Испытание морского водометного двигателя: Толкать, Моделирование кавитационной нагрузки, и акустическая проверка

Почему испытания водометных двигателей не являются взаимозаменяемыми с испытаниями гребных двигателей

Испытательные стенды для морских электрических силовых установок обычно рассчитаны на нагрузку, приводимую в движение гребным винтом.: крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату скорости, тяга непрерывная, а кавитация является второстепенной проблемой, решаемой геометрией винта.. Водометные двигательные установки имеют принципиально иной профиль нагрузки — и их испытания на пропеллерном стенде дают данные, которые систематически искажают то, что двигатель будет испытывать в эксплуатации..

Водометные приводы являются предпочтительной силовой установкой для патрульных судов. (15–50 узлов), быстрые паромы, десантный корабль, катера береговой охраны, и военно-морские суда противоминной защиты, для которых работа на мелководье и быстрое ускорение имеют большее значение, чем максимальная эффективность на крейсерской скорости.. Поскольку военно-морские и коммерческие операторы электрифицируют эти классы судов, проверка электродвигателя, приводящего в движение водометное колесо, стала специализированной дисциплиной со своими собственными стандартами испытаний и требованиями к измерениям..

Как система водоструйной резки по-разному нагружает двигатель

• Осевое усилие, не только крутящий момент: Водоструйная крыльчатка по сути представляет собой высокоскоростной насос.. Двигатель испытывает как крутящий момент (привод вала рабочего колеса) и реакция осевой тяги (от перепада давления воды на диске рабочего колеса). На пропеллерной системе, осевые силы воспринимаются специальным упорным подшипником и редко появляются при измерении крутящего момента двигателя.. В водоструйной установке, осевая нагрузка может достигать 30–60 % радиальной нагрузки на подшипник при полной мощности и должна характеризоваться отдельно от крутящего момента..
• Кавитация впускного канала: Когда скорость крыльчатки превышает критический порог динамического давления на входе., местное давление на передней кромке лопатки рабочего колеса падает ниже давления пара, создание кавитационных пузырьков. Кавитация создает характерную импульсивную вибрацию., разрушает лопатки рабочего колеса, и создает резкие колебания крутящего момента, ни один из которых не проявляется на испытательном стенде гребного винта.. Для обнаружения начала кавитации во время квалификации двигателя требуется анализ вибрации, интегрированный с измерением крутящего момента..
• Нагрузка на рулевой ковш: Механизм изменения вектора тяги (система ковша/дефлектора) меняет направление струи воды для управления судном. Когда ковш частично развернут, гидравлическая нагрузка на вал двигателя резко меняется из-за изменения условий потока на входе.. Тестирование двигателя, которое игнорирует положение ковша, не может предсказать требуемую мощность при промежуточных углах поворота рулевого колеса..
• Диапазон скоростей и профиль ускорения: Суда водоструйной резки быстро разгоняются от нулевой до максимальной скорости, поскольку крыльчатка может засасывать воздух при низкой скорости судна. (вентиляция) — оператор должен управлять переходом от вентиляции к полностью заправленному состоянию.. Двигатель должен выдерживать резкие скачки скорости на холостом ходу во время фазы вентиляции без срабатывания защиты., состояние, которое никогда не возникает в устройствах с винтовым приводом.

Основные тесты для проверки морских водоструйных двигателей

1. Сопоставление тягового момента на каждой скорости рабочего колеса

Гидравлический привод осевой нагрузки прикладывает контролируемую осевую силу к валу двигателя, в то время как динамометр прикладывает крутящую нагрузку.. При каждой комбинации скоростей (500–3600 об/мин типично для 450 водоструйный двигатель кВт), записи испытательного стенда: крутящий момент вала, скорость вала, осевая сила тяги, входная мощность двигателя, и КПД двигателя. Полученный четырехмерный набор данных — крутящий момент, толкать, оборотов, эффективность — характеризует рабочий диапазон двигателя в условиях комбинированной нагрузки, которые он будет испытывать в море..

Ключевые показатели: КПД двигателя при номинальной скорости и номинальной тяге (%), температура подшипника при комбинированном номинальном крутящем моменте + номинальная тяга, пиковый крутящий момент при максимальной скорости рабочего колеса.

2. Моделирование кавитационной нагрузки

Кавитация моделируется путем программирования профиля крутящего момента динамометра, который повторяет импульсные колебания крутящего момента, измеренные на типичных водоструйных рабочих колесах в кавитирующем потоке - обычно на основе данных о нагрузке рабочего колеса, полученных с помощью CFD.. Профиль крутящего момента воспроизводится как временная последовательность команд для контроллера динамометра, пока двигатель работает на номинальной скорости.. Температура обмотки двигателя и вибрация вала контролируются на предмет аномальной реакции.. Отдельно, акселерометры с крыльчаткой (при мокром испытании с физическим рабочим колесом в проточном канале) предоставить наземную сигнатуру кавитации для калибровки смоделированных профилей.

Ключевые показатели: Среднеквадратическая скорость вибрации двигателя при моделируемой кавитационной нагрузке (мм/с), пиковая амплитуда крутящего момента во время кавитационного взрыва (Нм), Температурная реакция обмотки на прерывистые переходные процессы нагрузки.

