СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ВЕРХНЕГО ПРИВОДА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относиться к области горной техники, а более конкретно к буровым установкам, использующим систему верхнего привода, содержащую электродвигатели с воздушным охлаждением.
Известна конструкция системы воздушного охлаждения электродвигателя верхнего привода буровой установки, использующей вентилятор, закрепленный на валу электродвигателя. В процессе работы вентилятор создает аэродинамический напор, под действием которого осуществляется наружная и внутренняя вентиляция элементов двигателя. С этой целью в корпусе и подшипниковых щитах машины делают специальные каналы, через которые воздух из окружающей среды проникает внутрь машины, охлаждает ее, а затем выбрасывается наружу. [http://leg.co.ua/info/elektricheskie-mashiny/sposoby-ohlazhdeniya-elektricheskih-mashin.html].
Основным недостатком описанного выше аналога является малая эффективность системы охлаждения, особенно для тех случаев, когда двигатель работает с регулировкой частоты вращения «вниз» от номинальной. При малой частоте вращения напор воздушного потока снижается, и вентиляция становится слабой, что ведет к чрезмерному перегреву машины.
Известна конструкция системы воздушного охлаждения электродвигателя верхнего привода буровой установки, использующей автономный вентилятор с собственным приводом, что уменьшает влияние основного недостатка вышеописанного аналога. Частота вращения автономного вентилятора не зависит от режима работы охлаждаемого электродвигателя. В этом случае вентилятор через систему воздуховодов нагнетает поток воздуха непосредственно в корпус машины, где, обтекая ее тепловыделяющие элементы (например, обмотки статора и ротора), выбрасывается наружу через щелевые отверстия в нижней части корпуса [RU 1185501].
К недостаткам этого аналога следует отнести недостаточную интенсивность охлаждения электродвигателя, что особенно важно для приводов, работающих в тяжелых режимах нагружения.
Наиболее близким к полезной модели по совокупности существенных признаков является конструкция системы воздушного охлаждением электродвигателя верхнего привода буровой установки, состоящая из центробежного вентилятора с воздухозаборным устройством. Эта разновидность вентиляторов создает более высокое напорное давление на выходе, чем осевые вентиляторы. Центробежный вентилятор охлаждения приводится во вращение от собственного электродвигателя, установленного сверху бурового двигателя переменного тока. Воздух в систему поступает через воздухозаборное устройство, являющееся одновременно кожухом тормоза, затем он проходит по жесткому трубопроводу и поступает во внутренние продольные каналы пронизывающие магнитопроводы и их обмотки через отверстия, расположенные в верхней части двигателя. После прохождения через внутреннее пространство бурового двигателя переменного тока воздух выходит через отверстие, расположенное в днище двигателя.
Недостатком описанной выше системы охлаждения двигателя является то, что передача тепла от нагретых узлов и деталей двигателя к воздушному потоку, движущемуся в ламинарном режиме несмотря на высокое давление, происходит в пассивной форме, при этом теплообмен между излучающими поверхностями осуществляется в пограничном (пристенном) слое. Однако интенсивность теплообмена между излучающими поверхностями и потоком воздуха определяется, в первую очередь, наличием вязкого подслоя, являющегося мощным термическим сопротивлением, препятствующим теплообмену. Как аналоги, так и прототип не способствуют разрушению вязкого подслоя в силу ламинарного характера движения воздушного потока.
Таким образом, задачей полезной модели является повышение эффективности теплообмена между излучающими частями электрической машины и взаимодействующим с ними потоком воздуха.
Поставленная задача решается за счет того, что в системе охлаждения электрического двигателя верхнего привода буровой установки, включающей вентилятор с автономным приводом и системой внутренних каналов, преимущественно размещенных внутри двигателя, между системой каналов двигателя и вентилятором установлено средство, создающее воздушный вихрь, представляющее собой обечайку, на внутренней поверхности которой установлены наклонные направляющие лопатки, обеспечивающие закручивание воздушного потока. Лопатки установлены под углом от 3° до 5° к продольной оси вентилятора.
Техническим результатом полезной модели является то, что поток воздуха, формируемый в обечайке, образует вихревую структуру, разрушающую вязкую часть пристенного слоя охлаждаемых элементов двигателя, чем значительно улучшает условия теплообмена охлаждаемых элементов.
На прилагаемом к описанию полезной модели чертеже дано схематическое изображение общего вида двигателя с предлагаемой системой охлаждения.
Система охлаждения двигателя верхнего привода буровой установки включает электрический двигатель 1 с системой внутренних продольных каналов 2 и 3 и снабжен системой охлаждения в виде центробежного вентилятора 4, связанного с автономным приводом 5, кожуха 6, который снабжен патрубком 7 для забора наружного воздуха. Между двигателем 1 и кожухом 6 вентилятора 4 установлено средство 8, создающее воздушный вихрь. Средство 8 представляет собой обечайку 9, на внутренней поверхности которой установлены наклонные направляющие лопатки 10, обеспечивающие закручивание воздушного потока. Лопатки 10 обечайки 9, создающие вихревые воздушные потоки, установлены под углом от 3 до 5° к продольной оси вентилятора 4.
Работает система охлаждения двигателя верхнего привода буровой установки следующим образом.
При включении электрического двигателя 1 верхнего привода буровой установки одновременно с ним включается привод 5 вентилятора 4, который через патрубок 7 кожуха 6 вентилятора 4 засасывает воздух и направляет его в полость обечайки 9 на лопатки 10. Воздушный поток, создаваемый вентилятором 4 при встрече с лопатками 10, образует перепад давлений между входом и выходом обечайки 9. Под действием этого перепада давлений воздух начинает ускоренно течь по наклонно установленным, направляющим лопаткам 10, разделяясь на отдельные ламинарно движущиеся струи, которые по выходе из обечайки 9, с большой скоростью пересекаясь и перемешиваясь, превращаются в движущийся вихрь, который направляется в систему каналов 2 и 3 двигателя 1 верхнего привода буровой установки. Интенсификация процесса теплообмена, в данном случае, основана на гидродинамической теории Рейнольдса о единстве процессов переноса теплоты и количества движения в турбулентных потоках. При этом частицы газа, находящиеся в ядре потока и обладающие большой скоростью, попадая в пристенный слой, тормозятся и принимают там меньшую скорость. Затем эти частицы вытесняются другими и снова возвращаются в турбулентное ядро. Такое перемещение отдельных масс газовых частиц из ядра в пристенный слой и обратно повторяется непрерывно, что и способствует интенсификации процесса теплообмена.
Предлагаемое средство вихреобразования в системе охлаждения электрического двигателя верхнего привода буровой установки прошло испытания в лаборатории СДМ, кафедры ТТС, СПБГПУ. В результате чего было установлено, что наиболее эффективное охлаждение электродвигателя турбулентным воздушным потоком, создаваемым вышеописанным средством, достигается в пределах угла наклона лопаток 3-5° к продольной оси вентилятора.