§4.8. Системы охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов тепловозов.

Назначение систем охлаждения. При работе тяговых электрических машин часть подведенной к ним энергии преобразуется в активных элементах (в обмотках и в магнитной системе) в тепловую, что ведет к нагреванию машин и повышению температуры изоляции их обмоток.

Тепловое состояние электрической машины характеризуется превышениями τ температур t_i- ее обмоток над температурой t_о окружающего воздуха, т.е.

Увеличение температур обмоток ускоряет старение электроизоляционных материалов. Для каждого класса этих материалов существует определенный температурный уровень, превышение которого на 5—10 °С приводит к сокращению срока службы изоляции в 2 раза. Предельные допустимые превышения t_{i mах} температур обмоток строго ограничены стандартами в соответствии с классами изоляции значениями, соответствующими длительному режиму и температуре охлаждающего воздуха 25 °С:

Класс изоляции

В F Н

τ_mах для обмотки якоря, °С 120 140 160

τ_max для обмотки возбуждения, °С 130 155 180

Чтобы поддерживать необходимые температурные условия работы электрического оборудования при любых возможных в эксплуатации режимах, на тепловозах установлены системы охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов.

Интенсивность выделения теплоты А (ккал/ч) в электрических машинах можно оценить по их коэффициентам полезного действия:

для тяговых и вспомогательных электродвигателей

(4.38)

для тяговых и вспомогательных генераторов

(4.39)

где Р_д и Р_г — мощности соответственно двигателя и генератора, кВт; η_д и η_г — КПД соответственно электродвигателя и генератора.

У современных однотипных тяговых электрических машин уровень КПД одинаков и стабилен: для тяговых электродвигателей η_д = 0,90—0,92; для тяговых генераторов η_г = 0,93—0,95.

В тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока не менее важным, чем электрические машины, объектом систем охлаждения является полупроводниковая выпрямительная установка. Интенсивность выделения тепла А_ву в этой установке можно определить по формуле (4.39) с подстановкой в нее расчетной мощности Р_ву и расчетного КПД η_ву ≈ 0,985.

В тепловозах с электрической передачей переменного тока дополнительно выделяется тепло в преобразователе частоты. Интенсивность выделения тепла А _пч в этой установке можно принимать также по формуле (4.39), при этом расчетный КПД следует взять η_ПЧ ≈ 0,98.

Во всех без исключения системах охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов тепловозов охлаждающим рабочим телом является предварительно очищенный атмосферный воздух.

Технические требования к системам охлаждения. Основные требования к системам охлаждения сводятся к следующим:

– обеспечение работы тяговых электрических машин и аппаратов при температурах наружного воздуха от -50 до +40 °С (среднегодовая температура не выше 25 °С);

– гарантия защиты тяговых электрических машин и аппаратов от попадания в них загрязнений, существенно влияющих на надежность машин, т.е. обеспечение очистки охлаждающего воздуха;

– коэффициент очистки воздуха от пыли, проверенный на кварцевой пыли с удельной поверхностью 2800 см²/г, не менее 75—85 % при всех режимах работы системы;

– коэффициент очистки воздуха от капельной влаги и снега при номинальном режиме не менее 70 %;

– затраты мощности на работу системы не более 4—5 % эффективной мощности дизелей тепловоза.

Классификация систем охлаждения. Устанавливаемые в тепловозах системы охлаждения тяговых электрических машин классифицируют по многим признакам.

По размещению вентиляторов тяговые машины делят на само- вентилируемые (вентилятор встроен в машину и находится на ее валу) и с независимой вентиляцией (вентилятор установлен отдельно). Любая система охлаждения может быть вытяжной, если вентилятор размещен за машиной (по ходу воздуха) и нагнетательной, если вентилятор перед машиной.

По месту забора вентилирующего воздуха системы охлаждения делят на системы с внутренним (из кузова тепловоза) и с наружным забором воздуха. Наружное устройство для забора воздуха можно размещать на крыше тепловоза (забор воздуха сверху) или на боковых стенках кузова (забор воздуха сбоку). В последнем случае забор воздуха может быть с одной стороны локомотива или с обеих боковых сторон. Как правило, при наружном заборе воздуха предусматривают возможность временного перехода (например, при неблагоприятных атмосферных условиях) на внутренний забор воздуха.

По степени очистки воздуха системы могут быть без специальных устройств для очистки воздуха, с простейшими воздухоприемными устройствами (жалюзийные решетки) и более совершенными устройствами для очистки воздуха.

По степени централизации подачи воздуха различают системы индивидуальные, групповые и централизованные.

По степени регулирования расхода охлаждающего воздуха системы могут быть нерегулируемые, со ступенчатым (сезонным) и непрерывным (автоматическим) регулированием.

По способу регулирования расхода охлаждающего воздуха различают системы с дроссельным регулированием (воздухоприемные жалюзи, заслонки в воздуховодах) и с регулированием производительности вентилятора. Последний способ можно осуществлять регулированием частоты вращения ротора вентилятора (с помощью коробки передач, гидро- или электроприводы) или изменением аэродинамических характеристик вентилятора (поворотные лопатки и т.п.).

