RU168760U1

RU168760U1 - DRILLING UNIT DRIVE RIG DRIVE MOTOR AIR COOLING SYSTEM

Info

Publication number: RU168760U1
Application number: RU2016141155U
Authority: RU
Inventors: Сергей Васильевич Никитин; Евгения Евгеньевна Харламова; Александр Андреевич Шестопалов
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2017-02-17

Abstract

Полезная модель относиться к области горной техники, а более конкретно к буровым установкам, использующим систему верхнего привода, содержащую электродвигатели с воздушным охлаждением. Сущность полезной модели заключается в том, что в системе охлаждения электрического двигателя верхнего привода буровой установки, включающей вентилятор с автономным приводом и системой внутренних каналов, размещенных внутри двигателя, между двигателем 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. Техническая сущность полезной модели состоит в том, что система воздушного охлаждения снабжена средством создания турбулентного воздушного потока.The utility model relates to the field of mining equipment, and more particularly to drilling rigs using a top drive system containing air-cooled electric motors. The essence of the utility model lies in the fact that in the cooling system of the electric motor of the top drive of the drilling rig, which includes a fan with an independent drive and a system of internal channels located inside the engine, a means is created between the engine and the fan to create an air vortex, which is a shell, on the inner surface which installed inclined guide vanes, ensuring the swirling of the air flow. The blades are installed at an angle of 3 to 5 ° to the longitudinal axis of the fan. The technical essence of the utility model is that the air cooling system is equipped with a means of creating a turbulent air flow.

Description

Полезная модель относиться к области горной техники, а более конкретно к буровым установкам, использующим систему верхнего привода, содержащую электродвигатели с воздушным охлаждением.The utility model relates to the field of mining equipment, and more particularly to drilling rigs using a top drive system containing air-cooled electric motors.

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].A known design of an air cooling system for an electric motor of a top drive of a drilling rig using a fan mounted on an electric motor shaft. In the process, the fan creates an aerodynamic pressure, under the influence of which external and internal ventilation of the engine elements is carried out. To this end, special channels are made in the body and bearing shields of the machine through which air from the environment enters the machine, cools it, and then is thrown out. [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.The main disadvantage of the analogue described above is the low efficiency of the cooling system, especially for those cases when the engine is running with a speed control "down" from the nominal. At a low speed, the pressure of the air stream decreases and the ventilation becomes weak, which leads to excessive overheating of the machine.

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].The known design of the air cooling system of the electric motor of the top drive of the drilling rig using an autonomous fan with its own drive, which reduces the effect of the main disadvantage of the above analogue. The speed of the autonomous fan does not depend on the operating mode of the cooled electric motor. In this case, the fan through the duct system pumps air flow directly into the machine body, where, flowing around its fuel elements (for example, the stator and rotor windings), it is thrown out through the slotted holes in the lower part of the case [RU 1185501].

К недостаткам этого аналога следует отнести недостаточную интенсивность охлаждения электродвигателя, что особенно важно для приводов, работающих в тяжелых режимах нагружения.The disadvantages of this analogue include the insufficient cooling intensity of the electric motor, which is especially important for drives operating in heavy loading conditions.

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.The closest to the utility model in terms of essential features is the design of the air-cooled electric motor of the top drive of the drilling rig, consisting of a centrifugal fan with an air intake device. This type of fan generates a higher outlet pressure than axial fans. A centrifugal cooling fan is driven by its own electric motor mounted on top of the AC drilling motor. Air enters the system through an air intake device, which is also the brake housing, then it passes through a rigid pipe and enters the internal longitudinal channels of the piercing magnetic circuits and their windings through openings located in the upper part of the engine. After passing through the interior of the AC drilling motor, air exits through an opening located at the bottom of the motor.

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.The disadvantage of the engine cooling system described above is that heat transfer from heated components and engine parts to the air flow moving in a laminar mode despite high pressure occurs in a passive form, while heat transfer between the radiating surfaces is carried out in the boundary (wall) layer. However, the heat transfer intensity between the radiating surfaces and the air flow is determined, first of all, by the presence of a viscous sublayer, which is a powerful thermal resistance that impedes heat transfer. Both analogues and the prototype do not contribute to the destruction of the viscous sublayer due to the laminar nature of the air flow.

