”. Различают ВИД с вентильным возбуждением (без специальной системы возбуждения) и ВИД с системой возбуждения. В первом случае, поток возбуждения создаётся за счёт протекания тока намагничивания подобно тому, как это имеет место в АД. Несмотря на простоту, подобные ВИД находят применение лишь при малых мощностях (до 300Вт), вследствие низких энергетических характеристик.

ВИД с системой возбуждения относятся к так называемым машинам с аксиальным потоком, в которых поток возбуждения, создаваемый либо катушкой возбуждения, либо постоянным магнитом, имеет осевую направленность. При этом неизбежно наличие нескольких паразитных воздушных зазоров, кроме того, величина главного воздушного зазора d по чисто технологическим причинам всегда превышает величину d для ЭМ с радиальным потоком. За счёт этого возникают дополнительные потери на возбуждение, возрастает расход активных материалов.

Известно, что частота перемагничивания стали статора при заданной частоте вращения ротора прямо пропорциональна числу пар полюсов ЭМ. В свою очередь, мощность потерь P_fe в железе статора с возрастанием частоты перемагничивания возрастает по степенной зависимости с показателем степени b =1,1÷1,7, поэтому для уменьшения величины P_fe желательно использовать двухполюсные ЭМ.

В тоже время, ВИД невозможно выполнить с двумя полюсами, поэтому мощность потерь в них всегда будет больше минимально возможной величины. Более того, для ВИД, также как и для АД, характерно наличие мощности потерь в цепи ротора.

Из вышеназванных электродвигателей, ВД с возбуждением от постоянных магнитов теоретически обладают наибольшей энергетической эффективностью, т.к. не требуют дополнительной энергии на возбуждение, не потребляют из сети реактивного тока, не имеют потерь в роторе. Исследования показывают, что при прочих равных условиях ВД по потребляемому из сети тока эффективнее примерно на 20%, чем АД и на 5-10%, чем ВИД. Поэтому именно ВД является наиболее перспективным типом ЭМ для создания высокоскоростных турбомашин [2], и именно этот тип электродвигателя был разработан для центробежного воздушного электрокомпрессора.

РОТОР ЭЛЕКТРОКОМПРЕССОРА

При выборе материала постоянных магнитов для роторов высокоскоростных ЭМ необходимо учитывать, что узлы подобных машин работают в условиях предельных механических и температурных нагрузок.

Ротор электрокомпрессора выполнен из сплава 25Х15К, содержащего 15% кобальта и 25% хрома. Достоинством хром-кобальтовых магнитов является то, что заготовки допускают механическую обработку, включая нарезание резьбы и точение на обычных металлорежущих станках, что позволяет выполнять ротор монолитным, т.е. целиком из постоянного магнита, что существенно упрощает технологию и снижает стоимость изготовления ЭМ. Но самым важным достоинством этих сплавов являются их уникальные, по сравнению с другими магнитами, механические свойства [3]: плотность g 7,65–7,8 г/см³, предел текучести s_t 400-440 МПа в закалённом состоянии и 700-750 МПа в высококоэрцитивном состоянии, твёрдость по Роквеллу 20 HRC в закалённом состоянии и 38-40 HRC в высококоэрцитивном состоянии. Механические свойства заготовок формируются в процессе холодной или горячей деформации, от режимов которой практически не зависят магнитные свойства материала.

На рис.2 показаны расчётные значения предельных диаметров D_пр монолитных роторов ВД в зависимости от частоты вращения n и прочности материала s_t. Величины D_пр рассчитаны из условия равенства эквивалентного s_экв и допустимого s_доп напряжений с учётом коэффициента запаса по частоте вращения k_зап = 2,4. Соответственно, s_экв определяется выражением для максимального напряжения во вращающемся сплошном цилиндре с радиусом r:

  (3)

  m = 0,3 – коэффициент Пуассона, g = 7,6 г/см³ – удельный вес материала, w = 2pn/60 – угловая частота вращения ротора, g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения. 

Рис. 2. Предельные диаметры монолитных роторов

 Ориентируясь на полученные значения предельных диаметров роторов нетрудно рассчитать предельную мощность ВД и, соответственно, предельный вес монолитного ротора. Как показывает практика, последняя величина очень хорошо согласуется с величиной предельной несущей способности ЛГО.

РАСЧЁТ МОЩНОСТИ ПОТЕРЬ

 Для анализа работы высокоскоростных ВД с лепестковыми газодинамическими подшипниками необходимо определить составляющие мощности потерь в элементах машины, главными из которых являются потери в меди обмоток статора P_cu, потери в стали статора P_fe, потери в лепестковых газодинамических подшипниках P_ЛГО и потери трения ротора о воздух P_тв. Величина P_cuопределяется по формуле:

  (4) 

Здесь R_ф = 46 мОм – сопротивление фаза ЭМ, I_d – среднее значение тока в шине постоянного тока.

Величина P_fe складывается из складывается из мощности потерь в зубцах и ярме статора и определяется по формуле:

(5) 

Здесь P_уд – удельные потери в стали статора, f^* - относительное значение частоты перемагничивания, B^* - относительное значение индукции в зубцах и ярме статора, M_z и M_j – соответственно масса зубцов и ярма.

Для статоров высокоскоростных ВД используются электротехнические стали марки 2421 (ТУ 14-1-3022-8) [3] с толщиной листа 0,18 мм. Удельные потери в этих сталях составляют 5,8 - 7,2 Вт/кг при ¦ = 400 Гц и В = 0,75 Тл. Значения коэффициентов пересчёта потерь a и b составляют, соответственно, 1,5÷2 и 1,1÷1,7.

Мощность потерь в лепестковых газодинамических подшипниках может быть определена по формуле:

(6) 

Здесь m - коэффициент динамической вязкости газа, w - угловая частота вращения ротора, R и L- соответственно радиус и длина опоры, h - толщина газового слоя.

Строго говоря, толщина газового слоя h зависит от режимов работы ЭМ, но в режиме холостого хода можно считать эту величину неизменной.

Величина Р_тв  определяется по формуле:

(7)

М_трв – эквивалентный момент трения ротора о воздух, определяемый по формуле [4]:

Здесь n - частота вращения ротора [об/мин], p*- относительное давление среды в долях атмосферного, l_р – относительная длина ротора, D_р - диаметр бочки ротора [см].

Результаты вычислений составляющих мощности потерь по формулам 4-7 приведены на рис.3.

Рис.3 Составляющие мощности потерь

Анализ полученных данных позволяет сделать важный вывод о том, что основную долю мощности потерь в высокоскоростных электрических машинах составляют потери на трение о воздух, потери в опорах и потери в стали. Этот факт необходимо учитывать при проектировании таких машин и их системы охлаждения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пешти Ю.В. Газовая смазка Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1993.
2. Антонов А.Н., Глухов С.Д., Жердев А.А., Крючев А.А. Применение вентильных двигателей в качестве привода холодильных компрессоров// Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. Машиностроение. Спец.выпуск «Криогенная и холодильная техника» 1998 г., с. 127-134.
3. Прецизионные сплавы. Справочник// Под ред. Молотилова Б.В. – М.: Металлургия, 1983.