Учебное пособие 1713

Роторный вентилятор, установка которого связана с минимальным внедрением в конструкцию ротора, показан на рис. 3.1, 3.2. В теле ротора сверлится глухое отверстие 1 под подшипник вентилятора, а также два от-

верстия с резьбой под болты 2. Болты крепят вставку 3, являющуюся про-

водником потока для ротора 4 вентилятора. Второй подшипник ротора вен-

тилятора закреплен в планке 5. На свободном конце вала ротора 4 установле-

но колесо 6 вентилятора с лопастями 7. Токозамыкаюшее кольцо 8 основного ротора имеет также лопатки 9.

Применение орбитальных роторных вентиляторов (ОРВ) требует ре-

шения двух основных вопросов, во-первых: выбор типоразмера ОРВ, схемы их расположения на двигателе, и во-вторых, - оценку влияния ОРВ на сни-

жение температуры наиболее нагретых и наиболее критичных к нагреву час-

тей машины, что связано с оценкой влияния ОРВ на такие тепловые парамет-

ры двигателя, как местные коэффициенты теплоотдачи, теплоотдачу в целом,

а также на вентиляторные характеристики, что в общем определяет как на-

грев, так и постоянные времени нагрева. В этой связи возможны различные варианты (по мере усложнения) представления тепловой модели двигателя.

Так, возможно представление теплового состояния по первой тепловой мо-

дели (двигатель представляет однородное в тепловом отношении тело), по второй тепловой модели (учет меди и стали двигателя) и, наконец, для наи-

большей точности - распределенной тепловой модели.

Однако в любом случае присутствует определенная специфика, связан-

ная с введением ОРВ, что накладывает отпечаток на использование извест-

ных тепловых моделей. Данная специфика заключается в пяти принципиаль-

ных моментах:

1.Максимальная скорость ОРВ достигается практически в начальном периоде разгона основного двигателя.

2. ОРВ обеспечивает увеличение местных коэффициентов теплоотдачи на участках лобовых частей, находящихся в их зоне:

Рис.3.1.

Рис.3.2.

3.Происходит переток тепла теплопроводностью по окружностям лобовых частей от зон вне действия ОРВ к зонам их действия;

4.Присутствует квазиустановившийся тепловой режим, связанный с периодическим изменением местного коэффициента теплоотдачи внутрен-

них поверхностей лобовых частей при разгоне и работе двигателя; 5. Изменяется и общий коэффициент теплоотдачи, что связано с турбу-

лизацией потока ОРВ, а также с эффектом вращающейся трубки (цилиндра ОРВ) в набегающем потоке - эффект Магнуса.

Влияние данных эффектов на тепловое состояние машины практически не исследовано, требует дальнейшего изучения, чему и посвящается статья.

С этой целью необходимо сопоставить некоторые известные и возникающие при применении ОРВ зависимости, а также аналитически решить квазиста-

ционарную тепловую задачу с полосовой конфигурацией зоны стока тепло-

ты.

Основным допущением является двумерный характер зоны стока теп-

лоты.

При расчете машин с ОРВ возможны два варианта постановки цели:

1. Оценка уменьшения превышения температуры или уменьшения по-

стоянной времени нагрева, обусловленные использованием ОРВ; 2. Расчет требуемого количества и/или параметров ОРВ, необходимых

для достижения заданного снижения температуры.

Однако и в том, и в другом случае необходимым является определение местных и интегральных коэффициентов теплоотдачи, и соответственно, те-

плоотдач.

Путь решения данной задачи составляет как минимум, три итерации:

1. Аналитический расчет на основе одноступенчатой теории нагрева-

ния;

2.Уточнение аналитического расчета на основе опытов холостого хода

икороткого замыкания;

3. Дальнейшее уточнение, связанное с повышением порядка тепловой модели, учета неоднородной теплопроводности и квазистационарного режи-

ма.

Результатом всех итераций являются все более уточненные сетки кри-

вых нагревания и охлаждения, позволяющие оценить нагрев при любом за-

данном графике нагрузки.