По характеру обслуживания воздухоочистительных устройств системы могут быть с периодическим и непрерывным удалением пыли.

Схемы систем охлаждения тяговых электрических машин. В тепловозостроении наиболее распространена смешанная схема (рис. 4.44, б), в которую входят индивидуальная для тягового генератора и две групповых для тяговых электродвигателей. Такая схема связана с компоновкой оборудования в современных тепловозах и раздачей мощности на привод вспомогательных механизмов карданными валами и распределительными редукторами. От последних энергия передается вентиляторам тяговых двигателей передней и задней тележек. Вентилятор тягового генератора приводится в действие непосредственно от дизеля. Такой тип системы ох­лаждения у многих отечественных тепловозов и, в частности, у тепловозов 2ТЭ10М, ТЭМ18, М62, ТЭП60, ТЭМ2У.

На грузовых тепловозах с электрической передачей переменнопостоянного тока (ТЭ109, ТЭ116) привод вентиляторов тяговых двигателей электрический, в систему охлаждения также входит индивидуальная система охлаждения полупроводниковых выпрямителей.

Рисунок 4.44 – Схемы систем охлаждения тяговых электрических машин

тепловозов:

а — индивидуальная; б — смешанная; в — централизованная; В — вен­тилятор; ЦВ — центральный вентилятор; Г — тяговый генератор; ТД — тяговый двигатель; ВУ — выпрямительная установка.

Групповые системы охлаждения тяговых электродвигателей на всех тепловозах в принципе одинаковы. Наружный воздух через воздушный фильтр в стенке кузова тепловоза и короткий всасывающий канал попадает в вентилятор, откуда через нагнетательные каналы распределяется по тяговым электродвигателям, после которых выбрасывается в атмосферу.

Некоторые тепловозы (ТЭП70, ТЭП80, ТЭ121, ТЭМ7, ТЭРА1) имеют централизованную систему охлаждения (рис. 4.44, в, 4.45), в которой все тяговые электрические машины и аппараты снабжаются воздухом от одной вентиляторной установки. Достоинства централизованных систем заключаются в сосредоточении в одном месте всего вентиляционного оборудования тепловоза. Это упрощает конструкцию привода вентиляторов от вала дизеля, очистку воздуха, значительно снижает вес привода и объем машинного отделения тепловоза, занятый этими устройствами. К достоинствам этих систем относится также возможность применения более совершенных в технико-экономическом отношении высокопроизво-дительных вентиляторов, например осевых, с более высоким КПД, чем у центробежных. Недостатками централизованных систем являются наличие дополнительных воздуховодов большой протяженности, увеличивающих вес и размеры системы, и повышение затрат мощности на преодоление аэродинамического сопротивления течению воздуха в воздуховодах.

Рисунок 4.45 –Система централизованного воздушного охлаждения тепловоза ТЭП70:

1 — осевой вентилятор; 2 — воздуховод к главному генератору; 3, 4, 5, 12, 13 — воздуховоды к тяговым электродвигателям; 6 — рама тепловоза; 7 — воздуховод к тяговым электродвигателям задней тележки; 8 — тяго-вый генератор; 9 — крышевой блок фильтров; 10 — выпрямительная ус-тановка; 11 — воздухопровод к выпрямительной установке; 14 — цен-тральный воздуховод; 15 — воздуховод к высоковольтной камере.

Расчет и проектирование систем охлаждения. Расчет систем ох­лаждения сводится к определению производительности G и давления (напора) Н' вентилятора (вентиляторов), подбору его типа для спроектированной системы.

Определение необходимого количества воздуха. На основании сравнительного рассмотрения соответствующих технических данных общее количество воздуха, охлаждающего тяговые электрические машины, для тепловозов равно 11—12,2 м³/ч на каждый киловатт мощности (с учетом охлаждения выпрямительной установки тепловоза с передачей переменно-постоянного тока 12,4—12,7 м³/ч), для электровозов с передачей переменного тока 5,8—9 м³/ч. В целом для охлаждения тяговых электрических машин тепловоза затрачивается количество воздуха, более чем в 2 раза превышающее потребность дизеля в воздухе.

Интенсивность охлаждения тяговых электрических машин оценивают удельными величинами. Ниже приведены удельные расходы воздуха G/Р для тяговых электрических машин некоторых локомотивов.

Расход воздуха (м³/ч), необходимого для охлаждения электрических машин, определяют по следующим выражениям:

для двигателей

(4.40)

для генераторов

(4.41)

для выпрямительных установок

(4.42)

где с_рвз — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·°С); ρ_вз — плотность воздуха, кг/м³; Δt — температура нагревания воздуха в электрических машинах и аппаратах. Экспериментально получено Δt_Эд = 20—25 °С; Δt_Г = 22—28 °С (большее значение для самовентилируемых генераторов);Δt_By = 10—12 °С.