3. Тест восстановления вентиляции

Двигатель разгоняется до 120% номинальная скорость без гидравлической нагрузки (имитация подсоса воздуха при низкой скорости судна). Через 3–5 секунд, нагрузка ступенчато изменяется от нуля до номинального крутящего момента в пределах 500 миллисекунды (имитация заливки крыльчатки по мере набора скорости судна). Проверена способность контроллера двигателя поддерживать коммутацию во время этого переходного процесса нагрузки без срабатывания защиты от перегрузки по току.. Кривые напряжения и тока на выходе инвертора записываются на протяжении всего мероприятия..

Ключевые показатели: токовое превышение во время шага нагрузки (% выше рейтинга), ускорить время восстановления с точностью до 2% заданного значения (РС), события аварийного отключения инвертора во время 10 последовательные этапы нагрузки (цель: ноль).

4. Управление температурным режимом при непрерывном круизном режиме

Двигатель работает при 85% номинальная мощность в течение определенного продолжительного периода номинальной мощности (обычно 4 часов для военно-морского применения, ссылка на MIL-E-917 или STANAG 1008 стандарты качества морской энергии). Температура обмотки, температура подшипника, и температуры на входе/выходе системы охлаждения морской воды регистрируются с 30-секундными интервалами.. Для двигателей со встроенными рубашками охлаждения забортной водой (распространен в морских двигательных установках), также измеряются падение давления и расход контура охлаждения..

Ключевые показатели: повышение температуры обмотки при 4-часовой номинальной мощности (К выше температуры окружающей среды), температура подшипника в установившемся термическом состоянии (°С), повышение температуры охлаждающей воды на выходе (°С).

5. Измерение акустической сигнатуры при изменении скорости

Водометные суда, работающие вблизи гаваней или выполняющие функции военно-морского патрулирования, сталкиваются со строгими ограничениями по излучаемому шуму.. Акустический вклад двигателя измеряется в полубезэховой испытательной камере, где двигатель отсоединен от водомета и работает на каждом этапе скорости между 500 и номинальная частота вращения. Уровень звукового давления (дБ при 1 м, невзвешенные и A-взвешенные) и скорость вибрации в точках крепления лап двигателя фиксируются. Доминирующие частотные составляющие на частотных гармониках, проходящих через лопатку (количество лопастей рабочего колеса × об/мин) идентифицируются и сравниваются со спецификациями контракта.

Ключевые показатели: Уровень звукового давления, взвешенный по шкале А (дБ(А)) на номинальной скорости, скорость вибрации у основания двигателя (мм/с), доминирующая частота при скорости прохождения лопасти (дБ относительно 20 мкПа).

6. Экологические испытания соленой воды и влажности

Корпуса морских двигателей обычно имеют класс защиты IP56 или IP65., но изоляция обмоток должна дополнительно выдерживать агрессивную атмосферу морского машинного отделения — 95% относительная влажность с соляным туманом. МЭК 60068-2-52 В ходе циклических испытаний соляного тумана двигатель подвергается воздействию попеременных циклов соляного тумана и влажности в течение 96–336 часов. (уровни серьезности 1–7). Сопротивление изоляции измеряется до и после воздействия.; Критерием приемки является сопротивление изоляции, остающееся выше 1 МОм при 500 Испытательное напряжение В постоянного тока после воздействия.

Ключевые показатели: сопротивление изоляции после воздействия соляного тумана (МОм при 500 В постоянного тока), подтверждение IP-класса корпуса (проникновение воды на уровне IPX6), следы коррозии на внешних крепежных элементах (недопустимо для нержавеющей стали, ограничено оцинкованными).

Настройка стенда для испытаний гидроабразивных двигателей

Требование к измерению осевого усилия отличает испытательный стенд водоструйного двигателя от стандартного динамометра двигателя.: испытуемый двигатель установлен на комбинированной радиальной + осевая силовая рама, с тензодатчиками, измеряющими осевую силу независимо от датчика крутящего момента в поворотной муфте. Сам динамометр должен быть способен работать в четырех квадрантах, необходимых для моделирования этапов восстановительной нагрузки при вентиляции., и его полоса управления должна превышать 50 Гц для воспроизведения реалистичных переходных процессов кавитационного крутящего момента.

Для приборов системы охлаждения контуров с морской водой требуются расходомеры, совместимые с морской водой, и датчики давления, рассчитанные на 3.5% концентрация NaCl. Если требуются мокрые испытания с физическим рабочим колесом в проточном канале, Стенд включает в себя систему рециркуляционных насосов с регулируемым входным давлением и расходом для воспроизведения конкретных условий скорости судна..

Если вы квалифицируете электродвигатель для новой программы водометных судов — патрульных кораблей, быстрый паром, автономное надводное судно, или десантный корабль - испытательный стенд должен быть предусмотрен для улавливания осевой тяги, кавитационная динамика, и условия морской среды одновременно. Свяжитесь с нашей командой инженеров чтобы обсудить конфигурацию испытаний для вашего класса судна и диапазона мощности.