Таким образом, задачей полезной модели является повышение эффективности теплообмена между излучающими частями электрической машины и взаимодействующим с ними потоком воздуха.Thus, the objective of the utility model is to increase the heat transfer efficiency between the radiating parts of the electric machine and the air flow interacting with them.

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.The problem is solved due to the fact that in the cooling system of the electric motor of the upper drive of the drilling rig, which includes a fan with an independent drive and a system of internal channels, mainly located inside the engine, a means creating an air vortex, which is a shell, is installed between the channel system of the engine and the fan, on the inner surface of which inclined guide vanes are installed, ensuring the swirling of the air flow. The blades are mounted at an angle of 3 ° to 5 ° to the longitudinal axis of the fan.

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.The technical result of the utility model is that the air flow generated in the shell forms a vortex structure that destroys the viscous part of the wall layer of the cooled engine elements, which significantly improves the heat transfer conditions of the cooled elements.

На прилагаемом к описанию полезной модели чертеже дано схематическое изображение общего вида двигателя с предлагаемой системой охлаждения.On the drawing attached to the description of the utility model, a schematic representation of the general view of the engine with the proposed cooling system is given.

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.The cooling system of the engine of the top drive of the drilling rig includes an electric motor 1 with a system of internal longitudinal channels 2 and 3 and is equipped with a cooling system in the form of a centrifugal fan 4 connected to an autonomous drive 5, a casing 6, which is equipped with a pipe 7 for intake of external air. Between the engine 1 and the casing 6 of the fan 4 is installed means 8, creating an air vortex. The tool 8 is a shell 9, on the inner surface of which are installed inclined guide vanes 10, ensuring the swirling of the air flow. The blades 10 of the shell 9, creating vortex air flows, are installed at an angle of 3 to 5 ° to the longitudinal axis of the fan 4.

Работает система охлаждения двигателя верхнего привода буровой установки следующим образом.The engine cooling system of the top drive of the drilling rig operates as follows.

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.When you turn on the electric motor 1 of the upper drive of the drilling rig at the same time it turns on the drive 5 of the fan 4, which draws air through the pipe 7 of the casing 6 of the fan 4 and directs it into the cavity of the shell 9 on the blades 10. The air flow created by the fan 4 when meeting with the blades 10 , forms a pressure differential between the input and output of the shell 9. Under the action of this pressure differential, air begins to flow rapidly along obliquely mounted guide vanes 10, being divided into separate laminarly moving jets, which at the exit from the shell 9, intersecting and mixing at high speed, turn into a moving vortex, which is sent to the channel system 2 and 3 of engine 1 of the top drive of the drilling rig. The intensification of the heat transfer process, in this case, is based on the Reynolds hydrodynamic theory of the unity of the processes of heat transfer and momentum in turbulent flows. In this case, gas particles located in the core of the flow and having a high speed, getting into the wall layer, are inhibited and take a lower speed there. Then these particles are displaced by others and again return to the turbulent core. This movement of individual masses of gas particles from the core to the wall layer and back is repeated continuously, which contributes to the intensification of the heat transfer process.

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.The proposed means of vortex formation in the cooling system of the electric motor of the top drive of the rig has been tested in the laboratory of SDM, department of TTS, SPbSPU. As a result, it was found that the most efficient cooling of the electric motor by the turbulent air flow created by the above-described means is achieved within the angle of inclination of the blades 3-5 ° to the longitudinal axis of the fan.

Claims

1. The cooling system of the electric motor of the top drive of the drilling rig, including a fan with an autonomous drive and a system of internal channels located inside the engine, characterized in that between the engine and the fan there is installed a means of creating an air vortex, which is a shell, on whose inner surface there are inclined guides blades for swirling the air flow.

2. The cooling system according to claim 1, characterized in that the blades are installed at an angle of 3 to 5 ° to the longitudinal axis of the fan.