Первая и частично вторая итерации расчета, где оценено изменение по-

стоянной времени нагрева цилиндрического тела (двигателя) в результате ус-

тановки ОРВ, определено изменение коэффициента потерь для режимов хо-

лостого хода и короткого замыкания, найдено возможное изменение превы-

шения температуры на основе расчетной схемы, геометрических соотноше-

ний и предположения о том, что влияние ОРВ распространяется на внутрен-

нюю цилиндрическую и на торцевую поверхности лобовых частей. При этом точность определения повышения температуры не превышает 15-20%. С це-

лью повышения точности, возможно более полного учета квазистационарно-

го режима, необходимо провести дальнейшее исследование, чему, и посвя-

щена данная статья.

Известно, что у двигателей с самовентиляцией теплоотдача зависит от скорости, и ее изменение принято характеризовать коэффициентом ухудше-

ния теплоотдачи

Ai

oi A ,

где

Аi - теплоотдача при данной скорости,

А - теплоотдача при номинальной скорости.

Значение oi зависит от исполнения, и если у закрытого двигателя с независимой вентиляцией равно 1, то у закрытого двигателя без принуди-

тельного охлаждения - 0,95..0,98, у закрытого самовентилируемого -

0,45..0,55, у самовентилируемого защищенного исполнения - 0,25..0,35. Ана-

логично ухудшается теплоотдача и во время пуска и торможения, когда дви-

гатель вращается с пониженной скоростью.

Для решения вопросов выбора типа и количества ОРВ для конкретного двигателя необходимо проанализировать квазистационарный тепловой про-

цесс, возникающий в лобовых частях обмотки при быстро движущихся сто-

ках теплоты, связанных с наличием на роторе вентиляторов.

Рассмотрим тепловую задачу с одномерной зоной стока теплоты с полосовой конфигурацией в цилиндрической системе координат с равно-

мерно распределенной плотностью стока, сток быстродвижущийся, дейст-

вующий длительно. Пусть сток J1 с плотностью теплопоглащения q1 дви-

жется со скоростью в направлении, показанном стрелкой на рис.3.3.

Система координат yz движется вместе со стоком. Выделим из цилиндри-

ческого тела (лобовых частей обмотки статора) элемент в виде стержня шириной b и толщиной .

Вследствие высокой скорости движения время прохода стока через

этот элемент dt=d /V столь мало, то на участке в d температуру будем счи-

тать одинаковой во всех точках, а сам сток в этом элементе будем считать двумерным мгновенным. Для такой задачи получена формула (для источни-

ка):

где

(x,y,t) - температурное поле,

Q1 - тепловыделение.

- температурный коэффициент,

= /c - коэффициент температуропроводности,

где с =с - объемная теплопроводность,

Рис.3.3.

Рис.3.4.

xu,yu - координаты источника.

Для нашего случая необходимо отметить, что в отличие от известного,

мы имеем цилиндрическую систему координат, а кроме того, имеем сток, а

не источник тепла. Помимо этого отметим, что yu=0, а время , прошедшее с того момента, когда сток пройдет элемент d до момента наблюдения равно:

=( u)/V. Теплопоглощение Q2 двумерного стока связано с плотностью q1

теплопоглощения одномерного стока уравнением теплового баланса для площади bd , а именно bq1dt=bQ2d , откуда

имеем:

Для полосового источника J2 исходная формула имеет вид:

Производя для данного случая то же самый переход, получим:

чим:

Если же плотность теплопоглощения не равномерно распределена по пятну теплостока по некоторому закону q2( u)=q0f( u), то получаем:

Можно воспользоваться и предыдущей формулой, но в этом случае значение T1 для f( u) приходится определять методами приближенного ин-

тегрирования. Так, для нормального распределенного симметричного одно-

временного теплостока f(xu)=-exp[-k0Xu2] закон распределения относитель-

ных температур имеет вид, показанный на рис.3.4.

Рассмотрим задачу охлаждения цилиндра с торца, как наиболее адек-

ватно отражающую охлаждение лобовых частей с помощью ОРВ.

Рис.3.5.

Рис.3.6.