Расчет сопротивления воздуховодов. Аэродинамическое сопротивление воздуховода образуется из сопротивления на входе до вентилятора (сопротивления защитных решеток и жалюзи, начальное сопротивление чистых воздухоочистительных устройств, предельное сопротивление воздухоочистителей) и сопротивления после вентилятора (сопротивления воздуховодов, отводов, дросселей, сопротивления тяговых электрических машин, потерь динамического давления на выходе из машин). Сопротивления, перечисленные выше, кроме сопротивления тяговых электрических машин, определяют из выражения

(4.43)

где ζ_i — коэффициент аэродинамического сопротивления элемента; υ_B3—скорость воздуха на выходе, м/с.

Для элементов воздуховодов коэффициент ζ_i может быть выбран по справочным данным. Аэродинамическое сопротивление тяговых машин

(4.44)

где G_ТМ — расход воздуха, идущего на вентиляцию тяговой машины; ζ_тм — коэффициент аэродинамического сопротивления.

Значение коэффициента ζ_тм для генератора ГП-300Б равно 21, для ГП-311Б и ГП-312 — 12, для ГС-501 А — 5,5.

Потери динамического давления Н'_Д на выходе из машины определяют по выражению (4.43). При этом принимают ζ_i = 1, а скорость υ_вз (в данном случае на выходе) может достигать 15—17 м/с

при Н'_Д = 140—170 Па. Полное сопротивление системы равно сумме всех аэродинамических сопротивлений. При этом полное давление, создаваемое вентилятором,

(4.45)

где k_н — коэффициент запаса по давлению, равный 1,0—1,05; H'_i — сумма аэродинамических сопротивлений элементов воздуховода.

При проектировании воздуховодов определяют их протяженность и сечения. Протяженность системы зависит от размещения оборудования локомотива и схемы системы охлаждения. Поперечные сечения воздуховодов выбирают с учетом расхода воздуха в данном сечении. Стремятся снизить скорость воздуха в воздуховодах, так как при этом снижаются потери давления. Установлено, что оптимальная скорость воздуха в воздуховодах 8 м/с. Однако она непостоянна на всем протяжении воздуховода: наибольшая скорость воздуха на выходе уменьшается по мере раздачи воздуха. В головных участках нагнетательных каналов тяговых двигателей скорость воздуха 20—30 м/с, а на ответвленных 4—12 м/с.

Воздухоочистители системы охлаждения электрических машин и аппаратов. В качестве первой ступени очистки воздуха для электрических машин применяют жалюзийные решетки (инерционные воздухоочистители), которые служат для предотвращения попадания в воздушную систему посторонних предметов и для отделения атмосферной влаги и пыли из воздушного потока. В некоторых случаях жалюзийные решетки (жалюзи) используют для выравнивания поля скоростей воздуха на входе. Во всех отечественных тепловозах применяют жалюзи с горизонтальным расположением створок и наклоном 45°. В зарубежной практике получили распространение жалюзи с вертикальным расположением створок.

Коэффициент очистки воздуха жалюзи с горизонтальным расположением створок составляет 25—35 %, а с вертикальным — 40—45 %.

Для дальнейшей очистки воздуха применяются фильтрующие элементы различного типа. На отечественных тепловозах применяют главным образом унифицированные многослойные проволочные кассеты с полиуретановой набивкой. На рис. 4.46 показан блок воздухоочистителя ЦВС тепловоза ТЭП70.

Воздухоочиститель представляет собой часть крыши кузова, в которой расположены двадцать две кассеты 3. Кассеты устанавливаются внутри каркаса крыши и в поперечном сечении тепловоза образуют собой арку, внутри которой находится всасывающий патрубок 5 вентилятора и люк 6, служащий для проведения работ по обдувке кассет сжатым воздухом для очистки при их загрязнении в процессе эксплуатации. Для постановки и выемки кассет предназначены специальные люки. Кассеты вставляются в пазы их каркаса и прижимаются от руки винтами 4. Загрязнение кассет контролируется дифференциальным манометром 2, закрепленным на наружной стенке воздухоочистителя.

Кассета воздухоочистителя (рис. 4.46, 6) состоит из наружного 12 и внутреннего 10 корпусов, сеток 8, 9, набивки 7 и уплотнения 11. К наружному корпусу кассеты прикреплена сетка 9, которая вместе с сеткой 8 представляет полиуретановую набивку от выдувания и повреждения.

На тепловозе ТЭП70БС вместо кассет установлены мультициклонные блоки.

Рисунок 4.46 – Блок воздухоочистителя: а — схема установки кассет; б — устройство кассеты;

1,6 — люки; 2 — дифференциальный манометр; 3 — кассеты; 4 — винт; 5 — всасывающий патрубок осевого вентилятора; 7 — пенополиуретановая набивка; 8, 9 — сетки; 10, 12 — корпусы; 11 — уплотнение; 13 — ручка.

Вентилятори.