ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЮ РОТОРА ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОКОМПРЕССОРА

В настоящее время сотрудники «Мехтурбо» осуществляют НИР и ОКР по теме «Высокоскоростной электрокомпрессор на лепестковых газодинамических подшипниках». Разработано и изготовлено два «пилотных» образца мощностью N=12 кВт и частотой вращения ротора n=80 тыс.об/мин, которые имеют одинаковую ходовую часть (ГАГЛИ-010 – синхронный электропривод с ротором на постоянных самарий-кобальтовых магнитах), но отличаются геометрическими размерами проточных частей (рабочими колесами компрессора, диффузорами, улитками). В этих изделиях применены лепестковые газодинамические подшипники (ЛГП) нашего производства. Принятая концепция конструкции «модульного типа» расширяет возможности использования изделий под различные задачи потребителя.

При доводочных работах и в научных целях было проведено дополнительное исследование с целью определения суммарных потерь на трение и вентиляцию ротора электрокомпрессора (ЭК).
Расчетная методика определения «Потерь» основана на вычислении кинетической энергии вращающегося тела (в данном случае – ротора) и в предположении, что эта энергия тратится при останове ротора в процессе выбега на преодоление сил трения о воздух в ЛГП, на общую вентиляцию ротора и на прочие потери. Для вычисления мощности потерь на трение по этой методике необходимо иметь точную «привязку» частоты вращения ротора к временным интервалам при выбеге, а также знать полярный момент инерции ротора. Для осуществления корректных измерений «Потерь» необходимо снять с ротора колесо компрессора. В собранном роторе (без колеса компрессора) полярный момент инерции равен J=0,0001956 кг*м2 – этот параметр был получен расчетным путем (по 3D модели).
Была собрана ходовая часть ЭК без установки колеса компрессора. Во время проведенных испытаний при выбеге ротора были зафиксированы частоты вращения с привязкой к временным интервалам. Выбег ротора с частоты вращения 80 тыс.об/мин до полной остановки составил в данном случае около 30 секунд, окружающая среда – воздух, давление – 1 атм. Результаты расчетов приведены ниже.

На графике отчетливо виден момент перехода ЛГП из режима газовой смазки на режим сухого трения при выбеге (т.е. при останове); очевидно, что при запуске картина суммарных потерь будет аналогичной. Таким образом, для данного конкретного ротора при частоте вращения до 15 тыс.об/мин лепестковые газодинамические подшипники работают в режиме сухого трения, на частотах вращения от 15 до 25 тыс.об/мин имеет место смешанный режим, и на частотах вращения более 25 тыс.об/мин подшипники устойчиво работают в режиме газовой смазки (при этом отсутствуют механические контакты между вращающимся ротором и неподвижными деталями статора).
Было установлено, что суммарная мощность потерь на вентиляцию ротора ходовой части ГАГЛИ-010 составляет около 500 Вт при частоте вращения 80 тыс.об/мин, 300 Вт при частоте вращения 60 тыс.об/мин и 150 Вт при частоте вращения 40 тыс.об/мин.
Максимальная мощность потерь в режиме сухого трения ЛГП (при частоте вращения 15 тыс.об/мин) составляет около 330 Вт.
Для лучшего понимания величины потерь (много это или мало?) на рисунке приведены габариты исследуемого ротора (без колеса компрессора). Втулки радиальных подшипников имеют диаметр d26 мм, диаметр пяты – d72 мм. Масса ротора (без колеса компрессора) составляет 1,1 кг.

Следует уточнить, что «суммарная мощность потерь ротора», приведенная на графике, включает в себя три составляющие: суммарные потери в газовом слое ЛГП (двух радиальных и двух осевых подшипников), суммарные потери на трение и вентиляцию внешних поверхностей ротора, и потери на перемагничивание статорного железа от вращающегося магнита.

Запуск и останов электрокомпрессора на ЛГП без нагрузки

На видеоролике показан момент запуска ходовой части электрокомпрессора (N=12 кВт, n=80 тыс.об/мин) на лепестковых газодинамических подшипниках без нагрузки (т.е. без колеса компрессора) и выбег ротора с частоты вращения 80 тыс.об/мин до полной остановки. Время разгона составляет 3-4 секунды, время выбега – около 30 секунд. Данные испытания проводились с целью экспериментального определения суммарной мощности потерь на трение и вентиляцию ротора.

2017 г.

Ключевые слова: Потери на трение и вентиляцию ротора, синхронный электродвигатель, электрокомпрессор, высокоскоростной электрокомпрессор на газовых подшипниках, газовые подшипники, foil bearings.